Способ измерения расстояний

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) Я)5 601 В 1ОСУДАРСТВЕННЕДОМСТВО ССГОСПАТЕНТ СС1 АТЕНТНОЕ ЕТЕНИ ВТОРС зобретение отниных размеров идля измерения ремого объекта сения,звестен способ ирным лучом, эаклнепрерывногоный и зондирую лине вано лиру излуч змерения расстояний ючающийся в разделезлучения лазера на щий лучи, из которых лазеньяиопор ИСАНИЕ И У СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1: 1(71) Винницкий политехнический институт (72) Ю,А.Скрипник, И,Ю,Скрипник, А.И.Гуца 1 о, В.Я.Супьян и С,Н;Горбатюк(54) СПОСОБ ИЗМЕНИ РАССТОЯНИЙ (51) Использование: для измерения линейнь)х размеров, Цель изобретения - упрощение и повышейие точности измерения. Сущность. способ заключается в разделени лазерного луча на опорный и зондирующий, совмещении зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с )онтролируемым объектом, с опорным лучой, отраженным от подвижного зеркала, с образованием интерференционной картинь, измерении интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке ингерференционной картины, изменении частоты лазерных лучей и определении расстояния по формуле, В способе измеряют максимальное и минимальное значения иносится к измерению может быть использоасстоянйй до контропомощью оптического 1793218 А 1.тенсивностей интерференционной полосы при изменении частоты лазерных лучей модулирующими радиочастотными колебаниями. Вначале устанавливается значение частоты модулирующих колебаний, соответствующее среднему зйачению интенсивности интерференционной полосы, и эа счет изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивностй интерференционной картины на линейном участке характеристики формируют дополнительный фазовый сдвиг, определяют коэффициент изменения длины опорного луча, затем изменяют частоту модулирующих колебаний до полной компенсации дополнительного фазового сдвига, вызванного изменением длины опорного луча, а расстояние определяют по формуле: Ьх= (1) Ьгде 1 о - длинаРпути опорного луча; Р - коэффициент изменения длины пути опорного луча, полученный в процессе калибровки;т - частота исходных лазерных лучей; Л Рк - компенсирующее изменение частоты модулирующих колебаний; знак "+" означает, что .х - 1.о, а знак "+" соответствует условию 1 с 1 о, 1 ил,зондирующий луч отражается от поверхности объекта, а опорный - от поверхности неподвижного зеркала, соединении отраженных лучей на фотоприемнике и регистрации результирующей интенсивности от интерференции зондирующего и опорного лучей по току фотоприемника.1Известен также способ измерения расстояний, в котором отраженный зондирую 1793218щий и опорный лучи смешивают со вспомогательным лучом, прошедшим через частотно-сдвигающее устройство, квадратичнодетектирует, выделяют электрические колебания с частотой сдвига и измеряют их разность.Однако эти способы не позволяют достигнуть высокой точности измерения,Известен способ измерения расстояний, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что формируютлазерный световой поток, разделяют его наопорный и зондирующий лучи, формируют .интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от 15зеркала, жестко связанного с контролируемым объектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряютинтенсивность интерференционной полосыв контрольной точке интерференционной 20картины фотоприемником, изменяют часто"гу лазерного светового потока и определяют расстояние до обьекта,Недостатком способа является невысокая точность измерения 25Целью изобретения является повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем, чтов способе измерения расстояний, заключающемся в том, что формируют лазерный 30световой поток, разделяют его на опорныйи зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещениязондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым 35объектом, и опорного луча, отраженного отподвижного зеркала, измеряют интенсивность интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картиныфотоприемником, изменяют частоту лазерного светового потока и определяют расстояние до объекта, дополнительно измеряютмаксимальное и минимальное значение интенсивностей интерференционной полосыпутем смещения интерференционной "5картины изменением частоты лазерногосветового потока модулирующими радиочастотными колебаниями, определяютсреднее значение интенсивности интерференционной полосы, устанавливают значение частоты модулирующихрадиочастотных колебаний, соответствующее определенному среднему значению интенсивйости интерференционной полосы,затем формируют дополнительный фазовый 55сдвиг между опорным и зондирующими лучами путем изменения длины пути опорноголуча в пределах изменения интенсивностиинтерференционной полосы на линейном участке характеристики фотоприемника, определяют коэффициент Р изменения длины пути опорного луча, изменяя частоту радиочастотных модулирующих колебаний до полной компенсации дополнительного фазового сдвига, а расстояние Ь до объекта оп ределяют по формулеРи1.