Способ исследования движения объекта

 

Способ исследования движения объекта относится к измерительной технике. В способе исследования движения объекта, включающем облучение исследуемого объекта когерентным излучением с длиной волны λ, формирование интерференционных сигналов, преобразование их в электрические сигналы, разделяют когерентное излучение на два луча - первый и второй, увеличивают оптическую длину пути второго луча на (2n-1)λ/4, n = 1,2,3..., формируют интерференционные сигналы от обоих лучей, которые преобразуют в электрические сигналы, дифференцируют электрический сигнал первого или второго луча, находят сигнал, равный отношению продифференцированного электрического сигнала от одного луча к электрическому сигналу от другого луча, снимают спектральную характеристику найденного сигнала, амплитуды спектральных составляющих движения исследуемого объекта определяют по предложенному соотношению. По определенным амплитудам спектральных составляющих движения исследуемого объекта дополнительно получают форму движения объекта с помощью обратного преобразования Фурье, причем могут дополнительно производить операцию инвертирования. При этом можно инвертировать как продифференцированный сигнал до определения найденного сигнала, так и найденный сигнал до снятия спектральных характеристик, либо значения спектральных составляющих найденного сигнала после их снятия или значения амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта после их определения. Изобретение позволяет расширить диапазон измеряемых значений при повышении точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования движений в микроэлектронике и машиностроении.

Известен способ бесконтактного измерения колебаний объекта (А.С.СССР N262295. МКИ: G 01 H 9/00), заключающийся в том, что зондируют исследуемый объект ультразвуковыми колебаниями, принимают отраженный от этого объекта модулированный сигнал, смешивают зондирующий и отраженный сигналы, выделяют из суммарного сигнала две соседние допплеровские гармоники, по отношению мощностей этих гармоник определяют амплитуду колебаний, а по разности их частот - частоту колебаний объекта.

Однако, в способе отсутствует возможность определения любой другой формы движения, кроме синусоидальных колебаний, а также гармоничности колебаний, величины амплитуды второй гармоники и накладываются ограничения на точность измерений амплитуды вибраций в связи с достаточно большой длиной волны.

Известен также способ для определения амплитуды механических колебаний (патент ГДР N276989, МКИ: G 01 H 9/00), заключающийся в том, что линейно поляризованный, монохроматический, когерентный пучок света разлагают на два равных пучка, которые проходят взаимно перпендикулярно. При этом один пучок направляют на механический движущийся с неизвестной амплитудой объект, где он отражается. Второй пучок направляют на неподвижную поверхность, от которой он также отражается. При этом между двумя взаимно перпендикулярными компонентами этих пучков обеспечивают сдвиг фазы на 90^o. Оба пучка накладывают один на другой и затем обрабатывают.

Однако, с помощью указанного способа невозможно контролировать параметры негармонических вибраций, а также других форм движения.

Известен также способ определения амплитуды вибраций объекта (Wei Jin, Li Ming Zang, Deepak Uttamchandam, Brian Culshaw, Appl.Opt.,v.30,N31,p. 4496-4499,1991), заключающийся в том, что лазерное излучение направляют в зону колебаний объекта и на опорное зеркало через делитель, из отраженных от них лучей формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и снимают его спектр. В способе предложено находить амплитуды четырех гармоник с частотами, кратными основной частоте колебания исследуемого объекта, с коэффициентом n = 1,2,3,4. Рассчитывают амплитуду колебаний объекта по формуле: где σ = 4πζ/λ, ζ - амплитуда вибрации исследуемого объекта; λ - длина волны излучения лазера.

Коэффициенты c₁, c₂, c₃, c₄ рассчитывают, исходя из синтеза разложений сигнала на выходе измерительной системы в ряды Фурье и Бесселя. Коэффициенты c_n могут иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Однако, область применения указанного способа ограничена гармоническими колебаниями.

Известен способ измерения амплитуды гармонических колебаний (H.A.Defferari, R. A. Darby, F. A.Andrews, J.Acoust. Soc. Am., v.42, N5,p.982-990, 1967), заключающийся в том, что из излучения, отраженного от объектов с заданной и искомой амплитудами вибраций, формируют интерференционные картины, преобразуют их в электрические сигналы, снимают характеристики полученных сигналов, сравнивая которые, судят об амплитуде колебаний исследуемого объекта.

Однако, данный способ характеризуется ограниченным диапазоном измеряемых значений (до λ/2, λ - длина волны излучения лазера) и предназначен для определения амплитуды только гармонических колебаний.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ исследования гармонических колебаний (патент России N2060475, МКИ: G 01 H 9/00), заключающийся в том, что формируют интерференционный сигнал от исследуемого объекта и преобразуют его в электрический сигнал, снимают характеристики сигнала и судят по ним об амплитуде колебаний исследуемого объекта.

