Лазерний допплерівський вимірювач вібрації

Реферат: Винахід належить до контрольно-вимірювальної техніки і може бути використаний для дистанційних безконтактних вимірювань параметрів вібрацій, особливо у віддалених важкодоступних місцях при значному рівні зовнішніх завад. Лазерний допплерівський вимірювач вібрації містить джерело когерентного випромінювання, оптично зв'язане з інтерферометром, в одному з плечей якого розташований частотнозсувний елемент, причому одне з плечей інтерферометра оптично зв'язане з фотодетекотром, а інше - узгоджено з одномодовим світловодом, який з'єднує оптичну частину віброметра з об'єктом. На кінці світловода розташований світлоподільний елемент, у якого амплітудні коефіцієнти відбиття r з боку світловоду та коефіцієнт пропускання  пов'язані між собою співвідношенням 0,66  s r2   2    2 і r  r2   2   , а відстань від кінця світловоду до поверхні об'єкта дорівнює r  4n2 ( 2 m  1  0 ,1 ) , де r2 - амплітудний коефіцієнт відбиття поверхні об'єкта,  - ефективність захоплення світловодом випромінювання відбитого поверхнею об'єкта,  - довжина хвилі випромінювання, m - ціле число, n 2 - показник заломлення середовища між світловодом та поверхнею об'єкта. Світловод зворотним рухом випромінювання від об'єкта та від віддаленого торця також пов'язаний з фотодетектором, який підключений до допплерівського процесора. Пристрій підвищує чутливість до вібрацій з малими амплітудами в присутності зовнішніх механічних, акустичних, або інших завад, що впливають на показник заломлення світловоду. UA 99058 C2 ОПИС ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД (12) UA 99058 C2 UA 99058 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід стосується контрольно-вимірювальної техніки, і може бути використаний для дистанційних безконтактних вимірювань параметрів вібрацій, а саме миттєвої швидкості, переміщення об'єктів та конструкції. Існує відомий лазерний доплерівський вимірювач вібрації [1], що містить джерело когерентного випромінювання, оптично зв'язане з інтерферометром, в одному з плечей якого встановлений частотнозсувний елемент, причому одне з плечей інтерферометра оптично зв'язане з фотодетекотром, а інше - з поверхнею досліджуваного об'єкта, який, в свою чергу, зв'язаний зворотним рухом випромінювання з фотодетекотром, і який підключений до доплерівського процесора. Існує інший відомий лазерний доплерівський вимірювач вібрації, який відтворює спосіб вимірювання миттєвої віброшвидкості [2]. Цей вимірювач вібрації містить джерело когерентного випромінювання, на виході якого розташований інтерферометр, в одному з плечей якого встановлений частотнозсувний елемент, і це плече оптично зв'язане з фотодетекотром, а в іншому плечі розташований другий інтерферометр, одне з пліч якого оптично зв'язане з досліджуваним об'єктом. Ці вимірювачі призначені для роботи на обмеженій відстані від вимірювача до досліджуваного об'єкта. Крім цього, не передбачене вимірювання об'єктів та елементів, які знаходяться поза зоною прямої видимості в важкодоступних місцях. Це є недоліком зазначених вимірювачів. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого пристрою є лазерний доплерівський вимірювач вібрації [3], який містить джерело когерентного випромінювання, оптично зв'язане з інтерферометром, в одному з плечей якого розташований частотнозсувний елемент, причому одне з плечей інтерферометра оптично зв'язане з фотодетектором, а інше узгоджене з одномодовим світловодом, який зворотним рухом випромінювання також пов'язаний з фотодетектором, і який підключений до доплерівського процесора. Недолік прототипу - обмеження по чутливості до коливань з малою амплітудою, особливо при значних довжинах світловодного тракту, що пов'язано з впливом на світловод зовнішніх факторів, таких