BG110789A - Лазерно устройство за дистационно измерване на транслация с приплъзване на обекти използващо клиновидна интерференчна структура - Google Patents

Abstract

Лазерното устройство използва клиновидна интерференчна структура - интерференчен клин (5), съставено от пренастройваем тесноивичен лазер (2) и оптичен делител (7). Лъчението на лазера (2) попада върху прикрепвана към обекта малка по размери инварова (или порцеланова, кварцова) плоча (4) с монтиран в твърда връзка върху нея интерференчен клин (5) и отразяващо огледало (10), настроено да връща точно обратно по оста на падане падащия от пренастройваемия лазер (2) и преминаващ през интерференчния клин (5) лазерен лъч, както и два оптични приемника (9, 11). Единият е свързан оптично с попадащото върху върнатото през интерференчния клин (2) преминало лъчение чрез оптичния делител (7) и огледало (8), а другият - свързан оптически директно с непреминаващото през интерференчния клин (7) лазерно лъчение от пренастройваемия лазер (2). Двата оптични приемника (9, 11) са свързани с електронно-сравняващ сигналите обработващ блок (12), даващ сигнал, пропорционален на относителната мощност на преминалото през интерференчния клин (7) лазерно лъчение спрямо тази на непреминаващото лазерно лъчение през интерференчния клин (7). Лъчът на пренастройваемия лазер (2) може да преминава през разширяващ телескоп. Попадащата част от него върху измервания обект се фокусира от леща (19) в сфера на Улбрихт, която е свързана оптически чрез световод (21) с две разклонения-световоди - чрез едното с дадена точка на интерференчния клин (5) и през него с първи оптичен приемник (22), а

Description

Изобретението се отнася до лазерно устройство за дистанционно измерване на линейна транслация с приплъзване на обект, което намира приложение при измерване на линейна транслация, където се налага проследяване на малки по стойност величини на транслацията от порядъка на милиметри и части от милиметъра и то с използване на нискоинтензивно .ф (неразрушаващо) лазерно лъчение и на далечно разстояние от метри, десетки и стотици метри, включително километри от позицията на отчитане. Такива са случаите на контрол на удължение на стоманени греди в мостови и други метални и бетонни конструкции, в частност предизвикани от температурни промени, в геофизични измервания, в измервания във вакуумни камери или други обекти с прозрачни за лъчението стени и др.

Известно е устройство за измерване на големината на транслация на обект /1 /, което се базира на система тип Интерферометър на Майкелсон, съставено от лазерен източник на тесноивично (части ото нанометъра, в частност едночестотно) лазерно лъчение, разделяни в две рамена - опорно и измерително от поляризационна призма и интерференчно сравняване на върнатите в двете Срамена лъчения с електронна регистрация.

Недостатък на известното устройство е, че то е удобно за изследване на големината на транслациите на обекти, неотдалечени на големи разстояния от компактната част на интерферометъра - практически сантиметри и метри. Също, възможността за работата и точността на устройството се влияят особено силно от атмосферни условия, вибрации и изисква най-прецизна специализирана настройка при всяко измерване, особено при приложения за измервания на отдалечен обект.

Известно е устройство за измерване на големината на транслацията на твърд обект / 2 /, съставено от Интерферометър на Фабри - Перо, едното от огледалата на който е свързан с обекта и се транслира с неговата транслация, като с това се изменя пропускането на Интерферометъра на Фабри-Перо и от там се измерва големината на транслацията.

• · • ·

Недостатък на устройството е изискването за изключително прецизна ъглова настройка - ъглови секунди, която съществено се затруднява при дори милиметрови разстояния между огледалата на интерферометъра на Фабри-Перо, особено в реални условия на вибрации и промени в състава, турбулентности и запрашвания на въздуха.

Задача на изобретението е да се създаде лазерно устройство за дистанционно измерване на линейна транслация с приплъзване на обект, позволяващо измерване на малки (милиметри, части от милиметъра) линейни транслации на приплъзване на обект на различни разстояния, включително стотици метри и километри, с повишена устойчивост към атмосферни влияния, турбулентности и запрашвания на въздуха и вибрации на обекта, с възможност за измерване през прозрачни неатмосферни среди и тела, в частност без изисквания за тяхна висока оптическа хомогенност.