= (1 + - )о,ЬРгде Ес, - длина пути опорного луча; ю - начальная частота лазерного светового потока; Ь Р - компенсирующее изменение радиочастотных колебаний; знак "+" берется при 1.1 О,знак "-" при ЬЬ.На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая предложенный способ измерения расстояний,Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, электрооптический модулятор 2 перестройки частоты оптического излучения и коллиматор 3, выход которого оптически соединен через полупрозрачное зеркало 4 с отражающими зеркалами 5 и 6. Зеркало 5 является опорным и может перемещаться на длину волны лазерного излучения + Ь, а зеркало 6 жестко связано с контролируемым обьектом (не показан), расстояние до которого подлежит измерению, С полупрозрачным зеркалом 4 оптически связаны последовательно расположенные линза 7, диафрагма 8 и фотоприемник 9, к выходу которого подключен цифровой милливольтметр 10. К управляющему входу электрооптического модулятора 2 подключен генератор 11 радиочастотнь 1 х колебаний и цифровой частотомер 12, Управляющий вход пьезоэлектрического модулятора 13, на котором расположено зеркало 5, соединен с источником 14 регулируемого постоянного напряжения.Способ определения расстояний осуществляют следующим образом,Оптическое излучение лазера 1 частоты ю разделяется полупрозрачным зеркалом 4 на опорный и информационный лучи, Опорный луч направляется на зеркало 5 и задерживается на время 2 .с и(1) где Ь - расстояние до опорного зеркала 5 при отсутствии управляющего напряжения на управляющем входе пьезоэлекрического модулятора 13; и - показатель преломления среды распространения луча (например, воздуха); С - скорость света в вакууме,Информационный луч направляется на подвижное зеркало 6, жестко связанное с контролируемым обьектом, расстояние до которого измеряется, Отраженный от зеркала 6 информационный луч задерживаетсяна время21 х и(2)Сгде х - расстояние до зеркала 6.Информационный луч совмещается с опорным лучом полупрозрачным зеркалом 4, фокусируется линзой 7 с образованием интерференционной картины в плоскости диафрагмы 8 фотоприемника 9. Интенсивность интерференционной полосы в .выбранной точке отсчета с помощью фотоприемника 9 преобразуется в электрическое напряжение, которое измеряется милливольтметром 10.В выбранной точке интерференционной картины интенсивность оптического излучения полосы определяется выражением1=11+ 12+ 2 у 112 сов (Ф 2 - Ф 1), (3) где 11 и 12 - интенсивности опорного и информационного лучей; Ф и Ф 2 - фазы опорного и информационного лучей в выбранной точке интерференционной картины; у- коэффициент контрастности.Фазовые сдвиги, испытываемые опорным и информационным лучами на частоте исходного оптического излучения ю лазера 1, при отсутствии модуляции (генератор 11 выклю 1 ен) с учетом выражений (1) и (2) имеют видФ = 2 л у г 1 = 4 лу, (4)1 о иСФ 2 = 2 л г т 2 = 4 лиС, =11+ 12+2 у 112 сову - (1-х 1-о (6)4 лпде А - длина волны оптического излучения в вакууме(Х = СФ). При измерениях рассто 1 ний в атмосфере (оптическая плотность оздуха близка к единице) можно считать, то 1=2=о. Тогда выражение (6) примет более простой вид1= 21 (1+ уСОЗ-- (1.х - ой. (7)4 лпФотоприемником 9 интенсивность (7) интерференционной полосы преобразуется в напряжениеО = 5 (1 + Е)о + д = 2 Я (1 + Е) 1 о(1+ + у ССБ ( хо+ д, (8)4 лпгде Я - нормируемая чувствительность фотоприемника: Е=Л ИЯ - относительная погрешность чувствительности фотоприемника, отражающая изменение наклона градуировочной характеристики от влияющих10 30 35 40 45 50 55 15 20 25 факторов (температуры, процессов старения и т.п.); д =Л О - абсолютная погрешность нуля, отражающая смещение градуировочной характеристики от влияющих факторов (фоновая засветка, дрейф темнового тока и т,п,),Включают генератор 11 модулирующих колебаний и изменением его частоты Р смещают интерференционную картину относительно диафрагмы 8 фотоприемника 9 и измеряют милливольтметром 10 максимальное Опх и минимальное Оп 1 о напряжения, Определяют границу светлой и темной полос интерференционной картины по достижению среднего значения выходного напряжения фотоприемника, т.