Спосіб визначення поперечного переміщення віддаленого об’єкта і пристрій для його здійснення

1. Спосіб визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта, в якому перетворюють поперечне переміщення об'єкта в зміну центру тяжіння частотного спектра випромінювання лазера з зовнішньою оптичною системою частотно селективного зворотного зв'язку, для чого здійснюють механічний зв'язок між об'єктом і компонентом зовнішньої оптичної системи, поперечне переміщення якого змінює частоту максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку; вимірюють частотний спектр випромінювання в зоні, захищеній від несприятливого впливу оточуючого середовища; розраховують зміну центру тяжіння частотного спектра Δ νЦТ згідно з виразом    I()d   ( х  0) , ЦТ  ЦТ  I()d UA (21) a201008852 (22) 16.07.2010 (24) 25.06.2011 (46) 25.06.2011, Бюл.№ 12, 2011 р. (72) СОКОЛОВ ВОЛОДИМИР ОЛЕКСАНДРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ПРИКЛАДНИХ ПРОБЛЕМ ФІЗИКИ І БІОФІЗИКИ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) XVIII IMEKO WORLD CONGRESS/Metrology for a Sustainable Development.September, 17 – 22, 2006, Rio de Janeiro, Brazil LASER INTERFEROMETRY FOR STRAIGHTNESS MEASUREMENTS IN A WEAKLY CONTROLLED ENVIRONMENT. Andrea Magalini , David Vetturi Straightness Measurements for Accelerator Structures W. Schwarz. Deutsches ElektronenSynchrotron DESY, 22603 Hamburg, Germany H X Song, X D Wang, L Q Ma, M Z Cai, T Z Cao. Design and Performance Analysis of Laser Displacement Sensor Based on Position Sensitive Detector (PSD). Journal of Physics: Conference Series., v.48, p. 217-222,2006, abstract Kihwan Kwon, Jae-jun Park, Nahmgyoo Cho. A highly sensitive multi-dimensional motion measurement system using a spherical reflector. Measurement Science and Technology.rV.17, p.2421-2429,2006. abstract K. Matsuda, M. Roy, T. Eiju, J. W. O'Byrne, and С J. R. Sheppard. Straightness measurements with a reflection confocal optical system - an experimental study. Applied Optics, v.41, p.3966-3970, 2002. abstract The benefits of laser systems that use remote interferometer optics for linear, angular and straightness measurements. Mark Chapman March 23rd 2001/ Знайдено в інтернеті 22.03.2011 US 4787747, .29.11.1988 US 3790284, 05.02.1974 US 5333053, 26.07.1994 US 6519042, 11.02.2003 US 7021156, 04.04.2006 US 5210593, 11.05.1993 RU 2175753, 10.11.2001 RU 2102705, 20.01.1998 RU 2069839, 27.11.1996 DE 3820117, 03.01.1991 2 (19) 1 3 95041 4 середовища, лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу, та процесор для розрахунку зміни центру тяжіння частотного спектра випромінювання і поперечного переміщення об'єкта. 3. Пристрій для визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта згідно з п. 2, який відрізняється тим, що джерелом лазерного випромінювання є напівпровідниковий лазер в комбінації з колімаційною лінзою, просторово дисперсійний компонент являє собою комбінацію оптичного елемента з кутовою дисперсією і ретрорефлектора, селектор являє собою ретрорефлектор, спектрометричний прилад являє собою дифракційний спектрограф, оснащений лінійним матричним фотоприймачем та аналого-цифровим перетворювачем вихідного сигналу фотоприймача в цифрові дані, і лінія передачі оптичного сигналу від лазера до спектрометричного приладу являє собою оптичне волокно. Винахід належить до контрольновимірювальної техніки. Засоби визначення переміщення об'єктів в напрямку, перпендикулярному до заданої у просторі лінії, застосовуються в геодезії, машинобудуванні, будівництві та інших галузях, де виникає потреба вимірювати з високою точністю незначні переміщення об'єктів, віддалених від точки спостереження на відстань від кількох метрів до кількох сотень метрів. Найбільш широко ці засоби використовуються для автоматичного керування рухом роботів та супортів обробного інструменту, контролю прямолінійності великогабаритних виробів та будівель (труб, валів, тунелів, тощо), дистанційного спостереження за деформацією важкодоступних елементів різноманітних конструкцій і т. п.. Оскільки згадані операції виконуються як правило в виробничих приміщеннях або під відкритим небом, загальною проблемою засобів визначення поперечного переміщення віддалених об'єктів, що використовують лазерне випромінювання, є вплив на результати вимірювань з боку оточуючого