як температурні флуктуації, тиск, вібрації, таке інше. Задачею винаходу є підвищення чутливості до вимірювання вібрацій з малими амплітудами на значних відстанях, а також поліпшення завадозахищенності при значних перешкоджаючих факторах зовнішнього середовища на світловодний тракт. Поставлена задача вирішується тим, що в лазерному доплерівському вимірювачі вібрації [3], який містить джерело когерентного випромінювання, оптично зв'язане з інтерферометром, в одному з плечей якого розташований частотнозсувний елемент, причому одне з плечей інтерферометра оптично зв'язане з фотодетектором, а інше - узгоджене з одномодовим світловодом, який зворотним рухом випромінювання також пов'язаний з фотодетектором і який підключений до доплерівського процесора, додатково на кінці світловоду розташований світлоподільний елемент, у якого амплітудні коефіцієнти відбиття r з боку світловоду та 2 коефіцієнт пропускання  пов'язані між собою співвідношенням 0,66  r2      2 і r  r2   2   , а 40 45 50 55 відстань від кінця світловоду до поверхні об'єкта дорівнює r  s (2m  1  0,1) , де r2 4n 2 амплітудний коефіцієнт відбиття поверхні об'єкта,  - ефективність захоплення світловодом випромінювання відбитого поверхнею об'єкта,  - довжина хвилі випромінювання, m - ціле число, n2 - показник заломлення середовища між світловодом та поверхнею об'єкта. Завдяки світловоду і в прототипі і в заявленому вимірювачі випромінювання передається на значні відстані в важкодоступні місця. В результаті впливу зовнішніх факторів на світловодний тракт, по якому розповсюджується зондувальна хвиля, виникають фазові шуми сигналу, які знижують відношення сигнал/шум і погіршують чутливість приладу. Однією з важливих відмінностей прототипу від заявленого пристрою є засоби та елементи, які формують додаткову (третю) когерентну хвилю, яка після фотозмішування на фотодетекторі бере участь у формуванні сигналу віброметра. Завдяки спеціально підібраним фазовим та амплітудним співвідношенням лазерних хвиль, що інтерферують, відбувається значне підвищення рівня сигналу лазерного віброметра. Цей ефект застосовано у відомому лазерному віброметрі [2]. Але в конфігурації, коли зовнішні фактори впливають тільки на зондувальну хвилю в світловодному тракті, при цьому фазові шуми підсилюються разом з амплітудою сигналу і відношення сигнал/шум не покращується. У запропонованому приладі забезпечено розповсюдження додаткової (третьої) хвилі разом з зондувальною по світловоду, і саме це, як буде показано нижче, дозволяє компенсувати вплив 1 UA 99058 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 зовнішнього середовища на світловодний тракт. Коректні розрахунки, наведені далі по тексту, показують, що, навіть при одночасному розповсюдженні зондувальної та третьої додаткової хвиль по світловоду, повної компенсації завад не відбувається - їх рівень залишається майже таким, який є у прототипі. Але за рахунок значного підсилення досліджуваного сигналу відбувається пропорційне покращення співвідношення сигнал/завада, що в кінцевому рахунку призводить до зростання чутливості пристрою. Застосування відбиття частини випромінювання від віддаленого кінця світловоду - також відоме технічне рішення, наприклад [4], але його використовують в пристроях, які мають лише дві хвилі, що інтерферують. Саме продукування третьої додаткової хвилі в купі з фазовими та амплітудними умовами її формування на віддаленому кінці світловода створює умови для підвищення амплітуди сигналу відносно рівня завад, які виникають внаслідок впливу зовнішніх факторів на світловодний тракт. Таким чином, у заявленому лазерному доплерівському вимірювачі вібрації сукупність суттєвих ознак, включно з відмітними ознаками, має надсумарний ефект, який призводить до неочікуваного