Фазометрическое устройство

, 12753 ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРпО делАм иЗОБРетений и ОтнРьпий Т Н АВТОРСН(57) И я ктехни быть тнос о ользова ых фазо и для понутых одфазе наизобрете ругог Целю функтва. ени устрои нал Ю,С.Илов,(56)У 420АвУ 87 СОЮЗ СОВЕТСНИКСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН НИЕ ИЗО ИДЕТЕПЬСТВУ В 4 С 01 К 25/04, 27/3 ФАЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТ ретение относиизмерений и можно для измерени ых сдвигов двух проце учения двух сигналов,н относительно аданную величи ия является ра ных возможностей ис- тельсовсдвипо1275322 Для достижения поставленной цели вустройство введены источники 1 " 3модулированного оптического сигнала,взаимно ортогональные поляризаторы7 и 8, оптический клин 17, линейныйполяризатор13, фотоприемник 6,нульорган 16. Кроме того, устройство содержит светоделители 18-24, затворы31-34, зеркала 25-30, источник 14 когерентного света, индикатор 15 перемещений, призмы 9-12, фотоприемники4 и 5, двустороннее зеркало 35. ЗнаИзобретение относится к технике фазовых измерений и может использоваться для измерения относительных фазовых сдвигов двух процессов идля получения двух сигналов, сдвинутых один относительно другого по .Фазе на заданную величину.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей фазометрического устройства за счет его использования как в качестве калибратора Фазы, так и в качестве измерителя Фазового сдвига, а также обеспечение самопроверки устройства беэ привлечения внешних контрольных средств. На чертеже изображена схема фазометрического устройства.Фазометрическое устройство содержит три источника 1 - 3 модулированного оптического сигнала (ИЗНОС) (преобразователи 1 - 3 электрическогонапряжения в световой поток), Фото"приемники 4 - 6, 9 эимно ортогональные циркулярные поляризаторы 7 и 8,первую (подвижную) призму 9 и втоьрую (неподвижную) призму 10 переменной оптической задержки, третью 11и четвертую 12 призмы, линейный поляризатор 13, источник 14 когерентного света, индикатор 15 перемещений, например счетчик интерференционных полос, нуль-орган 16, оптический клин 17, светоделители 18 - 24,зеркала 25 - 30, затворы 31 - 34 идвустороннее зеркало 35.Укаэанные элементы образуют дваоптических канала, оптически связан" 5 1 О 15 20 25 30 35 чение фазового сдвига будет получено без систематической погрешности,обусловленной неидентичностью фотоприемников 4 и 5, что позволяет точнее установить величину переменноиоптической задержки Стало возможным совместить в одном приборе как функции калибратора Фазы, так и функцииизмерителя фазы. При этом в обоихрежимах работы прибора используются одни и те же оптические каналы.1 ил. 2ные между собой двумя оптическимитрактами самопроверки, причем оптический канал опорного сигнала содержит оптически последовательно связанные пятый светоделитель 22,первый циркулярный поляризатор 7, оптический клин 17, первый светоделитель 18, первый затвор 31, второйсветоделитель 19 и первый Фотоприемник 4, выход котороо является первым выходом устройства, оптическийканал переменной фазы содержит переменную оптическую задержку, содержащую последовательно оптические связанные второй циркулярный поляризатор 8, первую (подвижную) призму 9,вторую (неподвижную) призму 10, второе зеркало 26 и третье зеркало 27,механически скрепленное с подвижнойпризмой 9 и с помощью которого переменная оптическая задержка оптическисвязана с интерферометрическим измерителем перемещений, состоящим изисточника 14 когерентного света, оптически связанного через шестой светоделитель 23 как с неподвижным четвертым зеркалом 28, так и с подвижным третьим зеркалом 27 и далее через шестой светоделитель 23 с индикатором 15 перемещений, 11 еременнаяоптическая задержка в канале переменной фазы оптически связана через пятый светоделитель 22 с последовательно оптически связанными первым зеркалом 25, третьим светоделителем 20,вторым затвором 32, четвертым светоделителем 21 н вторым фотоприемником5, выход которого является вторымвыходом