CZ299040B6 - Zpusob vylepšení presnosti merení laserovým interferometrem - Google Patents

Abstract

Je popsán zpusob pro vylepšení presnosti merení, obzvlášte merení vzdáleností, s použitím laserového interferometru (1, 2). Zpusob podle tohoto vynálezu se skládá ze stanovení teploty vzduchu po celédélce trasy pruchodu laserového paprsku (3), vysílaného laserovým interferometrem a to zmerením rychlosti zvuku (5), procházejícího po stejné trase, a za použití výsledné hodnoty k výpoctu hodnoty teploty vzduchu, použité pro opravu merených hodnot,obzvlášte merených vzdáleností.

Description

Způsob vylepšení přesnosti měření laserovým interferometrem

Oblast techniky

Úkolem tohoto vynálezu je poskytnout způsob pro vylepšení přesnosti měření, obzvláště měření vzdálenosti, pro které se používá laserový interferometr.

Dosavadní stav techniky

Pokud je vyžadováno přesné měření, například v technických oborech, používají se pro měření vzdáleností laserové interferometry, protože měření je s jejich pomocí přesnější, než u jiných způsobů. Nicméně přesnost laserového interferometru závisí na různých faktorech, například je závislá na vlnové délce laserového paprsku a na indexu lomu média. Protože měření vzdáleností je při použití laserového interferometru založeno na vlnové délce světla, je velice důležité znát index lomu média, abychom mohli získat dostatečně přesné výsledky měření. V praxi je při těchto měřeních médiem vzduch, jehož index lomu je závislý na tlaku, teplotě, vlhkosti a koncentraci plynů, jako je oxid uhličitý. Teplota vzduchu se významně mění díky rychlým a stálým pohybům hmoty vzduchu, které jsou způsobené teplotními rozdíly mezi jednotlivými body v oblasti měření a také díky aerodynamickým vlivům. Díky těmto změnám teploty nemůže být integrální přechodová teplota podél trasy paprsku laserového interferometru změřena přesně s pomocí teploměrů, které jsou v dnešní době u laserových interferometrů používané.

U komerčně dostupných laserových interferometrů je index lomu vzduchu stanoven měřením výše uvedených veličin ve vztahu k vzduchu a poté výpočtem jejich vlivu na vlnovou délku. Pro tento účel se v současné době používají v měřicím zařízení senzory, které měří teplotu vzduchu, jeho tlak a někdy také vlhkost. Obvykle jsou pro měření teploty vzduchu vyhrazeny jeden až tři teploměry.

Teploměry vzduchu, které se v současné době používají v laserových interferometrech, jsou založeny na skutečnosti, že teplotní senzor dosáhne stejné teploty, jakou má okolní vzduch. Tyto teploměry umožňují pouze měření teplot v jediném bodě, přiléhajícím k trase laserového paprsku. Tyto teploměry nedokáží změřit teploty v každém bodě po celé trase laserového paprsku, což by ve skutečnosti mělo být žádoucí. Další nevýhodou je to, že díky časovému zpoždění odezvy na aktuálně známou teplotu zjištěnou teploměry laserového interferometru, jsou vždy výsledky měření interferometrem založeny na starších naměřených teplotách v každém bodě měření. Následkem toho jsou měřicí zařízení schopná měřit integrální teplotní hodnoty ve specifických bodech během specifické časové periody a neumožňují tak měření stále se měnících přechodo40 vých teplot. Pokud porovnáme použití těchto měřicích metod, které umožňují pouze měření teplotních hodnot v jednotlivých bodech s dlouhými časy odezvy a současně zvážíme výsledné hodnoty, které jsou integrálem okamžité teploty podél celé trasy laserového paprsku, docházíme ke skutečné chybě, kteráje nej významnější mezi složkami výsledné chyby, které ovlivňují přesnost měření laserovým interferometrem.