Задачата се решава с лазерно устройство, съставено от пренастройваем тесноивичен (в частност едночестотен) лазер и оптичен делител на лъчението му в комбинация с прикрепвана към обекта малка по размери (~ няколко сантиметра х няколко сантиметра) инварова (или порцеланова, кварцова) плоча с монтирана в твърда връзка върху нея интерференчна клиновидна структура, наричана понататък по приета терминология Интерференчен Клин, и отразяващо огледало. Отрязяващото огледало е настроено да връща точно обратно по оста на падане върху него падащия от пренастройваемия лазер и преминаващ през Интерференчния Клин лазерен лъч. Пренастройваемият лазер е разположен на разстояние от измервания обект и лъчението му е насочено така, че да попада в определена точка от челната отразяваща повърхност на Интерференчния Клин. Попадането на лъча на лазера може да бъде директно върху Интерференчния Клин или в сфера на Улбрихт и от там чрез световод - в дадена точка от челната отразяваща повърхност на Интерференчния Клин. Устройството включва два приемника, единият свързан оптично с преминалото през Интерференчния Клин лъчение чрез оптичен делител или световод, а другият - с непреминалото през Интерференчния Клин падащо лъчение от пренастройваемия лазер чрез оптичен делетел или световод, свързан със сферата на Улбрихт. Устройството съдържа електронно-сравняващ сигналите от двата приемника обработващ блок, даващ диференциален сигнал, пропорционален на интензитета на преминалото през Интеференчния Клин лазерно лъчение.

Предимство на устройството, съгласно изобретението, е измерването на малки (милимитри и части от милимитъра) линейни транслации на приплъзване на обект на различни разстояния, включително стотици метри и километри, с повишена устойчивост към атмосферни влияния - турбулентности и запрашвания на въздуха и вибрации на обекта, с възможност за измерване през прозрачни неатмосферни среди и тела, в частност без изисквания за тяхна висока оптическа хомогенност, висока компактност, възможност за опростена херметизация, минимални милиметрови и субмилиметрови дебелини на регистриращия елемент в твърда солидна връзка между съставящите го части.

Едно примерно изпълнение на устройството, съгласно изобретението, за дистанционно измерване от близко разстояние (метри) на транслация на обект е показано на приложената Фигура 1. В разглеждания примерен случай транслацията може да бъде линейното температурно удължение на протяжен обект.