результату, а саме до підвищення чутливості вимірювання вібрацій з малими амплітудами, а також до підвищення завадозахищенності тракту передачі зондувального випромінювання. На фігурі 1 зображена блок-схема заявленого пристрою. На фігурі 2 зображені залежності чутливості (), як функція параметра  = E2/ Е3 На фігурі 3 зображені епюри вихідного сигналу для різних значень величини  та розстройки . На фігурі 4 зображені результати математичного моделювання вихідного сигналу прототипу та пристрою, що заявляється. На фігурі 5 зображені результати математичного моделювання спектрів вихідного сигналу прототипу та запропонованого пристрою. Лазерний доплерівський вимірювач вібрації (фіг. 1) складається з таких елементів. Лазерне джерело 1, що оптично зв'язане з інтерферометром Маха-Цандера 2, який складений з світлоподільних елементів 3, 6 і відбивних дзеркал 4, 5. У одному з плечей інтерферометра, наприклад тому, яке утворене елементами 4 та 5, розміщений частотнозсувний елемент 7. Прямим шляхом променя I1 відбивне дзеркало 5 зв'язане з фотодетектором 7. Суті винаходу також відповідає і будь-яка інша схема інтерферометра, а також розділення, та зведення пучків на фотодетекторі 7, яка відома з інформаційних джерел, або може бути складена на підставі відомих правил. З світлоподільним елементом 6 оптично узгоджений за допомогою мікрооб'єктива 8 одномодовий світловод 10, який також пов'язаний з фотодетектором 7 за допомогою випромінювання, що розповсюджується в цьому світловоді в зворотному напрямку від його віддаленого кінця. Скіс 9 на вхідному торці світловоду 10 - це один з засобів позбутися небажаного віддзеркалення. Інший можливий засіб - спеціальне противідбивне покриття на цьому торці. Слід зазначити, що противідбивне покриття також є бажаним на поверхнях мікрооб'єктива 8 і на всіх інших оптичних елементах та поверхнях, що розташовані в русі випромінювання на напрямку від світлоподільного елемента 6 до світловоду 10. На віддаленому кінці світловода 10 знаходиться світлоподільний елемент 11 та, можливо, об'єктив 12, який оптично узгоджує вихідний торець світловоду 10 з поверхнею досліджуваного об'єкта 13. Амплітудні коефіцієнти відбиття r з боку світловоду та коефіцієнт пропускання  елемента 11 пов'язані співвідношенням: 0,66  50 55 r2   2    2 і r  r2   2   , r (1) де r2 - амплітудний коефіцієнт відбиття поверхні об'єкта,  - ефективність захоплення світловодом випромінювання, що відбите поверхнею об'єкта. Найпростішу конструкцію світлоподільного елемента 11 - частково відбиваюче покриття на поверхні торця світловоду 10 доцільно використовувати у випадку, коли параметри r 2 і  наперед відомі та залишаються незмінними, або майже незмінними, під час вимірювання. Якщо це не так, то світлоподільний елемент 11 має бути керованим для того, щоб задовольнити співвідношення (1). Цим вимогам, наприклад, відповідає конструкція, що складається з послідовно розташованих відбивного покриття та поглинаючої комірки рідкого кристалу, якою керують зовні електричним сигналом. Також можлива, наприклад, конструкція керованого елемента [5] на торці світловода. Взагалі, всі інші відомі з опублікованих джерел елементи та їх комбінації, що дозволяють змінювати співвідношення відбитого та пропущеного випромінювання, також відповідають суті винаходу. 