Podstata vynálezu

Úkolem tohoto vynálezu je poskytnout způsob a zařízení, které by vyřešilo výše uvedený prob50 lém. Navíc tento vynález poskytuje způsob pro opravu výsledků měření laserovým interferometrem, který bere v úvahu přechodové změny v teplotě vzduchu po celé trase průchodu laserového paprsku.

Úkolu podle tohoto vynálezu je dosaženo pomocí způsobu pro vylepšení přesnosti měření lasero55 vým interferometrem a obzvláště přesnosti měření vzdáleností laserovým interferometrem, jehož

-1 CZ 299040 B6 podstatou je to, že se měří rychlost zvuku, procházejícího po stejné trase, jakou prochází laserový paprsek a současně s měřením vzdálenosti laserovým interferometrem, když se stanovuje účinek faktorů na celé trase laserového paprsku vysílaného laserovým interferometrem, které společně ovlivňují jak rychlost zvuku a index lomu vzduchu, jmenovitě jsou to teplota vzduchu, tlak vzdu5 chu, relativní vlhkost a koncentrace obsažených plynů, hodnota vzdálenosti měření laserovým interferometrem v reálném čase se poté použije ve výpočtech a pokud to je nutné, provedou se opravy, jež berou v úvahu vliv tlaku vzduchu, relativní vlhkosti, koncentrace obsažených plynů a teplotního gradientu a větru a s použitím získaných hodnot se vypočte oprava, která je závislá na výše uvedených faktorech a je proporcionální index lomu vzduchu a měřené hodnotě, obzvláště naměřené vzdálenosti.

Způsob podle tohoto vynálezu se skládá ze stanovení teploty vzduchu po celé délce trasy průchodu laserového paprsku vyslaného z laserového interferometru, a to změřením rychlosti vzduchu procházejícího stejnou trasu. S použitím získané hodnoty se pak vypočítá oprava měřené hodno15 ty, obzvláště pak měřené vzdálenosti, která závisí na teplotě vzduchu. Výraz „stejná trasa“ zde znamená, že zvukové vlny a vlny laserové světla se šíří ze stejného bodu, nebo v praxi, z bodů, které jsou velice blízko sebe a dosahují po průchodu trasou stejného místa, nebo v praxi míst, které leží velice blízko sebe a že tyto vlny putují po dané trase současně. Oprava výsledku měření laserovým interferometrem, obzvláště pak měření vzdálenosti, může být vypočtena z hodnoty teploty vzduchu. Tento způsob poskytuje přesný obraz o přechodových charakteristikách vzduchu, s vlivem na přesnost laserového interferometru.

U provedení podle tohoto vynálezu je rychlost zvuku měřena s použitím hodnoty délky nebo vzdálenosti měřené současně s použitím laserového interferometru. Pokud je použit způsob měře25 ní podle tohoto vynálezu, přesnost měření se výrazným způsobem vylepší. Popsaný způsob může být aplikován na komerčně běžně dostupné laserové interferometry beze změn nebo modifikací a může v nich být instalováno rovněž zařízení podle tohoto vynálezu. Navíc způsob a zařízení podle tohoto vynálezu jsou jednoduché a levné, pokud jde o implementaci, a zařízení je rovněž výrobně levné a jednoduše se používá.

Tento vynález je založen na jevu, že index lomu média (v praxi se jedná o vzduch) známý z vlnové teorie světla, který ovlivňuje vlnovou délku laserového paprsku a rychlost zvuku ve vzduchu, známá z teorie akustiky, závisí na shodných faktorech, jmenovitě na tlaku vzduchu, teplotě, vlhkosti a koncentraci oxidu uhličitého ajsou tak známým způsobem navzájem porovnatelné. Další výhodou je to, že zvukové vlny neinterferují s laserovým světelným paprskem vysílaným laserovým interferometrem a je možné, aby zvukové vlny a laserový paprsek procházely stejnou trasou současně. Takto přechodové změny ve vlastnostech vzduchu mají stejný vliv na zvukové vlny a daný laserový paprsek. Protože relativní vliv změn teploty vzduchuje více než lOOOx silnější u rychlosti zvuku než u indexu lomu, je možné dosáhnout velmi přesných měření.