В това изпълнение, обектът, за който се провежда измерването, означен с 1 на Фигура 1, е например желязна протяжна греда с дължина 10 метра, и е разположен близо (до няколко метра, например на 5 метра) от тесноивичния със спектрална ширина на лъчението ~0.1 нанометър (или едночестотен) пренастройваем лазер, означен с 2 на Фигура 1. Лазерът 2 е разположен върху масивна порцеланова подложка-блок, означен с 3, имащ правоъгълна форма, като лазерът 2 е поставен центрирано спрямо ръбовете на повърхността на блока. Към желязната греда 1 е твърдо свързана в една точка малка платформа - плоча с дължина 6 см и ширина 4 см от инвар или порцелан, означена с 4 на Фигура 1. На платформата 4 е инсталиран в твърда връзка с Интерференчен Клин, означен на чертежа с 5. Той е с оптическа дебелина от 5 микрона. Интерференчният Клин представлява кварцова подложка с оптично качество и дебелина от 1 до 10 милиметра и размери - дължина 3 сантиметра и височина 1 сантиметър. Изпълнен е като върху повърхността на кварцовата подложка в последователност, чрез изпарение или чрез електронно разпрашване, са нанесени отразяващо 90% многослойно диелектрично огледало, прозрачен клинов разделителен слой с оптическа дебелина от 5 микрона, ъгъл при върха на « ·· • ·· • ·· • ·· • · · · клина 5.10'5 отражение също 90%, (Интерференчен Клин от тип „сандвич”). Интерференчният Клин 5 е поставен в инварова (или порцеланова) кутия за намаляване на външни влияния, със стени, съвпадащи с ръбовете на инваровата плоча и височина 2-3 сантиметра, като част от стената на кутията - тази към лазера 2, е изпълнена като оптичен филтър 6 от многослойно диелектрично покритие върху кварцова пластина. Филтърът 6 има високо пропускане (70-80 %) в тясна спектрална област от около ± 30 нанометра около централната дължина на вълната на пренастройваемия лазер, която е например 0.63 микрона и ниско пропускане извън нея, по малко от 5 %. Филтърът 6 е разположен пред Интерференчния Клин 5 и е с размери по-големи от размерите на клина. Интерференчният Клин 5 и пренастройваемият едночестотен лазер 2 са поставени така, че лъчът от лазера 2 с диаметър 1-1.5 милиметра да пада през филтъра 6 върху Интерференчния Клин 5 под малък ъгъл от ~ 3°. В измерванията се работи в един и същи порядък к на резонанс за клина 5. Пред лазера 2 е поставен оптичен делител 7 (с пропускане за лъчението на лазера 2 например 80 % и отражение 19.5 %), който отразява част от лъчението на лазера и чрез огледалото 8 го насочва към оптичния приемник 9. Преминалият лъч през делителя 7 се насочва към Интерференчния Клин 5 и попада върху него през филтъра 6. След Интерференчният Клин 5 е поставено широкоспектрално отразяващо огледало 10, което е настроено така, че преминала част от лазерния лъч от лазера 2 през Интерференчния Клин 5 да бъде отразявана точно в обратната посока на падането си и по оста на падането си. Делителят 7 насочва част от върнатата обратно част от отразения от огледалото 10 сноп към втория оптичен приемник 11, който е поставен така, че това лъчение да попада върху него. Двата приемника 9 и 11 са с еднаква и постоянна чувствителност в областта на пренастройка на лазера 2. Сигналите от двата приемника 9 и 11 се сравняват в обработващия електронен блок 12, който дава относителната големина (отношение на приетия сигнал от приемника 11 към приетия сигнал от приемника 9) на пропуснатото лъчение през Клина 5 спрямо тази на сигнала от приемника 9, от което се определя максималната стойност на пропускане на Интерференчния Клин 5 за облъчващата дължина на вълната . Лазерът 2, делителят 7, огледалото 8 и приемниците 9 и 11 са монтирани в твърда връзка върху порцелановия блок 3, максимално центрирано спрямо дължината и ширината му.

радиана и последващо многослойно диелектрично огледало с нанесено върху разделителния клиновиден слой.

• · ft ft ft ft ft ft

Избраните материали за изграждане на системата са с възможно най-ниски коефициенти на температурно разширение, приблизително на порядък и повече по-нисък от този на измервания обект, за минимална грешка от собствено топлинно удължение или изместване на елементите на устройството и на самото устройство (температурните коефициенти на разширение на инвара, на кварцовото стъкло и на порцелана са съответно ~0.9х10'⁶ °C’¹, 1x10'⁶ °C’¹ и 3x1 O’⁶ °C¹, докато на стоманата и желязото са ~ 11-12х10’⁶ °С‘¹, а на алуминия ~ 26x1 O’⁶ °C'¹). Елементите на устройството са центрирани спрямо носещите ги плочи 3 и 4 с цел минимизиране на изместване от температурно разширение. Порцелановият блок 3 е поставен върху бетонна плоча 14 (или твърда земна повърхност). Обектът, на който се проследява удължението 1, в случая металната греда, може да е разделен с прозрачна среда 15, например стъклена преграда, от лазера 2 и свързаните с него елементи върху блока 3.

Действието на устройството е следното:

В началото на измерване на удължението на гредата дължината на вълната на лъчът от лазера 2, попадащ върху Интерференчния Клин 5, се настройва да съответства на резонансна дължина на вълната λι за точката на попадане. При това лъчът от лазера 2 преминава максимално през клина 5, например 85 %, и обработващият блок 12 дава сигнал с максимална относителна стойност. При транслация на инваровата плоча 4, вследствие температурно удължаване на гредата 1, се транслира съответно и Интерференчния Клин 5, като в новата точка на падане на лазерния лъч върху него резонансната дължина на вълната се променя и пропускането на клина 5 намалява. Намалява съответно и големината на сигнала, постъпващ от приемника 11 в обработващия блок 12, а от там и големината на отчитания относителен сигнал, подаван от блока 12. С пренастройване на дължината на вълната на лъчението на лазера 2, отново се намира съответната за новата дебелина на клина 5 резонансна дължина на вълната λ₂ за максимално пропускане на клина 5, което се регистрира по достигане отново на максимална относителна стойност на сигнала от обработващия блок 12. Дължината на транслацията Δχ се дава от формулата ._fL , където се изчислява от израза к-— = п-е, -cos# с известните

