Устройство для измерения амплитуд малых периодических линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поверки средств измерений параметров вибрации. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство содержит опорный лазер 1 с активным элементом 2, ячейкой поглощения, зеркалами /3/ 4 и 5, закрепленными на пъезокорректорах /ПС/ 6 и 7, оптически связанный через светоделитель 8 и светосоединитель /С/ 9 с фотоприемниками /Ф/ 10 и 11. Лазер-датчик 12, одно из 3 которого 13 прикреплено к перемещающемуся объекту 14, также оптически связан с одним из входов синхронного детектора /Д/ 16, выход которого подключен к одному из входов сумматора /С/ 17. Генератор 18 опорного напряжения соединен с вторым входом Д и через первую коммутируемую цепь электронного ключа /К/ 19 - с П 6. Генератор пилообразного напряжения 20 подключен к П 7, а также к входу запуска частотомера /Ч/ 21 и к управляющему входу К 19, Ф 11 через усилитель 22 постоянного тока и пиковый детектор 23 связан с вторым коммутируемым входом К 19. Второй коммутируемый выход К 19 подключен к второму входу С 17, выход которого подключен к измерительному входу Ч 21. Это позволяет измерять временной интервал,соответствующий значению девиации частоты лазера-датчика /и, соответственно, амплитуде колебаний объекта/ и временной интервал, соответствующий разности частот двух пиков насыщенного поглощения, при одинаковых значениях пилообразного напряжения и длины второго пъезокорректора. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для поверки средств измерений параметров вибраций.

Известно устройство для измерения амплитуд малых периодических линейных перемещений [1] , содержащее лазер с активным элементом и двумя зеркалами, оптически связанный с ним фотоприемник и подключенный к нему селективный усилитель, амплитудный детектор, генератор опорного напряжения, генератор пилообразного напряжения, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, сигнальный вход которого связан с генератором опорного напряжения, вход регулирования связан с генератором пилообразного напряжения, а выход через усилитель мощности подключен к электромагнитному преобразователю. С электромагнитным преобразователем механически связано дополнительное зеркало, размещенное на оптической оси лазера и образующее вместе с одним из зеркал резонатора лазера внешний резонатор. Второй выход усилителя мощности через дополнительный амплитудный детектор соединен с одним из входов регистратора. Выход селективного усилителя через первый амплитудный детектор связан с вторым входом регистратора.

Известно устройство для измерения амплитуд малых периодических линейных перемещений [2], которое содержит опорный лазер с двумя зеркалами и активным элементом, фотоприемник, селективный усилитель, генератор опорной частоты, амплитудный детектор и генератор пилообразного напряжения, два пьезокорректора, связанных с зеркалами опорного лазера, ячейку насыщенного поглощения в газе, вставленную в резонатор опорного лазера, усилитель частоты, синхронный детектор и частотомер, лазер-датчик, одного из зеркал которого связано с перемещающимся объектом, светоделительное зеркало, зеркало слежения, второй фотоприемник, подключенный через усилитель низких частот и амплитудный детектор к управляющему входу первого электронного ключа, пиковый детектор, связанный с коммутирующим выходом второго электронного ключа, и два частотомера, измерительный вход одного из которых подключен к выходу пикового детектора, а измерительный вход другого - к коммутирующему выходу первого электронного ключа, при этом генератор опорной частоты через коммутируемую цепь первого электронного ключа связан с первым пьезокорректором и двумя частотомерами.

В известном устройстве одной из компонент погрешности измерения является погрешность, связанная с нелинейностью зависимости удлинения второго пьезопреобразователя от времени, которая оценивается величиной 1˙10^-2. При Ω > 1 кГц эта компонента погрешности составляет основную часть полной погрешности измерений.