Způsob podle tohoto vynálezu navrhuje, aby stanovení opravy hodnoty naměřené délky, která závisí na teplotě vzduchu po celé trase postupu laserového paprsku a která se získává laserovým interferometrem, bylo založeno na skutečnosti, že když zvuková vlna postupuje po stejné trase jako laserový paprsek skrze vzduch, tak okamžitá teplota vzduchu v každém bodě trasy ovlivňuje lychlost zvukových vln. Doba, kterou potřebuje zvuková vlna k průchodu skrze vzduch je nepřímo úměrná integrálu okamžité teploty po trase postupu zvukové vlny. Kromě teploty vzduchu závisí rychlost zvuku na mnoha jiných faktorech, jejich účinek je řádově desetinásobně nebo stonásobně menší, než je vliv teploty vzduchu. Tyto faktory mají relativně rovnoměrný vliv na stav vzduchu v celé oblasti, na rozdíl od teploty vzduchu, jež se mění významně od bodu k bodu a mění se i s časem. Tyto faktory zahrnují vlhkost vzduchu, tlak a koncentraci různých plynů, jako například oxidu uhličitého.

Další výhodou, kterou vynález měřicího způsobu poskytuje, je to, že čas odezvy je nulový v každém bodě trasy laserového paprsku a měření celé trasy laserového paprsku trvá pouze dobu, kterou potřebuje zvuková vlna k postupu trasou. Toto je podstatný rozdíl a významná výhoda

-2CZ 299040 B6 tohoto principu při srovnání s pomalejšími teploměry vzduchu, které se v současnosti používají u laserových interferometrů.

U jednoho z upřednostňovaných provedení tohoto vynálezu jsou vysílače a přijímače zvukových vln umístěny přímo v laserovém interferometru nebo v jeho blízkosti a to tak, že trasa a osa laserového paprsku a zvukových vln jsou co nejblíže k sobě a zvukové vlny tedy putují paralelně a symetricky ve srovnání s trasou laserového paprsku. Tímto způsobem dochází ke snížení chyb měření.

io

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude nyní popsán detailněji s odkazy na připojené výkresy, na kterých:

Obr. 1 ukazuje blokové schéma přístroje, jenž implementuje vynalezený způsob měření,

Obr. 2 ukazuje jedno z vynalezených provedení způsobu měření ve formě schématu,

Obr. 3 ukazuje další vynalezené provedení způsobu měření ve formě schématu.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 ukazuje dvě části optiky laserového interferometru, kde první částí optiky na straně interferometru 1 je zdroj světla a separátor paprsku/interferometru, a druhou částí optiky je odrazka 2. Pevná skříň je připojena koptíce, a jsou v ní instalovány vysílače/přijímače 4a, 4b, 4c a 4d. Každý vysílač/přijímač je schopen vysílat nebo přijímat zvukové vlny. Zařízení rovněž obsahuje senzory 6 vlhkosti, senzor 7 tlaku vzduchu, analyzátor 8 plynu a také řídicí a výpočetní jednotku 9. Laserový interferometr i vysílá laserový paprsek 3 a vysílače/přijímače 4 vysílají zvukové vlny 5.

Vysílače/přijímače 4 jsou umístěny v párech tak, že osy zvukových vln 5 vysílaných vysíla30 či/přijímači jsou symetrické okolo laserového paprsku 3. Osy mohou být například nad a pod paprskem a vlevo a vpravo od něj. Symetrická instalace v párech zjednodušuje výpočty provedené dále v popisu podle tohoto způsobu. Počet vysílačů/přijímačů může být upraven v různých aplikacích tohoto vynálezu. Například obr. 2 a obr. 3 ukazují 4 a 6 párů, respektive.

