ES2263292T3 - Metodo para mejorar mediciones mediante interferometro de laser. - Google Patents
Metodo para mejorar mediciones mediante interferometro de laser.Info
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Abstract
Un método para mejorar la exactitud de mediciones realizadas con el interferómetro de láser (1, 2) y especialmente para mejorar la exactitud de mediciones de distancia, caracterizado porque la velocidad del sonido (5) se mide cuando recorre la misma trayectoria que la trayectoria del rayo láser (3) y de manera simultánea con la medición de distancia realizada mediante el interferómetro de láser, cuando se determina el efecto de los factores sobre toda la trayectoria del rayo láser del interferómetro de láser, los cuales en su conjunto afectan la velocidad del sonido y el índice de refracción del aire, es decir temperatura del aire, presión del aire, humedad relativa y concentración de gases, el valor de distancia indicado mediante el interferómetro de láser en tiempo real se utiliza en los cálculos, si es necesario, se hacen correcciones teniendo en cuenta los efectos de presión del aire, humedad relativa, concentración de gases, gradientes de temperatura y viento, y utilizando el valor obtenido para calcular una corrección, la cual depende de los factores descritos anteriormente y es proporcional al índice de refracción del aire, al valor de medición, y especialmente al valor de la medición de longitud.
Description
Método para mejorar mediciones mediante
interferómetro de láser.
El objeto de esta invención es proporcionar un
método para mejorar la exactitud de mediciones, en particular
mediciones de distancia, realizadas cuando se usa un interferómetro
de láser.
Cuando se precisa medir la exactitud se
requiere, por ejemplo en la ingeniería industrial, utilizar los
interferómetros de láser en medición de la distancia debido a que
son más exactos que otros métodos. Sin embargo, la exactitud del
interferómetro de láser depende de diversos factores, tales como la
dependencia de la longitud de onda del rayo láser sobre el índice
de refracción del medio. Debido a que las mediciones de distancia
realizadas que utilizan interferómetros de láser se basan en la
longitud de onda de luz, es esencial conocer el índice de
refracción del medio para obtener resultados suficientemente
exactos. En la práctica, el medio en estas mediciones es aire cuyo
índice de refracción se encuentra en función de la presión del aire,
temperatura, humedad y concentración de gases tales como dióxido de
carbono. La temperatura del aire cambia significativamente debido a
los movimientos rápidos y constantes de masas de aire provocados por
diferencias de temperatura entre los diversos puntos en la región
de medición y debido a efectos aerodinámicos. Debido a los cambios
en la temperatura del aire, la temperatura transitoria integral a
lo largo de la trayectoria del rayo láser del interferómetro de
láser no se puede medir de manera exacta con los termómetros
conocidos actualmente que se utilizan en interferómetros de
láser.
láser.
En equipo de interferómetro de láser disponible
comercialmente el índice de refracción del aire se determina
midiendo las cantidades anteriormente citadas en el aire y
calculando entonces sus efectos sobre la longitud de onda. Con este
fin, el equipo disponible actualmente incorpora detectores para
medir la temperatura del aire, presión, y algunas veces también la
humedad. Típicamente, existen de uno a tres termómetros para la
medición de la temperatura del aire.
Los termómetros del aire que se utilizan
actualmente en los interferómetros de láser se basan en el fenómeno
de que la temperatura del detector sea la misma que la temperatura
del aire ambiente. Estos termómetros permiten solamente la medición
de temperaturas en puntos únicos contiguos a la trayectoria del rayo
láser. Estos termómetros no pueden medir temperaturas en cada punto
a lo largo de toda la trayectoria del rayo láser, como se requiere
realmente. Otra desventaja es que, debido a demoras en los tiempos
de respuesta en los detectores de temperatura conocidos actualmente
de los interferómetros de láser, los resultados de medición siempre
están por detrás de la temperatura instantánea real en cada punto
de medición. En consecuencia, estos dispositivos permiten solamente
medir valores de temperatura integrales en puntos de medición
particulares durante un período de medición específico, no permiten
la medición de temperaturas transitorias que cambian constantemente.
La aplicación de métodos de medición que permiten solamente la
medición de valores de temperatura en puntos únicos y con un largo
período de repuesta y la consideración de valores resultantes como
la temperatura instantánea integral a lo largo de toda la
trayectoria del rayo láser, dan por resultado un error el cual es el
más significativo entre los componentes de errores que afectan la
exactitud de mediciones de interferómetro de láser.
El objeto de esta invención es proporcionar un
método y equipo el cual soluciona el problema anterior. Además,
esta invención proporciona un método para corregir los resultados de
medición del interferómetro de láser, teniendo en cuenta los
cambios transitorios en temperatura del aire a lo largo de toda la
trayectoria del rayo láser.