Л] tga 2 за използвания Интерференчен Клин п и ъгъл на падане Θ (cos Θ «1), а порядъка к, който е цяло число, се получава като най-близкото цяло число от числена преценка на максималния брой полувълни λι/2, които могат да се нанесат на дадената средна оптична дължина (л.е) на използвания

Интерференчен Клин 5. За полученото к равенството и-е?!-cos# трябва да

се удовлетворява. Дебелината (л.е) се дава от производителя. Например, за използвания Интерференчен Клин 5 тип „сандвич” с дебелина от 3 микрона и л=1.6, cos 3° ~ 1, и λι « 0.6 микрометра, пресмятането дава к = 30. Формулата за пресмятане на Δχ може да се даде в графичен вид, отчитано от дадена стойност на λι като функция на (λ₂ - λι). Чувствителността на устройството достига измерване на удължение с милиметър и части от милиметъра за разглежданата греда с дължина 10 метра. Възможен метод за определяне на измерваното удължение е и предварителната експериментална калибровка на системата.

Във варианта, даден на Фигура 2, устройството може да измерва милиметрови и части от милиметъра удължения от разстояния стотици метри и километри.

Означените на Фигура 2 елементи със същите цифри като на Фигура 1 са съответно същите като на Фигура 1. В този вариант на изхода на лазера 2 е въведен колимиращ телескоп 16. Лазерът 2 може да бъде разположен на десетки или стотици метри от Интерференчния Клин 5 като лъчението му осветява Интерференчния Клин 5. Пред инваровата плоча 4, на минимално разстояние (-1 милиметър) от прозорчето 6, върху общата основа от бетон или земна повърхност 17 е поставена втора двуслойна инварова плоча 18. Горният слой на плочата 18 е с дебелина от части от сантиметра до сантиметър и с размери например 6 сантиметра дължина и 5 сантиметра ширина. Върху горния слой на плочата е монтирана защитна кутия, намаляваща външните въздействия върху елементите, монтирани върху него. На стената към лазера на тази защитна кутия е монтирана в съответен отвор широко апертурна (~ 6-8 милиметра апертура) късофокусна (-20-30 милиметра фокусно разстояние) леща 19, като тя е разположена така, че да попада в снопа на лазерния лъч 13, излъчван от лазера

2. След лещата 19 е поставена малка сфера на Улбрихт 20 с диаметър от 2-3 сантиметра (изпълнена например от топка за пинг-понг) и имаща малък отвор с • · · · 4^99 • · · · · ···· • · · · · 9 99

9 9 9 9 9 9 9 9 99

9 9 9 9 · 9 99

99 999 999 99999 диаметър от 3-5 милиметра и разположена така, че фокусираното лъчение на лазера 2 от лещата 19 да попада в отвора. Към втори малък отвор от *1-3 милиметра в сферата на Улбрихт 20 е прилепен (възможно през фокусираща късо-фокусна леща, непоказана на чертежа) световод 21 с разклоняващ се обратен край в две разцепления-световоди с по-тесни еднакви диаметри. Краищата им са на минимално разстояние (части от милиметъра) от прозорчето 6. След прозорчето 6, на разстояние *1 милиметър и под малък ъгъл от * 10° спрямо него е разположен по дължината си Интерференчният Клин 5, който е в твърда връзка с инваровата плоча 4. Едното от разцепленията на световода 21 е насочено срещу Интерференчния Клин 5, а другото, също към него, но на разстояние *1,5 сантиментра след края на Интереференчния Клин 5. Долният пласт на инваровата плоча 18 е разположен така, че да плъзга под инваровата плоча 4. В разглеждания вариант в инваровата плоча 4 са направени тесни (~ 510 милиметра) продълговати отвори след Интерференчния Клин 5, като през тези отвори, към втория слой на плочата 6 са закрепени в твърда връзка оптичните приемници 22 и 23, така че при приплъзването на плочата 4 върху долния слой на плочата 18 те да остават в началното си положение. Единят от тях - 22 е разположен до Интерференчния Клин 5 точно срещу края на разцеплението на световода 21, насочен към Интерференчния клин 5, а другият приемник -23 е насочен срещу другия край на разцепението-световод на световода 21, насочен през прозорчето 6 извън клина 5. Двата приемника са свързани с обработващ електронен блок- излъчвател 24 на радиосигнал с мощност, пропорционален на относителната големина на сигнала, постъпващ от приемника 22 спрямо този от приемника 23. В световода 21 попада част от лъчението на лазера 2 .