Provedení podle tohoto vynálezu nevyžaduje žádné speciální směrové vyrovnání vysílačů/přijímačů. Nicméně moderní vysílače/přijímače, kde je úhel paprsku pouze několik stupňů (například 5 až 8 stupňů), poskytují lepší potlačení vlivu interference šumu a mohou se používat i na delší vzdálenosti. To je důležité obzvláště v praktických měřeních, například v továrních podmínkách.

Použitá frekvence zvuku není omezená jakoukoliv specifickou hodnotou, ale nej lepších výsledků se dosahuje v praxi s ultrazvukovými frekvencemi, například 50 až 100 kHz a to díky jejich odolnosti proti interferencím. Pokud se měřené vzdálenosti (tj. vzdálenosti mezi interferometrem I a odrazkou 2) změní, vzdálenost mezi každým vysílačem/přijímačem 4 se podle toho změní příslušným způsobem. Řídicí a výpočetní jednotka 9 přijímá přesnou hodnotu vzdálenosti určené ke změření přímo z laserového interferometru T

Rychlost zvuku je měřena současně s prováděným měřením laserovým interferometrem. Rychlost zvuku může být měřena několika způsoby; jedna z možných alternativ je popsána níže.

Rychlost zvuku se měří v opakujících se cyklech, které se skládají z následujících kroků:

Řídicí a výpočetní jednotka 9 vysílá svazek zvukových vln pomocí vysílače/přijímače 4a umístěného na laserovém interferometru (tento vynález neomezuje počet oscilací v každém svazku, adekvátních je 5 až 20 oscilací). Tyto zvukové vlny 5 procházejí nad laserovým paprskem 3. Po

-3 CZ 299040 B6 známém zpoždění vysílaě/přijímač 4b na protilehlé straně (strana odrazky) laserového interferometru detekuje přicházející zvukové vlny a řídicí a výpočetní jednotka 9 vypočte dobu, kterou zvukové vlny potřebují k dosažení odrazky. Tato řídicí a výpočetní jednotka 9 vysílá nazpět svazek zvukových vln, prostřednictvím vysílače/přijímače 4b do vysílače/přijímače 4a. Uvedené zvukové vlny 5 se šíří po ose umístěné nad laserovým paprskem 3. Po známém zpoždění vysílač/přijímač 4a detekuje přicházející zvukové vlny a řídicí a výpočetní jednotka 9 vypočte dobu, kterou zvukové vlny potřebují k zpětnému průchodu trasou. Při výpočtu rychlosti zvuku je měření doby postupu vln v obou směrech bezpodmínečně nutné pro úplnou eliminaci vlivu větru. Po provedení výše uvedeného měření je podobné měření provedeno s použitím protilehlých vysílalo čů/přijímačů, umístěných symetricky vzhledem k laserovému paprsku 3. Jinými slovy, doba, kterou zvukové vlny potřebují k průchodu trasou od vysílače/přijímače 4c do vysílače/přijímače 4d a nazpět z vysílače/přijímače 4d do vysílače/přijímače 4c se měří, nicméně nyní jsou zvukové vlny šířeny po ose ležící pod laserovým paprskem 3. Symetrická měření provedená na protilehlých stranách laserového paprsku zajistí, že měřený čas, který zvuková vlna potřebuje k průchodu trasou podél laserového paprsku 3 odpovídá v co největší míře skutečné době průchodu a že jsou eliminovány změny teploty vzduchu v příčném směru vzhledem k laserovému paprsku.