El objeto de esta invención se puede lograr
utilizando un método cuyos aspectos distintivos se describen en las
reivindicaciones.
El método de acuerdo con esta invención consiste
en determinar los valores de temperatura del aire a lo largo de
toda la trayectoria del rayo láser del interferómetro de láser
midiendo la velocidad del sonido que recorre la misma trayectoria,
y que utiliza el valor obtenido para calcular la corrección que
depende de la temperatura del aire con relación al valor medido,
particularmente a las mediciones de distancia. La expresión "la
misma trayectoria" quiere decir en este documento que las ondas
de sonido y las ondas de luz de láser parten desde el mismo punto
o, en la práctica, desde puntos cercanos uno a otro, y llegan al
mismo punto o, en la práctica, a puntos cercanos uno de otro, y que
estas ondas hacen el recorrido simultáneamente. La corrección con
relación al resultado de medición de interferómetro de láser,
particularmente el resultado de medición de distancia, se puede
calcular a partir del valor de temperatura del aire. Este método
facilita una imagen exacta de las características de aire
transitorias que afectan la exactitud del interferómetro de
láser.
En una realización de acuerdo con esta
invención, la velocidad del sonido se mide utilizando el valor de
longitud o distancia medido de manera simultánea empleando un
interferómetro de láser. Cuando se utiliza el método de acuerdo con
esta invención, la exactitud de las mediciones realizadas utilizando
un interferómetro de láser se mejora considerablemente. El método
que se describe se puede aplicar a interferómetros de láser
disponibles comercialmente sin alteraciones o modificaciones y el
equipo de acuerdo con esta invención se puede también instalar en
ellos. Además, el método y equipo son sencillos y poco costosos de
materializar, también el equipo es poco costoso de producir y
utilizar.
Esta invención se basa en el fenómeno de que el
índice de refracción del medio (en la práctica, aire) conocido a
partir de la teoría de onda de luz, que afecta la longitud de onda
del rayo láser, y la velocidad del sonido en el aire, conocida a
partir de la teoría de la acústica, dependen ambos de los mismos
factores, es decir, presión del aire, temperatura, humedad y
concentración de dióxido de carbono, y por lo tanto son comparables
de ese modo uno con otro de una manera conocida. Una ventaja
adicional consiste en que las ondas de sonido no interfieren con el
rayo de luz de láser transmitido mediante el interferómetro de láser
y es posible que las ondas de sonido y el rayo láser recorran la
misma trayectoria de manera simultánea. De este modo, los cambios
transitorios en características del aire tienen el mismo efecto
sobre las ondas de sonido y el rayo láser dado. Debido a que el
efecto relativo de un cambio en temperatura del aire, es más de
1.000 veces más fuerte sobre la velocidad del sonido en el aire que
sobre el índice de refracción del aire, es posible lograr
mediciones muy precisas.
El método de acuerdo con esta invención propone
que la determinación de la corrección con respecto al resultado de
medición de longitud, que depende de la temperatura del aire a lo
largo de la trayectoria del rayo láser y que se obtiene con el
interferómetro de láser, se basa en el hecho de que cuando la onda
de sonido recorre la misma trayectoria que el rayo láser a través
del aire, la temperatura del aire instantánea en cada punto a lo
largo de la trayectoria afecta la velocidad de la onda de sonido. El
tiempo que invierte la onda de sonido para su recorrido a través
del aire es inversamente proporcional a la temperatura instantánea
integral a lo largo de la trayectoria de la onda de sonido. Además
de la temperatura del aire, la velocidad del sonido en el aire
depende de otros factores, cuyo efecto es diez o cientos de veces
más pequeño que el efecto de la temperatura del aire. Estos
factores afectan de manera relativamente uniforme sobre las
condiciones del aire en toda la región, a diferencia de la
temperatura del aire que cambia de manera significativa de punto a
punto y varía con el tiempo. Estos factores incluyen humedad del
aire, presión y concentraciones de diferentes gases tales como
dióxido de carbono.
Una ventaja adicional que se proporciona por el
método de medición de la invención consiste en que el tiempo de
respuesta es cero en cada punto de la trayectoria del rayo láser y
la medición de toda la trayectoria del rayo láser dura sólo el
tiempo que la onda de sonido tarda en recorrer la trayectoria. Esta
es la diferencia esencial y la ventaja abrumadora en el principio
del método propuesto comparado con los termómetros de aire más
lentos que se utilizan actualmente en los interferómetros de
láser.