Однако, область применения данного способа ограничена гармоническими колебаниями.

Задача настоящего изобретения - расширение диапазона измеряемых значений при повышении точности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в способе исследования движения объекта, включающем облучение исследуемого объекта когерентным излучением с длиной волны λ, формирование интерференционных сигналов, преобразование их в электрический сигналы, снятие спектральных характеристик сигналов, по которым определяют параметры движения, разделяют когерентное излучение на два луча, первый и второй, увеличивают оптическую длину пути второго луча на (2n-1)λ/4, n = 1,2,3,.., формируют интерференционные сигналы от обоих лучей, преобразуют их в электрические сигналы, дифференцируют электрический сигнал первого или второго луча, находят сигнал, равный отношению продифференцированного электрического сигнала одного луча к электрическому сигналу от другого луча, снимают спектральную характеристику найденного сигнала, амплитуды спектральных составляющих движения исследуемого объекта определяют из соотношения где cʹ(ν) - амплитуды спектральных составляющих найденного сигнала на частотах ν. Кроме того, способ позволяет определить не только амплитуды спектральных составляющих движения исследуемого объекта, но и получить форму (траекторию) движения объекта. Для этого дополнительно проводят обратное преобразование Фурье для полученных значений амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта. Кроме того, в случае дифференцирования электрического сигнала первого луча и n - четного или в случае дифференцирования электрического сигнала второго луча и n - нечетного необходимо предварительно осуществить операцию инвертирования.

Инвертирование проводят на разных стадиях способа, и в качестве объекта инвертирования выбирают: продифференцированный электрический сигнал после его снятия или найденный сигнал до снятия его спектральной характеристики или спектральную характеристику найденного сигнала после ее снятия или значения амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта после их определения.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в том, что измеряют два электрических сигнала, одновременно снимаемых с выхода измерительной системы (с фотоприемников), которые соответствуют двум интерференционным сигналам от исследуемого объекта, в один из которых введена определенная фазовая задержка; создают новый сигнал из отношения одного продифференцированного сигнала к величине другого, особым образом по спектру нового сигнала определяют спектр исходной функции, характеризующей движение объекта, и получают ее. Таким образом, предложенный способ позволяет получить полезную информацию для более широкого класса движений объекта, не прибегая к значительному усложнению экспериментальной части способа. Подобная совокупность действий, удачно сочетающая в себе экспериментальную и расчетную части, влекущая возможность контролировать параметры движения объекта, не известна.

Изобретение поясняется с помощью чертежей фиг. 1 - фиг. 8, а также таблицы 1. На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ, где 1 - лазер, 2 - зеркало, 3 - полупрозрачное зеркало, делящее излучение на опорную и предметную волны,
4 - устройство задержки части предметной волны (специальная стеклянная пластинка),
5 - исследуемый объект,
6 - пьезокерамическая пластинка,
7 - звуковой генератор,
8 и 9 - фотоприемники,
10 и 11 - усилители,
12 - ЭВМ,
13 и 14 - аналого-цифровые преобразователи,
15 - дифференциатор,
16 - делитель сигналов,
17 - спектроанализатор,
18 - делитель сигналов.

На фиг. 2 представлен интерференционный сигнал, преобразованный в электрическую форму, от луча, распространяющегося без задержки, первого луча; а на фиг. 3 - интерференционный сигнал, преобразованный в электрическую форму, от луча, распространяющегося с задержкой, второго луча; на фиг. 4 показана производная электрического сигнала первого луча; на фиг. 5 приведена форма нового сигнала, построенного по отношению производной электрического сигнала первого луча к значению электрического сигнала второго луча; на фиг. 6 представлен спектр нового сигнала, а на фиг. 7 - спектр неизвестной функции движения объекта; на фиг. 8 показана восстановленная функция движения объекта, в таблице 1 приведены значения определенных амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта.

Заявляемый способ заключается в следующем: когерентное излучение от лазера 1 с длиной волны λ направляют на полупрозрачное зеркало 3 и делят на опорную и предметную волны для формирования интерференционных сигналов; опорную волну, отраженную от зеркала 2, направляют к фотоприемникам 8 и 9; предметную волну направляют на исследуемый объект 5, часть предметной волны перекрывают специальной стеклянной пластинкой 4, обеспечивающей увеличение оптического пути луча на (2n-1)λ/4, n = 1, 2, 3,.., при прохождении части предметного луча к исследуемому объекту 5 и обратно на полупрозрачное зеркало 3, которое отражает этот луч (II луч) к фотоприемнику 9. Другую половину предметной волны без задержки направляют на объект 5 и после отражения от объекта эту волну направляют полупрозрачным зеркалом 3 на фотоприемник 8 (I луч). Эти предметные лучи вместе с опорным лучом создают интерференционные картины, которые регистрируют фотоприемниками 8 и 9. С выхода фотоприемников снимают два напряжения
(1)
(2)
где Θ - стационарный набег фазы в интерференционной системе,
t - время, f(t) - функция, описывающая продольное движение объекта.