устройства, 1275322Устройство содержит также первыйтракт самопроверки, содержащий оптически связанные с первым светоделите"лем 18 последовательно оптически связанные третий затвор 33, пятое зеркало 29, третью призму 11 и двустороннее зеркало 35, оптически связанное первой стороной с четвертымсветоделителем 21, входящим в каналпеременной фазы, и второй тракт само- Опроверки, содержащий оптически связанный с третьим светоделителем 20 последовательно оптически связанные четвертый затвор 34,шестое зеркало 30,четвертую призму 12 идвустороннее зеркало 35, оптически связанное второйстороной с вторым светоделителем 19,входящим в канал опорного сигнала,эталонный электрический сигнал подается на первый вход устройства, которым является вход первого преобразователя 1 (ИМОС), который оптическисвязан с обоими оптическими каналами через седьмой 24 и пятый 22 светоделители. Два электрических входных 25сигнала при фазовых измерениях пода Вются на второй и третий входы устройства, которые являются соответственно входами второго и третьего преобразователей 2 и 3 (ИМОС) и оптически ЭОсвязаны соответственно с вторым 19и четвертым 21 светоделителями, Вэтом случае оптическая связь в каналах имеет обратное направление и световыепотоки иэ обоих оптических ка- З 5налов суммируются на выходе пятогосветоделителя 22 и далее оптическисвязаны через седьмой светоделитель24 с последовательно оптически связанными линейным поляризатором 13, АОтретьим Фотоприемником 6 и нульорганом 16,Устройство в режимах калибраторафазы, измерителя фазы и в режимахсамопроверки работает следующим об-5разом.В режиме калибратора фазы затворы 33 и 34 закрыты, а затворы 31 и32 открыты. На вход преобразователя 1 подается электрическое напряжение заданной частоты. На выходепреобразователя 1 появляется модулированный по интенсивности световойпоток. На светоделителе 22 образуются два потока - отраженный и55дроходящий, Отраженный, поток проходит через поляризатор 8 и поступает в переменную оптическую задержку(призмы 9 и 10 и зеркало 26).После прохождения через призмы 9 и 10 световой поток падает на зеркало 26, отразившись от которого, вновь поступает в призмы 10 и 9 и далее через поляризатор 8 на светоделитель 22, проходит через него и, отразившись от зеркала 25, поступает далее через светоделители 20 и 21 и затвор 32 на фотоприемник 5. Прямой световой поток, проыедший через светоделитель 22, далее поступает через поляризатор 7, клин 17, затвор 31 и светоделители 18 и 19 на фотоприемник 4 Таким образом формируются два световых потока - опорный, поступающий на Фотоприемник 4, и несущий сигнал со сдвинутой фазой, поступающий на Фотоприемник 5. Изменение сдвига фазы осуществляется перемещением подвижного элемента переменной оптической задержки (перемещением призмы 9 вдоль линии АВ), Величина перемещения учитывается счетчиком 15 по сдвигу интерференционной кар" тины, формируемой интерферометром Майкельсона. Влияние на рабочие потоки элементов, не участвующих в рас" сматриваемом режиме, сводится к ослаблению интенсивности, которое выравнивается при настройке прибора с помощью клина 17.В режиме измерителя Фазового сдвига затворы 31 и 32 открыты, а затворы 33 и 34 закрыты. На преобразователи 2 и 3 электрического напряжения в световой поток подаются напряжения, Фазовый сдвиг между которыми необходимо измерить. Световой поток преобразователя 2, отразившись от делителя 19, проходит через затвор 31, светоделитель 18, клин 17, циркулярный поляризатор 7, светоделитель 22 и попадает на светоделитель 24. Световой поток, прямо про-. шедший через светоделитель 19, задержится в конечном счете закрытым затвором 34.