En una realización preferible de esta invención,
los transmisores y receptores de sonido están localizados en el
interferómetro de láser o en su proximidad de manera que la
trayectoria y el eje del rayo láser y las ondas de sonido están tan
cerca como sea posible una de otra y las ondas de sonido realizan el
recorrido en paralelo y simétricamente con respecto al rayo láser.
De esta forma se reducen los errores de medición.
La invención se describirá ahora con más detalle
haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que la
figura 1 muestra un diagrama de bloque de un instrumento que
materializa el método de la invención,
las figuras 2 y 3 ilustran algunas realizaciones
del método en forma de diagramas,
La figura 1 ilustra los elementos ópticos 1 y 2
del interferómetro de láser en los que el primero 1 (sobre el lado
del interferómetro de láser) incorpora una fuente de luz y un
divisor de haz/interferómetro, y el segundo 2 incorpora un
retrorreflector. Las cubiertas fijas están unidas a los elementos
ópticos, en las cuales están instalados los transmisores/receptores
de sonido 4a, 4b, 4c, 4d. Cada transmisor/receptor puede transmitir
o recibir ondas de sonido. El equipo incorpora también detectores de
humedad 6, un detector de presión del aire 7, un analizador de gas
8 así como una unidad de control y cálculo 9. El interferómetro de
láser 1 transmite el rayo láser 3 y los transmisores 4 transmiten
ondas de sonido 5.
Los transmisores/receptores 4 están dispuestos
en pares de manera que los ejes 5 de las ondas de sonido
transmitidas mediante los transmisores/receptores son simétricos
alrededor del rayo láser 3, los ejes pueden estar, por ejemplo,
encima y por debajo del haz, y a la izquierda y derecha del haz. La
instalación simétrica en pares simplifica los cálculos realizados
posteriormente de acuerdo con el método. El número de pares de
transmisor/receptor se pueden hacer a la medida en aplicaciones
diferentes de esta invención. Por ejemplo, las figuras 2 y 3
muestran 4 y 6 pares, respectivamente.
Una realización de acuerdo con esta invención no
requiere propiedades de alineamiento direccional especiales para
los transmisores/receptores. Sin embargo, los
tranasmisores/receptores modernos, en los que el intervalo de
ángulo del haz es sólo unos cuantos grados (por ejemplo 5 a 8
grados), proporcionan mejor restricción contra la interferencia de
ruido y se pueden utilizar en mayores distancias. Esto es importante
en mediciones prácticas, por ejemplo bajo condiciones de
fábrica.
La frecuencia de sonido que se utiliza no está
limitada a ningún valor específico pero se han obtenido en la
práctica los mejores resultados con frecuencias ultrasónicas, por
ejemplo 50 a 100 kHz, debido a su tolerancia en contra de la
interferencia. Cuando la distancia que se va a medir (es decir, la
distancia entre el interferómetro 1 y el retroreflector 2) cambia,
la distancia entre cada transmisor/receptor 4 cambia de manera
correspondiente. La unidad de control y cálculo 9 recibe un valor
exacto sobre la distancia que se va a medir desde el interferómetro
de láser 1.
La velocidad del sonido se mide simultáneamente
con la medición del interferómetro de láser. La velocidad del
sonido se puede medir de varias maneras; una de las alternativas
posibles se describe a continuación.
La velocidad del sonido se mide constantemente
en ciclos de repetición que comprenden las siguientes etapas:
la unidad de control y cálculo 9 transmite un
paquete de ondas de sonido vía el transmisor 4a en el interferómetro
de láser (esta invención no limita el número de oscilaciones en
cada paquete; por ejemplo, es adecuado de 5 a 20 oscilaciones).
Estas ondas de sonido 5 hacen el recorrido por encima del rayo láser
3. Después de una demora conocida, el receptor 4b sobre el lado
opuesto (lado del retroreflector) del interferómetro de láser
detecta las ondas de sonido que llegan, y el tiempo requerido por el
sonido para realizar el recorrido se registra mediante la unidad de
control y cálculo. La unidad de control y cálculo transmite el
paquete de ondas de sonido de nuevo vía el transmisor 4b al
receptor 4a. Estas ondas de sonido 5 se propagan con un eje por
encima del rayo láser 3. Después de una demora conocida el receptor
4a detecta las ondas de sonido que llegan y se registra el tiempo
necesario para que el sonido haga el recorrido mediante la unidad de
control y cálculo. Las mediciones del tiempo en ambas direcciones
es un requisito previo para la eliminación completa del efecto del
viento cuando se calcula la velocidad del sonido. Después de la
medición descrita anteriormente, se lleva a cabo una medición
similar utilizando los transmisores/receptores opuestos localizados
de manera simétrica con respecto al rayo láser 3. En otras
palabras, se mide el tiempo que se requiere para que el sonido haga
el recorrido desde el transmisor 4c al receptor 4d y de nuevo desde
el transmisor 4d al receptor 4c, cuando las ondas de sonido se
propagan ahora con un eje por debajo del rayo láser 3. Las
mediciones simétricas realizadas inmediatamente sobre los lados
opuestos del rayo láser aseguran que el tiempo medido que necesita
al sonido para realizar el recorrido a lo largo de la trayectoria
del rayo láser 3, se corresponde en mayor grado con el tiempo de
recorrido real, y que se eliminan las diferencias en temperatura del
aire en la dirección transversal al rayo láser.