середовища. Відомими є способи визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта, в яких поперечне переміщення перетворюють в зміну величини деякого параметра лазерного випромінювання, що використовується як інформативний [1-11]. Для такого перетворення лазерне випромінювання спрямовують на встановлений на об'єкті оптичний компонент, характеристики якого підбирають таким чином, щоб поперечне переміщення призводило до зміни в першу чергу інформативного параметра. Випромінювання, що взаємодіяло з встановленим на об'єкті оптичним компонентом, спрямовують на фотоприймач і отриманий на його виході електричний аналоговий сигнал перетворюють в цифрові дані. Поперечне переміщення об'єкта розраховують, використовуючи калібрувальну залежність зміни інформативного параметра лазерного випромінювання від поперечного переміщення встановленого на об'єкті оптичного елемента, яку з'ясовують заздалегідь шляхом спеціальних досліджень. Пристрої для визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта включають джерело лазерного випромінювання, оптичну систему для перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну інформативного параметра лазерного випромінювання, опто-електронний засіб для обробки оптичного сигналу, що містить інформацію про зміну інформативного параметра, і процесор для розрахунку поперечного переміщення об'єкта. Оптична система має в своєму складі компонент, який встановлено на об'єкті, що контролюється. Оптоелектронний засіб має в своєму складі фотоприймач для перетворення оптичного сигналу в електричний аналоговий сигнал та електронний засіб, призначений для обробки аналогового сигналу та перетворення його в цифрові дані. Найбільш важливою ознакою засобу визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта є параметр лазерного випромінювання, що використовується як інформативний. В існуючих засобах використовують як інформативний параметр фазовий зсув [1-4], інтенсивність (потужність) [5] і положення плями лазерного випромінювання на чутливій поверхні фотоприймача [6-11]. Способи, в яких поперечне переміщення перетворюють в зміну фазового зсуву, здійснюються пристроями інтерферометричного типу. Оптична система, на яку спрямовують лазерний пучок, включає компонент для розщеплення первинного лазерного пучка на два або більше вторинних пучків і компонент для перетворення поперечного переміщення об'єкту в різницю фаз вторинних пучків. Найбільш відомим є пристрій, в якому оптична система складається з призми Воластона і Vподібного дзеркала [1], причому один з цих компонентів встановлено на об'єкті. За умов повного усунення впливу з боку оточуючого середовища похибка визначення поперечного переміщення пристроями інтерференційного типу знаходиться в межах 5-20 нанометрів при віддаленості об'єкта до 50м. Однак, в умовах виробничого приміщення вона зростає більше, ніж на два порядки [4]. Головна причина зростання похибки полягає в тому, що різниця фаз вторинних пучків є надзвичайно чутливою до нерівномірності розподілу температури і щільності повітря в оточуючій атмосфері. Така чутливість є наслідком того, що вторинні пучки розповсюджуються вздовж трас, які не співпадають. Іншим недоліком є необхідність підтримувати безперервність вимірювань. Це ставить підвищені вимоги до надійності обладнання, а також накладає обмеження на швидкість поперечного переміщення об'єкта. Способи, в яких поперечне переміщення об'єкта перетворюють в зміну інтенсивності (потужності) лазерного випромінювання, здійснюються пристроями фотометричного типу [5]. Оптична 5 95041 система цих пристроїв являє собою встановлений на контрольованому об'єкті екран, який частково перекриває лазерний пучок. Точність вимірювань визначається головним чином характеристиками оптоелектронного засобу. Головними джерелами похибок є шуми, нелінійність та дрейф характеристик фотоприймача, а також нелінійність та дрейф характеристик електронного засобу. При відсутності впливу з боку оточуючого середовища похибка -1 оцінюється, як ~10 ·|х|, де х - величина поперечного переміщення об'єкта [5]. Однак, при наявності в оточуючому середовищі джерел інтенсивного оптичного та електромагнітного шуму (від Сонця, приладів освітлення, зварювальної дуги і т. п.), а також при дрейфі температури атмосфери похибка помітно зростає. Причина полягає