е, 90 сдвига фаз интерферируемых лучейО -пах + Опнп 8 ( Е) 1 вах +1 е 3 о +д2 2= 23 (1+ Е) 1 о 1 + у с 03 (К л + - + а + д, (9) где К - целое число полуволн оптических пучков до точки отсчета интерференционной картины; а- угловая погрешность установки 90-градусного сдвига фаз между информационным и опорным лучами; Из сопоставления выражений (8) и (9) и сдвига частоты излучения модулирующими колебаниями частоты излучения модулирующими колебаниями частоты Е следует, что - + - 1 и (ь - ь) = к т- . а, (1 О) где и+ Р - частота сдвинутого излучения, при котором достигается равенство (10),Измеряют среднее значение выходного напряжения фотоприемника 9 милливольтметром 10, которое соответствует условию (10). Затем плавно увеличивают управляющее напряжение от источника 14 на входе пьезоэлектрического модулятора 13 и тем самым перемещают опорное зеркало 5, В результате микроперемещения зеркала 5 изменяется длина пути, проходимого опорным лучом, Задержка опорного луча (1) изменяется и принимает видт + Ь то = 2 ( оЬ 1 о)=П(11)где Л 1 о - заданное перемещения зеркала5; р=Ь о/ о - коэффициент изменения длины пути опорного луча.Значение коэффициента р выбирают таким,чтобы обеспечить работу фотоприемника 9на линейном участке характеристики в окрестностях установлен ного 90-градусногосдвига фаз интерферируемых лучей (р 1).В результате изменения длины пути,проходимого опорным лучом, происходитсмещение границы выбранных полос в поле(15) тического излуче Ек возникает вто вый сдвиг 1-о(1 + Р). зрения фотоприемника 9. В результате такого смещения выходное напряжение фотоприемника 9 принимает значениеО=23(1+ Е)1 о(1+ )СБ ,дх4 лих(1 х 1-о)(1 й,р 1)+ д, (12) где ЛА - изменение длины волны из-за сдвига частоты оптического излучения.Смещение границы являются также следствием возникновения дополнительного фазового сдвига опорного лучаЛ ф 1 = 4 Й Р + Р) - у --Р Ь, и,1 оРп 4 к(13) где Лр 1 - дополнительный сдвиг фазы опорного луча на оптической частоте , возникающей при изменении длины пути опорного луча.С учетом выражения (13) равенство(10) принимает видЕЙ+0 п, - ,1 Р) =кт=+аЛр. (14) Как следует из выражения (14), для однозначности фазовых измерений необходимо, чтобы дополнительный фазовый сдвиг Л 1л, а для работы на линейном участке характеристики фотоприемника достаточно, чтобы Л р 10,1 л;выходное напряжение фотоприемника 9 увеличивается или уменьшается в зависимости от направления перемещения зерка, ла 5 (+ Р) при увеличении напряжения на управляющем входе пьезоэлектрического модулятора 13, Новое значение выходного напряжения О 2 фотоприемника 9, соответствующее выражению (12), измеряется милливольтметром 10.Далее с помощью радиочастотных колебаний генератора.11 дополнительно сдвигают частоту оптического излучения на величину Л Ек. При этом направление изменения частоты оптического излучения (ю+ г + Л Е) выбирают таким, чтобы изменяющееся выходное напряжение фотоприемника 9 приближалось к ранее установленному среднему значению напряжения (9)- РВ+При изменении частоты ония на значение частотырой дополнительный фаз4 ЖЛЕкЛР 2 = + - и(С При полной компенсации дополнительных сигналов (Лгр 1 + Лср 2 = О) выходное нап ряжение фотоприемника 9 принимает первоначальное значение (О 1 = Оз). При этом выполняется равенство4 лу+Р ЛЯ =К л- - +а, К 2(17) Приравнивая левые части уравнений (10) и (17), получаем (Р + 1 ) (.х - 1 о) = (У + Р + Л Ек)х х(1.х - 1 о (1 + Р. (18) Решив уравнение (18) относительно измеряемого расстояния 1.х, получимР 1 х= (1 + ) 1 о, (20)РюЛРкгде знак "+" означает 1 х1 о, а знак "-" соответствует условию 1 х1 о,Таким образом, при выбранной частоте оптического излучения и заданной длине опорного луча 1 значении коэффициента его изменения р и измеренном значении приращения частоты модулирующих колебаний можно определить по формуле (20) измеряемое расстояние 1 х,Значение коэффициента р задают с помощью источника 14 управляющего напряжения и милливольтметра 10. Для этого на модулятор 13 подают такое напряжение, которое за счет микроперемещения зеркала 5 вызывает дополнительный фазовый сдвиг, определяемый выражением (13), Последний можно контролировать с помощью милли- вольтметра 10, Если показание милливольтметра при подаче управляющего напряжения стало равным О 2 (при первоначальном показании милливольтметра О 1), тодля линейного участка характеристики фотоприемника 9 справедливо отношение О 2 - О 1 ЬйОп)ах - ОвпДля достижения значения фазового сдвига Л 1)1 0,1 л необходимо на модулятор подать такое управляющее напряжение, чтобы0,1 . (22)Овах - ОпзпИэ выражения (22) следует. что показание милливольтметра 10 при действии управляющего напряжения должно достигнуть выбранного значения1793218 10 30 35 40 О 20,1(Ощах Ощп) + О 1 ф (23)Таким образом, приращение показаниймилливольтметра не должны превышать 8 -100 ь от напряжения контрастности (ОпахОпь) интерференционной кар 1 ины,Поскольку значение коэффициента р со 1гласно выражения (13) не зависит от измеряемого расстояния Ь, то его определяюткалибровкой по известному расстоянию Ьи в дальнейшем используют для вычисленияизмеряемых расстояний по формуле (20).