2 UA 99058 C2 Мікрометричний рухомий столик 14 має жорсткий зв'язок з вихідним кінцем світловоду 10 і призначений для налаштування оптичної відстані s від кінця світловоду 10 до поверхні об'єкта 13, яка встановлюється рівною s   (2m  1  0,1) , де  - довжина хвилі випромінювання, m 4n 2 5 10 15 20 ціле число, n2 - показник заломлення середовища між світловодом 10 та поверхнею об'єкта 13. Ясно, що столик 14 може бути сполучений з об'єктом 13 замість світловода 10, або, за необхідності, можуть бути використані два столика, або замість столика може бути використаний п'єзоелектричний елемент. Взагалі, суті винаходу відповідає і будь-яка інша схема зміни оптичної відстані s, відома з науково-технічної літератури, наприклад, за допомогою зміни оптичної щільності додаткового елемента, розташованого між світлоподільним елементом 11 та поверхнею 13. До виходу фотодетектора 7 підключений доплерівський процесор. Конкретна схема доплерівського процесора не має особливого значення. Це може бути аналогова схема з частотним дискримінатором, цифрова схема з квадратурним частотним детектором [6], або схема іншого типу [7], що виділяє миттєву частоту прийнятого сигналу. В спрощеному вигляді доплерівський процесор складається з таких послідовно зв'язаних електронних вузлів: фільтр високих частот 15, підсилювач-обмежувач 16, частотний дискримінатор 17 та вихідний підсилювач 18. Частотний дискримінатор 17 може бути складений за будь-якою відомою схемою, наприклад [6], те ж стосується інших вузлів процесора. Частотний дискримінатор 17, фільтри та підсилювачі також можуть бути створені програмними засобами в комп'ютері. Всі ці рішення, а також інші відомі з опублікованих джерел, також відповідають суті винаходу. Особливістю конструкції доплерівського процесора заявленого лазерного доплерівського вимірювача є коефіцієнт передачі к вихідного підсилювача 18, який значно відрізняється від такого ж в схемі класичного доплерівського віброметра, конкретно він складає: ( t )  25 30 35 40   u Dop    1  , (2) , де uDop - сигнал на виході дискримінатора 17, пропорційний миттєвій частоті,  = Е2 / Е3 2 відношення амплітуд зондувальної та відбитої хвиль від віддаленого торця світловода 10, які фотозмішуються на детекторі 7. Робота лазерного доплерівського вимірювача реалізується наступним чином. Світло від лазерного джерела 1 спрямовують на інтерферометр 2 у складі елементів 3-7. Пучок I1 в одному із плечей інтерферометра проходить крізь акустооптичний модулятор 7, в якому до оптичної частоти додається частота гетеродина f0, і, пройшовши світлоподільний елемент 6, потрапляє на фотодетектор 7. Об'єктив 8 фокусує випромінювання з виходу інтерферометра 2 на торець 9 світловода 10. Скіс торця 9 виводить відбите випромінювання вбік. Випромінювання (з інтенсивністю I0 розповсюджується до віддаленого кінця світловода, де світлоподільний 2 елемент 11 знову розділяє його на дві частини. Одна з них I 3=r I0 відбивається світлоподільним елементом 11 в зворотному напрямку. Інша частка виходить назовні та з допомогою лінзи 12 фокусується на поверхні досліджуваного об'єкта 13. При коливанні поверхні об'єкта (13) фаза відбитого (розсіяного) в зворотному напрямку випромінювання має додатковій зсув: Ф 2 (t )  2kx max  cos   cos( t )   , (3) де k  2 /  - хвильовий вектор лазерного випромінювання, хmах - амплітуда вібропереміщення,  - кут між напрямом пучка І2 та вектором переміщення об'єкта (далі будемо для спрощення вважати, що cos() = 1),   2 2 n 2 s - сталий фазовий зсув, S - відстань від  45 кінця світловоду до поверхні об'єкта,  - довжина хвилі випромінювання, n2 – показник заломлення середовища між світловодом та поверхнею об'єкта. Відбите від об'єкта 13 випромінювання знову потрапляє у світловод 10 і хвиля І2 розповсюджується далі вздовж світловода разом з хвилею І3. Оскільки світловод 10 одномодовий, то зовнішні чинники впливають на фазу обох хвиль синхронно. Тоді фази хвиль І2 та І3 на виході світловода 10 з боку кінця 9 можна записати як: Ф 2 (t )  2kx max  cos   cos( t )    (t ), Ф 3 (t )   (t ) , (4) 50 де (t) - інтегральний вплив зовнішнього середовища на фазу випромінювання, що розповсюджується вздовж світловода 10. Пучки І2 та І3 випромінюються з торця 9 і направляються об'єктивом 