в неможливості повного усунення впливу цих факторів на функціонування оптоелектронного засобу. Способи, в яких поперечне переміщення об'єкта перетворюють в зміну положення плями лазерного випромінювання на чутливій поверхні фотоприймача, базуються на використанні просторовочутливих фотоприймачів матричного або резистивного типу [6-11]. В найпростіших пристроях, що здійснюють ці способи, фотоприймач розташовано безпосередньо на контрольованому об'єкті, а оптична система відсутня [6,7]. Недоліком таких пристроїв є значне зменшення точності вимірювань при зростанні віддаленості об'єкта, зумовлене дифракційним розширення пучка. Більш досконалі пристрої використовують відбивачі або інші компоненти, поперечне переміщення яких призводить до відхилення або зсуву лазерного пучка [8-11]. Перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну положення плями лазерного випромінювання на чутливій поверхні фотоприймача дозволяє шляхом обробки електричного аналогового сигналу значно зменшити похибку, що зумовлена шумами, нелінійністю та дрейфом характеристик фотоприймача іелектронного засобу. Однак, присутність фотоприймача і електронного засобу в межах досяжності впливу несприятливих факторів оточуючого середовища значною мірою зберігає уразливість результатів вимірювання. Задачею винаходу є зменшення похибки визначення поперечного переміщення об'єкта, зумовленої впливом оточуючого середовища та дифракційним розширенням лазерного пучка. Задача вирішується тим, що поперечне переміщення об'єкта перетворюють в зміну центру тяжіння частотного спектра випромінювання лазера з зовнішньою оптичною системою частотно селективного зворотного зв'язку, для чого здійснюють механічний зв'язок між об'єктом і компонентом зовнішньої оптичної системи, поперечне переміщення якого змінює частоту максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку. Частотний спектр випромінювання вимірюють і використовують для розрахунку зміни центру тяжіння частотного спектра ЦТ згідно з виразом: ЦТ     I()d   ( х  0) , ЦТ  I()d (1) де  означає оптичну частоту, l() означає виміряний частотний спектр випромінювання і 6 ЦТ(x=0) означає центр тяжіння частотного спектра при нульовому переміщенні об'єкта. По зміні центру тяжіння частотного спектра розраховують поперечне переміщення об'єкта, використовуючи калібрувальну залежність центру тяжіння частотного спектра від поперечного переміщення об'єкта. Пристрій для визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта, який включає джерело лазерного випромінювання, зовнішню оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, яка розташована на шляху розповсюдження лазерного випромінювання і має в своєму складі просторово дисперсійний компонент і механічно зв'язаний з об'єктом селектор для перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну частоти максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку, спектрометричний прилад для вимірювання частотного спектра випромінювання, лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу, та процесор для розрахунку зміни центру тяжіння частотного спектра випромінювання і поперечного переміщення об'єкта. Технічним результатом винаходу є можливість істотного збільшення стійкості відносно несприятливого впливу з боку оточуючого середовища. Він досягається за рахунок того, що носієм корисної інформації є частотний спектр випромінювання. Оскільки при розповсюдженні випромінювання в лінійному і недисперсійному середовищі його спектральні характеристики не змінюються, корисна інформація, що міститься в частотному спектрі, може бути передана без втрат і спотворень для подальшої обробки в захищену від несприятливого впливу зону. Такою зоною може стати будь-який замкнений об’єм, всередині якого забезпечена відсутність факторів впливу на функціювання опто-електронного засобу для обробки оптичного сигналу, а саме: оптичного та електромагнітного шуму, статичного електричного та магнітного поля, дрейфу температури. Відсутність інформації про способи і пристрої, в яких поперечне переміщення об'єкта перетворюють в центр тяжіння або інші параметри частотного спектра лазерної генерації, дає підстави вважати, що даний винахід близьких аналогів на сьогоднішній день не має. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де показані: на фіг.1а - схематичне зображення просторово дисперсійного компонента у вигляді комбінації дифракційної ґратки і ретрорефлектора, утвореного двома плоскими дзеркальними поверхнями, кут між якими становить 90°; на фіг.1б - схематичне зображення просторово дисперсійного компонента у вигляді комбінації дисперсійної призми і ретрорефлектора, утвореного двома плоскими дзеркальними поверхнями, кут між якими становить 90°; на фіг.1в - схематичне зображення селектора, утвореного діафрагмою в комбінації з плоским дзеркалом; на фіг.1в - схематичне зображення селектора, утвореного телескопічним розширювачем в комбі 7 нації з ретрорефлектором, утвореним фокусуючою лінзою і плоским дзеркалом; на фіг.2 - схематичне зображення пристрою для визначення поперечного переміщення; на фіг.3 - калібрувальні залежності центру тяжіння частотного спектра випромінювання від поперечного переміщення ретрорефлектора 10 при значеннях коефіцієнта телескопічного розширення 1,0 (хрести) і 2,55 (кола). Найбільш суттєвою ознакою винаходу, яка забезпечує можливість зменшення похибки визначення поперечного переміщення об'єкта, що зумовлена впливом з боку оточуючого середовища, є перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну частоти центру тяжіння частотного спектра лазерної генерації. Чутливість частотного спектра лазерної генерації до поперечного переміщення об'єкта досягається за рахунок того, що випромінювання лазера розповсюджується крізь оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, яка має в своєму складі просторово дисперсійний компонент і селектор. Просторово дисперсійний компонент утворює для кожної моди лазерного випромінювання окрему оптичну вісь, причому осі всіх мод є паралельними і відстань між кожними двома з них є пропорційною до різниці частот відповідних мод. Існує багато варіантів створення просторово дисперсійного компонента. На фіг.1а і фіг.1б показані варіанти, які є найбільш оптимальними для даного пристрою, оскільки мінімізують сумарну кутову дисперсію. Це - комбінації дифракційної ґратки і ретрорефлектора (фіг.1а) та дисперсійної призми і ретрорефлектора (фіг.1б). Селектор вносить втрати, величина яких залежить від просторового положення осі моди, а значить і від її частоти. Залежність втрат і, відповідно, коефіцієнта зворотного зв'язку від частоти має резонансний характер. Якщо переміщення селектора має складову, що лежить в площині дисперсії і спрямована перпендикулярно до осей мод, то частота, на яку припадає максимум резонансу, перестроюється, що приводить до перерозподілу значень коефіцієнта зворотного зв'язку мод. Найпростішим селектором, що також виконує функцію кінцевого відбивача, є ретрорефлектор 6 (див. фіг.2), утворений двома плоскими дзеркальними поверхнями, кут між якими становить 90. На фіг.1в і фіг.1г показані деякі інші варіанти селектора в комбінації з кінцевим відбивачем. Це, відповідно, - діафрагма в комбінації з плоским дзеркалом та телескопічний розширювач в комбінації з ретрорефлектором, утвореним фокусуючою лінзою і плоским дзеркалом (так зване "котяче око"). Приклад пристрою для здійснення заявленого способу визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта, схематично показано на фіг.2. Джерелом лазерного випромінювання є напівпровідниковий лазер 1 в комбінації з колімаційною лінзою 2. Оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку утворюють дифракційна ґратка 3, ретрорефлектор 4, телескопічний розширювач 5 і другий ретрорефлектор 6. В цій системі просторово дисперсійним компонентом є комбінація дифракційної ґратки 3 і ретрорефлектора 4, а вста 95041 8 новленим на об'єкті селектором є телескопічний розширювач 5 або ретрорефлектор 6. Лінією для передачі оптичного сигналу від лазера до спектрометричного приладу є оптичне волокно 7, а спектрометричним приладом є дифракційний спектрограф 8, оснащений лінійним фотоприймачем типу ПЗЗ, і аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) вихідного сигналу фотоприймача. Функцію процесора виконує персональний комп'ютер 9 з програмою обробки спектрометричних даних. Для захисту від оптичного та електромагнітного шуму, статичного електричного та магнітного поля і дрейфу температури оточуючого середовища спектрограф 8 може бути віднесено на достатньо велику відстань від зони дії згаданих факторів або розташовано в спеціальній камері