Световой поток преобразователя 3, отразившись от светоделителя 21 (проходящая часть этого потока задерживается закрытым затвором 33), проходит через затвор 32, светоделитель 20, отражается от зеркала 25 и падает на светоделитель 22. Пройдя через светоделитель 22,циркулярный поляризатор 8 этот поток поступает в переменную оптическуютовой поток, который создает на фотоприемниках 4 и 5 опорный сигнал и сигнал со сдвинутой фазой. Производятся два измерения: первое - при открытых затворах 31 и 32 и закрытых 33 и 34, второе - при закрытых затворах 31 и 32 и открытых 33 и 34,При первом измерении световой поток преобразователя 1 проходит через светоделитель 22, затвор 31 и попадает на фотоприемник 4, а световой поток, отраженный светоделителем 22, проходит через переменную оптическую Задержку и попадает на Фотоприемник 5. При втором измерении световой поток преобразователя 1 проходит через светоделитель 22, затвор 33,призму 11, отражается от зеркала 35 и светоделителя 21, попддая на фотоприемник 5, а, световой поток, отраженный светоделителем 22 проходит через переменную оптическую задержку и, отразившись от светоделителя 20,проходит через затвор .34, призму 12,отражается от зеркала 35 и светоделителя 19 и попадает на фотоприемник 4. 3 1275322задержку (призмы 9 и 10 и зеркало26). Пройдя через оптическую задержку, световой поток вновь проходитчерез поляризатор 8 и, отразившисьот светоделителя 22, падает на светоделитель 24.Таким образом в светоделителе24 накладываются два потока с ортогональной циркулярной поляризацией.Изменяя величину переменной оптичес" 10кой задержки (призмы 9 и 10 и зеркало 26), можно добиться равенства Фазсветовыхпотоков, падающих на светоделитель 24. В этот момент эти потоки имеют равную интенсивность, Благодаря тому, что циркулярные поляризаторы 7 и 8 взаимно ортогональны вмомент совпадения Фаз сигналов, модулирующих укаэанные потоки, результирующий световой поток оказывается 20линейно поляризованным и задерживается линейным поляризатором 13, если. он заранее ориентирован ортогонально к поляризации результирующего потока. Благодаря этому нуль-орган 16 отмечает минимальный ток вФотоприемнике 6. Отметив с помощьюинтерференционного датчика величину перемещения подвижного элементапеременной оптической задержкиполучаем значение введенного Фазовогосдвига, компенсировавшего измеряемуюразность фаз. Прокалибровав счетчикинтерференционных полос непосредственно в фазовых углах, можно получитьуискомый результат измерений,В режимах самопроверки осуществляется контроль соответствия нулей переменной оптической задержки и нульоргана, а также контроль подвижного 40элемента онтической задержки.В режиме контроля соответствиянулей измерителя перемещений оптической задержки и нуль-органа 16 на преобразователи 2 иЪ подают электричес кие колебания с одинаковой фазой.С помощью переменной оптической задержки получают нулевое показаниенуль-органа 16 как в укаэанном режиме разиости Фаэ. Величина введенного переменной оптической задержкой Фа- .зового сдвига показывает величинусистематической погрешности в режимеизмерения фазового сдвига,В режиме контроля положения под- увижного элемента переменной оптической задержки с помощью преобразователя 1 формируется модулированный свеПусть при первом иэмеренчи на выходе фотоприемника,4 зафиксировано некоторое значение 4. абсолютной Фазы с погрешностью вд. , а на выхо-, де фотоприемника 5 - значение о с погрешностью аЫ . Для относительного фазового сдвига в первом измерении получаем Ч - К, -Ы +ьЫ, ьЫ М +61, где- интенсивное значение относительного Фазового сдвига;б- систематическая погрешность.При втором измерении на выходе фотоприемника 4 фиксируется абсолютная фаза о с погрешностью Ь а2а на выходе фотоприемника 5 - абсолютная фаза Ы с погрешностью дЫДля относительного Фазового сдвига во втором измерении получаем- ц + ЬЫ. -Ьо = -+я+ 6Составив полуразность полученных фаэ находим искомое значение фазового сдвига Ч - М+ а 1+Ч -Ю 2 2 Таким образом значение Фазовогосдвига получают без систематической22 Формула 7 12753 погрешности, обусловленной неидентичностью Фотоприемников 4 и 5, что позволяет точнее установить величину переменной оптической задержкиБлагодаря наличию дополнительных по сравнению с известным устройством преобразователей 2 и 3, пары циркулярных поляризаторов 7 и 8, линейного поляризатора 13, фотоприемника 6 и нуль-органа 16 стало возможным сов О местить в одном приборе как функции калибратора фазы, так и Функции измерителя фазы, При этом в обоих режимах работы прибора используются одни и те же оптические каналы, Помимо 15 расширения Функциональных возможностей прибораимеется воэможность самопроверки прибора без использования внешних контрольных средств, что повышает точность как измерений фаза ного сдвига, так .