Таким образом, недостатком известного устройства является малая точность измерений по сравнению с потенциально достижимой.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Это достигается тем, что устройство, включающее в себя опорный лазер, состоящий из активного элемента, ячейки поглощения и двух зеркал с пьезокорректорами, оптически связанный с лазером через светоделитель фотоприемник, подключенный через селективный усилитель к сигнальному входу синхронного детектора, лазер-датчик, состоящий из активного элемента и двух зеркал, одно из которых закреплено на объекте измерения, второй фотоприемник, оптически связанный через светоделитель с опорным лазером и лазером-датчиком, усилитель постоянного тока, вход которого подключен к второму фотоприемнику, а выход через пиковый детектор - к электронному ключу, генератор пилообразного напряжения, один выход которого подключен к одному из пьезокорректоров, а другой выход - к выходу запуска частотомера, и генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом опорного напряжения синхронного детектора, а другой выход через электронный ключ - с вторым пьезокорректором, снабжено сумматором, а электронный ключ выполнен двухканальным, причем управляющий вход ключа соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, вход одного из коммутируемых каналов подключен к выходу пикового детектора, а выход - к одному из входов сумматора, вход второго коммутируемого канала ключа соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход - с вторым пьезокорректором, при этом второй вход сумматора подключен к выходу синхронного детектора, а выход сумматора соединен с сигнальным входом частотомера.

Предлагаемое техническое решение позволяет измерять временной интервал, соответствующий значению девиации частоты лазера-датчика (и, соответственно, амплитуде колебаний объекта), и временной интервал, соответствующий разности частот двух пиков насыщенного поглощения, при одинаковых значениях пилообразного напряжения и длины второго пьезокорректора и тем самым повысить точность измерений.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство содержит опорный лазер 1 с активным элементом 2, ячейкой 3 поглощения, зеркалами 4, 5, закрепленными на пьезокорректорах 6 и 7, оптически связанных через светоделительное зеркало 8 и зеркало 9 сложения с фотоприемниками 10 и 11. Лазер-датчик 12, одно из зеркал 13 которого прикреплено к перемещающемуся объекту 14, также оптически связан с вторым фотоприемником 11 при помощи зеркала 9. Фотоприемник 10 через селективный усилитель 15 связан с одним из входов синхронного детектора 16, выход которого подключен к одному из входов сумматора 17.

Генератор опорного напряжения 18 соединен с вторым входом синхронного детектора 16 и через первую коммутируемую цепь электронного ключа 19 - с пьезокорректором 6. Генератор пилообразного напряжения 20 подключен к пьезокорректору 7, а также к входу запуска частотомера 21 и к управляемому входу электронного ключа 19. Выход второго фотоприемника 11 через усилитель постоянного тока 22 и пиковый детектор 23 связан с вторым коммутирующим входом электронного ключа 19, второй коммутирующий выход которого подключен к измерительному входу частотомера 21.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Частота лазера-датчика 2 контролируется по периодическому закону с частотой повторения Ω , а частота опорного лазера 1 модулируется по пилообразному закону сигналом, вырабатываемым генератором 20 пилообразного напряжения. Через два периода модуляции происходит срабатывание электронного ключа 19 от сигнала обратного хода пилообразного напряжения. В результате на выходе сумматора 17 в один из периодов линейного сканирования появляется импульс, ширина которого соответствует длительности пакета импульсов нулевых биений, пропорциональная амплитуде перемещения объекта. При этом сигналов пиков насыщенного поглощения нет, поскольку с помощью электронного ключа 19 отключена подача гармонического сигнала модуляции частоты опорного лазера с генератора 18 опорного напряжения на первый пьезокорректор 6.

В следующий период линейного сканирования, когда электронный ключ 19 приходит в исходное положение, сигнал гармонической модуляции на пьезокорректор 6 подается. При этом на выходе сумматора 17 появляются два импульса, соответствующие центрам двух соседних пиков насыщенного поглощения, а сигнал меток нулевых биений через электронный ключ 19 не проходит. Таким образом за каждые два периода сканирования частотомером 21 производится последовательно измерение длительности Т пакета импульсов нулевых биений и интервала времени между прохождениями двух соседних пиков насыщенного поглощения Т_о.