із світлонепроникного матеріалу (на фіг.2 не показана), оснащеній електричним та магнітними екранами, а також засобами стабілізації температури. Поперечне переміщення об'єкта, на якому встановлено телескопічний розширювач 5 або ретрорефлектор 6, приводить до перерозподілу значень коефіцієнта зворотного зв'язку мод і, як наслідок, до перестроювання спектра лазерної генерації. Оптичний сигнал через волоконну лінію 7 надходить на вхід спектрографа 8. Результатом обробки оптичного сигналу є спектр лазерної генерації у вигляді дискретної функції l(i), де i означає оптичну частоту, що припадає на матричний елемент (піксел) з порядковим номером і, а I означає інтенсивність сигналу в довільних одиницях вимірювання. Персональний комп'ютер 9 розраховує спочатку зміну центру тяжіння частотного спектра випромінювання, використовуючи дискретний аналог виразу (1)  i  I(i ) ЦТ  i  ЦТ ( х  0) , I(i ) i а потім - поперечне переміщення об'єкта, використовуючи калібрувальну залежність центру тяжіння частотного спектра від поперечного переміщення селектора 5 або 6. Приклади калібрувальних залежностей центру тяжіння частотного спектра від поперечного переміщення селектора для пристрою, зображеного на фіг.2, наведені на фіг.3. Вони отримані шляхом прямого вимірювання для випадку, коли селектором є ретрорефлектор 6, а коефіцієнт розширення телескопічного розширювача 5 дорівнює 1,0 (хрести) і 2,55 (кола). Інші важливі параметри пристрою становлять: максимальна потужність випромінювання лазера 1-30 мВт, довжина хвилі в максимумі підсилення активного середовища лазера 1-1 655 нм, міжмодова різниця частоти - 1,5 см , кількість продовжніх мод в спектрі генерації при зворотному зв'язку - від 4 до 6, роздільна здатність -1 спектрометра 8-0,12 см , кутова дисперсія дифра-3 кційної ґратки 3-1,1·10 рад/нм, відстань між дифракційною ґраткою 3 і ретрорефлектором 4-20 см, віддаленість встановленого на контрольованому об'єкті ретрорефлектора 6-300 см. Наведені на фіг.3 калібрувальні залежності центру тяжіння від поперечного переміщення селектора мають лінійну ділянку поблизу нульового 9 значення поперечного переміщення. Якщо розраховане значення центру тяжіння ЦТ знаходиться в межах цієї ділянки, величина поперечного переміщення х може бути розрахована по формулі ЦТ  ЦТ ( х  0) х , k де k означає нахил калібрувальної залежності на лінійній ділянці. Для калібрувальних залежнос-1 тей на фіг.3 значення k становлять 38,0 cм /мм -1 (хрести) і 14,9 cм /мм (кола). Джерела інформації 1. R.R. Baldwin. Interferometer system for measuring straightness and roll. United States Patent #3790284. 2. G.E. Sommargren. Straightness of travel interferometer. United States Patent #4787747. 3. Chien-Ming Wu. Interferometer system for displacement and straightness measurement. United States Patent #6519042. 4. A. Magalini, D. Vetturi. Laser interferometry for straightness measurements in a weakly controlled environment XVIII IMEKO World Congress "Metrology for a Sustainable Development", September, 1722,2006, Rio de Janeiro, Brazil 5. W. Schwarz. Straightness measurements for accelerator structures, Proceedings of the 4th IWAA 95041 10 International Workshop on Accelerator Alignment, pp. 477-490, Tsukuba, Japan, August 1995. 6. W. Krämer. Gauge for measuring the thickness of an unsupported web. United States Patent #5210593. 7. H. Lysen. Measurement device for determining the straightness of shafts or shaft tunnels. United States Patent #7021156. 8. A. Ishida. Apparatus for measuring straightness. United States Patent #5333053. 9. H X Song, X D Wang, L Q Ma, M Z Cai, T Z Cao. Design and Performance Analysis of Laser Displacement Sensor Based on Position Sensitive Detector (PSD). Journal of Physics: Conference Series., v.48, p. 217-222, 2006. 10. Kihwan Kwon, Jae-jun Park, Nahmgyoo Cho. A highly sensitive multi-dimensional motion measurement system using a spherical reflector. Measurement Science and Technology.rV.17, p.2421-2429,2006. 11. K. Matsuda, M. Roy, T. Eiju, J. W. O'Byrne, and С J. R. Sheppard. Straightness measurements with a reflection confocal optical system - an experimental study. Applied Optics, v.41, p.39663970, 2002. 11 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 95041 Підписне 12 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601