и генерирования двух колебаний с заданным Фазовым сдвигом.Благодаря особенности подключения к каналу со сдвинутой Фазой перемен ной оптической задержки и включения в ее состав зеркала 26 стало возможным вдвое уменьшить ход подвижного элемента оптической задержки, Послед нее обстоятельство значительно упро- ЗО щает, удешевляет и повышает точность механических устройств, обслуживающих перемещение подвижного элемента оптической задержки.. 35изобретения Фазометрическое устройство, содержащее семь светоделителей, четыре затвора, шесть зеркал, три призмы, 40 два фотоприемника, источник когерентного света и индикатор перемещений, которые образуют два оптических канала и два оптических тракта самопроверки, причем оптический канал 45 опорного сигнала содержит последовательно оптически связанные первый светоделитель, первый затвор, второй светоделитель и первый фотоприемник, оптический канал сигнала с перемен ной фазой содержит последовательно оптически связанные третий светоделитель, второй затвор, четвертый светоделитель и второй фотоприемник и, кроме того, первое зеркало, пятый 55 светоделитель, переменную оптическую, задержку, состояющую из первой (подвижной) призмы, второй (неподвижной) призмы, второго и третьего зеркала, причем последнее механически скреплено с первой (подвижной) призмой, а переменная оптическая задержка своим третьим зеркалом оптически связана с интерферометрическим измерителем перемещений, состоящим из источника когерентного Света, оптически связанного с шестым светоделителем, четвертым зеркалом и через шестой светоделитель с индикатором перемещений, оптические каналы связаны между собой двумя оптическими трактами самопроверки, причем первый тракт самопроверки содержит оптически связанный с первым светоделителем последовательно оптически связанные третий затвор, четвертое зеркало, третью призму, двустороннее зеркало (первая сторона), которое оптически связано с четвертым светоделителем, второй тракт самопроверки содержит оптически связанный с третьим светоделителем последовательно оптически связанные четвертый затвор и пятое зеркало, а также двустороннее зеркало (вторая сторона), которое оптически связано с вторым светоделителем, выходы Фотоприемников являются выходными клеммами устройства, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены три источника модулированного оптического сигнала, два взаимно ортогональных циркулярных поляризатора, оптический клин и последовательно оптически связанные линейный поляризатор, третий фотоприемник и нуль-орган, причем линейный поляризатор оптически связан через седьмой и пятый светоделители с обоими оптическими каналами, первый источник модулированного оптического сигнала оптически связан с седьмым светоделителем, второй источник модулированного оптического сигнала с вторым светоделителем, третий источник модулированного оптического сигнала - с четвертым светоделителем, в оптическом канале опорного сигнала первый светоделитель оптически связан с пятым светоделителем через оптический клин и первый циркулярный поляризатор, в оптическомФканале сигнала переменной фазы третий светоделитель оптически связан спятым светоделителем через первое зеркало, а пятый светоделитель оптически свя1 275322 Составитель Ю.МакаревичТехред А.Кравчук Корректор Е,СирохманМ Редактор И,Шулла Заказ ь 555/35 Тираж 728 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, уп. Проектная, 4 зан с последовательно оптически связанным вторым циркулярным поляризатором, первой призмой, второй призмой и вторым зеркалом, электрические1 входы первого, второго итретьего источников модулированного оптическогосигнала являются сигнальными входами устройства