Амплитуда перемещения объекта связана с измеpенными величинами следующим образом: a =λ /₂(T/T₆)(C/2L)/Δ f, где λ - длина волны излучения, соответствующая пику насыщенного поглощения; С - скорость света; L - длина резонатора лазера-датчика; Δ f - частотный интервал между соседними пиками насыщенного поглощения.

Погрешности измерения величин, входящих в приведенное выражение, δλ/λ ≈ 10^-9, δ L/L≈ 1˙ 10^-3,δ (Δ f)/ Δf≈1 ˙ ˙10^-4, погрешность измерения временных интервалов частотомером ≈ 10^-6. Кроме этих погрешностей, сюда входит погрешность, обусловленная дискретностью появления сигналов нулевых биений, оцениваемая на нижней границе частотного диапазона при Ω= 50 Гц величиной 1˙ 10^-2, а при Ω = 5 кГц величиной 1˙ 10^-4. Таким образом полная погрешность измерения при Ω = 50 Гц оценивается величиной 1˙ 10^-2, а при Ω = 5 кГц величиной 1 ˙10^-3. Измерение величин Т и Т_о производится в среднем при одних и тех же значениях напряжения на пьезокорректоре 7 и соответственно при одних и тех же значениях длины пьезокорректора 7. Этим исключается составляющая погрешности измерения, которая обусловлена нелинейностью зависимости пилообразного напряжения (и длины пьезокорректора 7) от времени, составляющая величину 1˙ 10^-2. Повышение точности измерений составляет на нижней границе частот вибрации 10 раз.

Для реализации заявляемого технического решения может быть использована следующая элементная база: опорный лазер - типа "Стандарт-У", фотоприемник типа ФЛ-21К, частотомеры типа ЧЗ-38 или ЧЗ-50, пьезокорректоры типа ЦТС-19, генератор пилообразного напряжения, синхронный детектор и селективный усилитель можно использовать из системы АПЧ лазера типа "Стандарт-У".

Таким образом заявляемое техническое решение позволяет измерить временной интервал, соответствующий значению девиации частоты лазера-датчика (и, соответственно, амплитуде колебаний объекта) и временной интервал, соответствующий разности двух пиков насыщенного поглощения, при одинаковых значениях пилообразного напряжения и длины второго пьезокорректора и тем самым повысить точность измерений на нижней границе частотного диапазона в 2 раза, а на верхней границе - в 10 раз.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУД МАЛЫХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее опорный лазер, состоящий из активного элемента, ячейки поглощения и двух зеркал с пьезокорректорами, первый светоделитель, первый фотоприемник, оптически связанный с лазером через светоделитель, селективного усилителя и синхронного детектора, фотоприемник подключен через селективный усилитель к сигнальному входу синхронного детектора, лазер-датчик, состоящий из активного элемента и двух зеркал, одно из которых предназначено для закрепления на объекте измерения, второй светоделитель, второй фотоприемник, оптически связанный через второй светоделитель с опорным лазером и лазером-датчиком, пиковый детектор и электронный ключ, усилитель постоянного тока, вход которого подключен к второму фотоприемнику, а выход через пиковый детектор - к электронному ключу, частотомер, генератор пилообразного напряжения, один выход которого подключен к одному из пьезокорректоров, а другой выход - к входу запуска частотомера, и генератор опорного напряжения, один из выходов которого соединен с входом опорного напряжения синхронного детектора, а другой выход через электронный ключ - с вторым пьезокорректором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено сумматором, а электронный ключ выполнен двухканальным, управляющий вход ключа соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, вход одного из коммутируемых каналов подключен к выходу пикового детектора, а выход - к одному из входов сумматора, вход второго коммутируемого канала ключа соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход - с вторым пьезокорректором, второй вход сумматора подключен к выходу синхроного детектора, а выход сумматора соединен с сигнальным входом частотомера.

РИСУНКИ

Рисунок 1