При калибровке зеркало 6 устанавливают на расстоянии Ь=Ь и из соотношения(20) определяют значение коэффициента ризменения длины пути опорного лучар (0 Л-отде Л Г - компенсирующее изменение частоты модули рующих колебаний,Измерение расстояния до объекта, положение которого определяется по зеркалу6, осуществляется в следующей последовательности,В начале на модуляторе 13 перемещением зеркала 5 управляющее напряжениеотсутствует. Изменением частоты генератора 11 устанавливают максимальное Опх иминимальное Опи напряжения на выходефотоприемника 9, которые измеряют милливольтметром 10, Определяют среднеезначение измеренных найряжений Оср==(Опм+Опь)/2 и изменением частоты генератора 11 устанавливают по милливольтметру 10 среднее напряжение (Оп=Оср) навыходе фотоприемника 9. Соответствующеезначение частоты Г колебаний генератора Формула изобретенияСпособ измерения расстояний, заключающийся в том, что формируют лазером .световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым обьектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряют интенсивности интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной артины фотоприемником, изменяют частоту лазерного светового потока; определяют расстояние до объекта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, измеряют максимальное и минимальное значения интенсивностей интерференционной полосы путем смеще 11 измеряют частотомером 12, Затем плавно увеличивают управляющее напряжениена модуляторе 13 от источника 14 и фиксируют примерно 10 изменение (согласно5 предельному значению, которое определяется из выражения 231) от контраста интерференционной картины,По формуле (24) в процессе калибровкиопределяют фактическое значение коэффи 10 циента изменения длины опорного луча (р)и запоминают значение управляющего напряжения на модуляторе 13, при котором.это достигнуто. Затем плавным изменениемчастоты генератора 11 восстанавливают15 первоначальное показание милливольтметра 10 и измеряют частоту колебаний Р 2 частотомером 12 на выходе генератора 11.Определяют компенсирующее изменениечастоты модулирующего напряжения (Л Ек=20 = Г 2-Г 1). По формуле (20) определяют рас: стояние Ь до зеркала 6. В дальнейшем приизмерении новых значений Ех измеряюттолько изменение частоты Л Г, а значениекоэффициента р задают фиксированным25 значением управляющего напряжения намодуляторе 13,Использование предлагаемого способа измерения расстояний обеспечивает повышение точности измерений как за счет уменьшения масштабного коэффициента. так и за счет исключения влияния показателя преломления среды распространения оптического излучения, а следовательно, колебаний температуры, влажности и давления в зоне измерения. ния интерференционной картины изменением частоты лазерного светового потока модулирующими радиочастотными колебаниями, определяют среднее значение интенсивности интерференционной полосы, устанавливают значение частоты модулирующих радиочастотных колебаний, соответствующее определенному среднему значению интенсивности интерференционной полосы, формируют дополнительный фазовый сдвиг между опорным и зондирующйм лучами путем изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивйости интерференционной полосы на линейном участке характеристики фотоприемника, определяют коэффициент р изменения длины путем опорного луча, изменяя частоты радиочастотных модулирующих колебаний до полной компенсации дополни1793218 12 Составитель А.ГуцалоТехред М,Моргентал Корректор А.Мот Редактор Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 аз 49ВНИИ осуд Про одственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101 тельного фазового сдвига, а расстояние .хдо обьекта определяют по формуле х= (1+) о,Рюгде Ьо - длина пути опорного луча; у-.начальная частота лазерного светового потока;Ь Гк - компенсирующее изменение радиочастотных колебаний;