8 та світлоподільним елементом 6 на фотодетектор 7, де змішуються з полем опорного пучка І1. Струм детектора 7, що є результатом фотодетектування полів трьох пучків, має аналітичний вигляд: 3 UA 99058 C2 2 2 I( t )  E1  E 2  E 3  2E 3E 2 cos( Ф 2 ( t )  Ф 3 ( t ))  2E 2E1 cos( 2f0 t  Ф 2 ( t ))  2  2E1E 3 cos( 2f 0 t  Ф3 ( t )) (5) де E1, E 2   2 r  I0 та E 3  r2  I0 - відповідно амплітуди поля першого, другого та третього пучків на фотодетекторі, f0 - частота гетеродину. Фільтр високої частоти 15 виділяє сигнал на частоті гетеродина за формулою: u(t )  U(t )  cos( 2f0t  (t )) , (6) 5 де U(t) та (t) - відповідно, амплітуда та фаза, що змінюються повільно. Щодо фази (t), то вона має загальний вигляд:  E sin(Ф2 )  E3 sin(3 )    arctan 2   E3 cos( 3 )  E2 cos( Ф2 )  . (7) Розташований за фільтром ВЧ 15 підсилювач-обмежувач 16 призначений для уникнення амплітудної модуляції. При гармонічному коливанні поверхні 13, коли фаза Ф2(t) має вигляд (4), сигнал на виході дискримінатора 17 дорівнює: 10 (2  1)  kx max   sin(t ) d( )   uDop ( t )   kx max   sin(t )   (8) dt  2 cos( 2kx max cos( t )  )  2  1   . За умови    - для малих амплітуд вібропереміщень x max   / 2 , формула (8) спрощується: uDop ( t )  2kx max   sin(t )   d( )  , або:  1 dt d( ) , (9) dt sin(t ) - миттєва швидкість, a  max    x max - її амплітуда. uDop ( t )  2k  ( t )    де (t )   max Через   15 20 1   позначено коефіцієнт, який можна інтерпретувати як приріст чутливості,   1 оскільки при всіх рівних умовах сигнал на виході частотного дискримінатора заявленого віброметра в  раз перевищує такий же сигнал прототипу, який дорівнює uDop (t )  2k  (t ). Таким чином, для прототипу  дорівнює одиниці. При наближенні  до одиниці чутливість разом з  зростає (дивись фіг. 2). Зокрема, при  = 3 маємо =1,5, тобто чутливість підвищується в півтора рази порівняно з прототипом. При наближенні  до одиниці зліва  також зростає, але фаза вихідного сигналу змінюється на . Зокрема, при =0,5 отримуємо =1,0, тобто чутливість заявленого вимірювача вібрації дорівнює чутливості прототипу. Точка =1 є особливою і тому використовування спрощеної формули (9) в цій точці призводить до хибного результату. Асимптотика 1 за формулою (8) дає =0,5. Як можна бачити з (8) і з (9), зміна  не впливає на член 25 30 35 d( ) , який описує вплив завади. dt Таким чином, в діапазоні  = [0.5, ], за виключенням точки =1, спостерігається підвищення відношення сигнал/шум. А в діапазоні  = [0.66, 2] відношення сигнал/шум підвищується вдвічі (при умові, що =). На Фіг. 3 наведені епюри сигналу на виході частотного дискримінатора 17 для чотирьох значень співвідношення :  = (0,66; 1,0; 1,5; 100) при однакових умовах симуляції, а саме: хmах=1 нм, =2 кГц, k=10 1/mkm при умові, що завада відсутня. Сигнал прототипу, позначений на Фіг. 3 як "E2=0" (суцільна тонка бліда лінія), практично співпадає з сигналом запропонованого віброметра з параметром =100. Діаграми на фіг. 3 наочно демонструють, що у діапазоні  = [0,66, 2] спостерігається підвищення рівня досліджуваного сигналу. Для отримання дійсного значення миттєвої швидкості вібрації (t) підсилювач 19 масштабує сигнал uDop з виходу частотного дискримінатора 17 у відповідності до заданої величини  за формулою (2). Важливе зауваження стосується того, що при  < 1 вихідний сигнал змінює знак (Фіг. 2 та Фіг. 3). Це слід враховувати шляхом зміни знака коефіцієнта підсилення  підсилювача 19. Умова = справджується, коли s  (1  2m ) . 4n 2 (10) 4 UA 99058 C2 5 10 15 Додатково слід зазначити, що при наближенні параметра  до одиниці, як зліва так і справа, сигнал на виході віброметра не лише підсилюється, але і деформується за рахунок його збагачення вищими гармоніками. В діапазонах   0.9,   1.1. Для коливань з малою амплітудою (xmax