Después que se ha medido el tiempo de la onda de
sonido con un par opuesto transmisor/receptor que utiliza el método
descrito anteriormente, se realiza una medición similar con los
otros pares de transmisor/receptor. Si se utilizan cuatro pares de
transmisor/receptor, las siguientes mediciones se realizan
utilizando los pares a la izquierda y derecha del rayo láser. El
diagrama de bloque ilustra dos o cuatro pares de
transmisores/receptores, aunque el número de
transmisores/receptores se puede hacer a la medida en diferentes
realizaciones de esta invención.
Cuando se ha medido el tiempo de recorrido del
sonido en ambas direcciones con todos los pares de
transmisor/receptor, se repite el ciclo.
Mientras se están realizando las mediciones, la
unidad de control y cálculo se alimenta en tiempo real con la
siguiente información:
- distancia que presenta el interferómetro de
láser 1.
- presión del aire que presenta el detector
de
presión del aire 7.
presión del aire 7.
- humedad del aire relativa que presentan los
detectores de humedad 6.
- cuando se necesita información acerca de las
concentraciones de gas en el aire en mediciones particularmente
exactas, el analizador de gas 8 mide las concentraciones de dióxido
de carbono y si es necesario de otros gases en el aire.
Basada en la información enumerada
anteriormente, la unidad de control y cálculo 9 calcula primero la
velocidad del sonido a lo largo de la trayectoria del rayo láser 3
y realiza los ajustes necesarios para los efectos de presión del
aire, humedad relativa, concentraciones de gas, viento, y gradiente
de temperatura, y calcula entonces el ajuste al estimado de la
distancia original realizado por el interferómetro de láser,
corrigiendo los errores sistemáticos del equipo y realizando el
procesamiento estadístico requerido.
Las figuras 2 y 3 ilustran algunos ejemplos de
la manera en la que se pueden localizar los transmisores/receptores
de onda de sonido 4 de forma simétrica alrededor del rayo láser. En
el centro de la cubierta 10, hay un orificio 11 en donde se
localizan los elementos ópticos del interferómetro de láser. El
orificio 11 es tal que no se perturba la operación normal de los
elementos ópticos del interferómetro de
láser.
láser.
Claims (2)
1. Un método para mejorar la exactitud de
mediciones realizadas con el interferómetro de láser (1, 2) y
especialmente para mejorar la exactitud de mediciones de distancia,
caracterizado porque la velocidad del sonido (5) se mide
cuando recorre la misma trayectoria que la trayectoria del rayo
láser (3) y de manera simultánea con la medición de distancia
realizada mediante el interferómetro de láser, cuando se determina
el efecto de los factores sobre toda la trayectoria del rayo láser
del interferómetro de láser, los cuales en su conjunto afectan la
velocidad del sonido y el índice de refracción del aire, es decir
temperatura del aire, presión del aire, humedad relativa y
concentración de gases, el valor de distancia indicado mediante el
interferómetro de láser en tiempo real se utiliza en los cálculos,
si es necesario, se hacen correcciones teniendo en cuenta los
efectos de presión del aire, humedad relativa, concentración de
gases, gradientes de temperatura y viento, y utilizando el valor
obtenido para calcular una corrección, la cual depende de los
factores descritos anteriormente y es proporcional al índice de
refracción del aire, al valor de medición, y especialmente al valor
de la medición de longitud.
2. El método según la reivindicación 1,
caracterizado además porque los transmisores/receptores de
sonido (4, 4a, 4b, 4c, 4d) están localizados en el interferómetro
de láser (1, 2) o en su proximidad de manera que la trayectoria del
recorrido y el eje del rayo láser (3) y las ondas de sonido (5)
están tan cerca uno de otro como sea posible y que las ondas de
sonido se propagan con ejes que están paralelos y simétricos con
respecto al rayo láser.
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