Эти напряжения затем усиливают усилителями 10 и 11 и преобразуют в цифровую форму аналого-цифровыми преобразователями 13 и 14 для последующей обработки на ЭВМ 12.

Дифференцируют первый сигнал дифференциатором 15 и определяют сигнал на его выходе, который можно представить в виде
(3)
в случае записи неизвестной функции движения объекта f(t) в виде интеграла Фурье
(4)
Находят сигнал на выходе делителя сигналов 16 S(t)
(5)
где (6)
Находят спектр сигнала S(t) с делителя 16 и определяют его спектр с помощью спектроанализатора 17, реализованного на основе быстрого преобразования Фурье в ЭВМ. Определяют спектр функции движения объекта с помощью делителя сигналов 18, реализующего формулу (7).

(7)
Вариант дифференцирования сигнала второго луча аналогичен рассмотренному выше.

Таким образом, определяют значения амплитуд спектральных составляющих движения объекта. По этим амплитудам судят о характере движения объекта.

Способ позволяет кроме амплитуд спектральных составляющих движения объекта точно определить форму (траекторию) движения объекта. Для этого дополнительно проводят обратное преобразование Фурье для полученных значений амплитуд спектральных составляющих. Кроме того, в случае дифференцирования первого сигнала и n - четного или в случае дифференцирования второго сигнала и n - нечетного необходимо инвертирование. Причем его можно осуществить на разных стадиях способа, а именно: после снятия продифференцированного сигнала с дифференциатора 15 его инвертируют или инвертируют найденный сигнал после получения его с делителя 16. Можно также инвертировать значения спектральных характеристик найденного сигнала, снятых со спектроанализатора 17, или инвертировать амплитуду спектральных составляющих движения объекта после делителя 18.

Инвертирование в необходимых случаях позволяет получить точную форму (траекторию) движения объекта с учетом направления движения (приближение или удаление).

Пример. В качестве исследуемого объекта было использовано зеркало, специальным образом закрепленное на пьезокерамической пластинке 6, движение пластинки и зеркала возбуждалось звуковым генератором 7 (ГЗ-56/1). В качестве источника излучения использовался He-Ne лазер (ЛГН-113) с длиной волны 6328 A. Интерференционные сигналы регистрировались фотоприемниками 8 и 9 типа ФД-265, а затем усиливались усилителями низкой частоты 10 и 11 У4-28 и направлялись на аналого-цифровой преобразователь с двумя каналами 13 и 14, расположенный в ЭВМ.

Процесс восстановления неизвестной функции движения объекта иллюстрируется фиг. 2 - фиг. 8. Значения восстановленных амплитуд спектральных составляющих ζ неизвестной функции, определенные по формуле (7), приведены в таблице 1. Форма восстановленного сложного движения объекта приведена на фиг. 8.

Формула изобретения

1. Способ исследования движения объекта, заключающийся в облучении исследуемого объекта когерентным излучением с длиной волны λ, формировании интерференционных сигналов, преобразовании их в электрические сигналы и определении параметров движения, отличающийся тем, что когерентное излучение разделяют на два луча - первый и второй, при этом оптическую длину пути второго луча увеличивают на (2n-1)λ/4, где n = 1, 2, 3 ..., интерференционные сигналы формируют от обоих лучей, которые преобразуют в электрические сигналы, дифференцируют электрический сигнал первого или второго луча, находят сигнал, равный отношению продифференцированного электрического сигнала от одного луча к электрическому сигналу от другого луча, снимают спектральную характеристику найденного сигнала, амплитуды спектральных составляющих движения исследуемого объекта определяют из соотношения

где cʹ(ν) - амплитуды спектральных составляющих найденного сигнала на частотах ν,
по полученному спектру судят о характере движения объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по определенным выше амплитудам спектральных составляющих движения исследуемого объекта дополнительно получают форму движения объекта дополнительно получают форму движения объекта с помощью обратного преобразования Фурье, причем в случае дифференцирования электрического сигнала первого луча и n-четного или в случае дифференцирования электрического сигнала второго луча и n-нечетного дополнительно производят операцию инвертирования.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что после снятия продифференцированного сигнала его инвертируют.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что инвертируют найденный сигнал до снятия спектральных характеристик или значения спектральных составляющих найденного сигнала после их снятия.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что после определения амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта инвертируют их значения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9