Действието на варианта на изобретението, показан на Фигура 2, е следното:

Лъчението на лазера 2, попадащо върху лещата 19, се фокусира от нея в сферата на Улбрихт 20, при което попадналото след фокусировката лъчение осветява практически равномерно цялата вътрешна повърхност на сферата. В световода 21 попада част от лъчението на лазера 2. Една част от попадналото в световода 21 лъчение, чрез разцеплението-световод от него, насочено срещу Интерференчния Клин 5, попада през прозорчето 6 върху този клин, а другата част - от разцеплението-световод от световода 21, насочена след

Интерефенчния Клин 5, попада през прозорчето 6 директно върху приемника 23. Лазерът 2 се настройва на резонансната дължина на вълната λι за точката от Интерференчния Клин 5 срещу разцеплението-световод срещу Интерефенчния Клин 5 от световода 21. При това обработващо-излъчвателният блок 24 излъчва максимален сигнал. При транслацията (в примера - топлинното удължение) на гредата 1 се транслира и инваровата плоча 4 и съответно Интерференчния Клин 5, като попадането на лъчението на разцеплението-световод срещу Интерефенчния Клин 5 променя точката на падане върху Интерефенчния Клин 5 и съответно резонансната дължина на вълната. При това пропускането на Интерефенчния Клин 5 намалява и съответно сигналът, подаван от обработващоизлъчващия електронен блок 24, също намалява. При пренастройване на лазера 2 се намира най-близката дължина на вълната, при която блокът 24 подава втори максимален по интензитет сигнал, с което се определя втората резонансна дължина на вълната λ₂. По дадената в примерното изпълнение 1 формула, и по известните λι и К₂ се определя големината на транслацията на обекта 1 (на стоманената греда 1).

Claims (2)

1. Авторски претенции

   1/. Лазерно устройство за дистанционно измерване на транслация с приплъзване на обекти, използващо клиновидна интерференчна структура - Интерефенчен Клин, съставено от пренастройваем тесноивичен лазер и оптичен делител на лъчението му, характеризиращ се с това, че лъчението на пренастройваемия лазер попада върху прикрепвана към обекта малка по размери (~ няколко сантиметра х няколко сантиметра) инварова (или порцеланова, кварцова) плоча (4) с монтиран в твърда връзка върху нея Интерференчен Клин (5) и отразяващо огледало (10), настроено да връща точно обратно по оста на падане върху него падащият от пренастройваемия лазер и преминаващ през Интерференчния Клин (5) лазерен лъч (13) и два оптични приемника, единият - ( 9), свързан оптично с попадащото върху преминалото през Интерференчния Клин ( 5) лъчение чрез оптичния делител (7) и огледалото ( 8 ), а другият -(11 ), свързан оптично с преминалото през Интерференчния Клин лъчение (13) от пренастройваемия лазер (2 ) чрез огледалото (10 ) и оптичния делител (7) като двата оптични приемника (9) и (11) са свързани с електронно сравняващ сигналите обработващ блок (12), даващ сигнал, пропорционален на относителната мощност на преминалото през Интерференчния Клин лазерно лъчение по отношение на мощността на падащото лъчение.
2. 2.1. Лазерно устройство съгласно претенция 1./, при което лъчът на пренастройваемия лазер (2) преминава през разширяващ телескоп, характеризиращо се с това, че попадащата част от лъча на пренастройваемия лазер (2 ) се фокусира от леща (19) в сфера на Улбрихт (20), която е свързана оптически чрез двете разклонения-световоди на световода ( 21 ) чрез първото разцепление-световод с дадена точка на Интерференчния Клин (5 ) и през него с първи оптичен приемник (22) , а чрез второто разклонение-световод - директно извън Интерференчния Клин ( 5 ), през прозорчето ( 6 ) с втори оптичен приемник (23), като двата приемника (22) и (23 ) са в твърда връзка с инваровата плоча (18 ) и са свързани електрически с електронно-сигнален обработващ блок (24 ).