Po změření doby postupu zvukových vln na trase s pomocí protilehlých vysílačů/přijímačů a způsobu výše popsaného je podobné měření provedeno ještě s dalšími vysílači/přijímači. Pokud jsou použity čtyři páry vysílačů/přijímačů, je následující měření provedeno s použitím vysílačů/přijímačů umístěných vlevo a vpravo od laserového paprsku. Blokové schéma znázorňuje právě čtyři vysílače/přijímače nebo dva páry, ale počet vysílačů/přijímačů může být v různých provedeních tohoto vynálezu upraven.

Když byla doba průchodu zvukových vln trasou změřena v obou směrech se všemi páry vysílačů/přijímačů, celý cyklus se opakuje.

Zatímco je prováděno měření, řídicí a výpočetní jednotka 9 dostává v reálném čase následující informace:

· Vzdálenost změřenou laserovým interferometrem 1, • Tlak vzduchu změřený senzorem 7 tlaku vzduchu, • Relativní vlhkost vzduchu změřenou senzorem 6 vlhkosti, • Pokud je nutné znát koncentraci plynů ve vzduchu, a to u obzvláště přesných měření, změří analyzátor 8 plynu koncentrace oxidu uhličitého a v případě nutnosti i jiných plynů.

Podle informací uvedených výše vypočte řídicí a výpočetní jednotka 9 nejprve rychlost zvuku na trase, kterou postupuje laserový paprsek 3 a provede potřebné úpravy na vliv tlaku vzduchu, relativní hustoty, koncentrace plynů, větru a teplotního gradientu a poté vypočte opravu původní hodnoty vzdálenosti naměřené laserovým interferometrem a to tak, že provede korekci na syste40 matickou chybu zařízení a dále provede požadované statistické zpracování.

Obr. 2 a obr. 3 ukazují některé příklady způsobu, jakým mohou být vysílače/přijímače 4 umístěny symetricky okolo laserového paprsku. Ve středu skříně 10 je otvor 11, kde je umístěna optika laserového interferometru. Otvor H je takový, aby umožňoval normální a nenarušený provoz optiky laserového interferometru.

Tento vynález není nijak omezen upřednostňovaným provedením vynálezu popsaným výše, která uvádí pouhé příklady a umožňuje různé změny a modifikace vynálezu bez toho, že by docházelo k odchýlení se od rozsahu pole působnosti tohoto vynálezu, definovaného v připojených patento50 vých nárocích.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob vylepšení přesnosti měření laserovým interferometrem (1, 2) a obzvláště přesnosti měření vzdáleností, vyznačující se tím, že se měří rychlost zvuku (5), procházejícího po stejné trase, jakou prochází laserový paprsek (3), a to současně s měřením vzdálenosti laserovým interferometrem, a stanovuje se účinek faktorů po celé trase průchodu laserového paprsku io vysílaného laserovým interferometrem, které společně ovlivňují rychlost zvuku a také index lomu vzduchu, jmenovitě jsou to teplota vzduchu, tlak vzduchu, relativní vlhkost a koncentrace obsažených plynů; hodnota vzdálenosti změřená laserovým interferometrem v reálném čase se poté použije ve výpočtech a pokud to je nutné, provedou se opravy, jež berou v úvahu vliv tlaku vzduchu, relativní vlhkosti, koncentrace obsažených plynů, teplotního gradientu a větru a s použitím

   15 získaných hodnot se vypočte hodnota opravy, která je závislá na výše uvedených faktorech aje proporcionální k indexu lomu vzduchu a k měřené hodnotě, obzvláště pak měřené vzdálenosti.
2. 2. Způsob vylepšení přesnosti měření laserovým interferometrem podle nároku 1, vyznačující se tím, že vysílače/přijímače (4, 4a, 4b, 4c, 4d) jsou umístěny v laserovém

   20 interferometru (1, 2) nebo v jeho blízkosti a to tak, že trasa postupu a osa laserového paprsku (3) a zvukových vln (5) jsou co nejblíže navzájem k sobě a dále v tom, že zvukové vlny se šíří po osách, které jsou rovnoběžné a symetrické vzhledem k laserovému paprsku.