FI110209B - Menetelmä laserinterferometrillä tehtävien mittauksien tarkkuuden parantamiseksi - Google Patents

Description

! f ί i

Menetelmä laserinterferometrilla tehtävien mittauksien tarkkuuden parantamiseksi -j Q 2 Q 9

Keksinnön kohteena on menetelmä laserinterferometrillä tehtävien mittausten tarkkuuden 5 parantamiseksi ja erityisesti pituusmittausten tarkkuuden parantamiseksi. Keksintö kuuluu metrologian alaan, ja edelleen täsmennettynä mittausmenetelmiin. Tekniikka, mihin keksintö perustuu on laserinterferometri.

Erilaisissa tarkkuusmittauksissa, kuten esim. konepajateollisuudessa tehdyissä mittauksissa, 10 käytetään laserinterferometrejä hyväksi pituuden mittaukseen, koska ne ovat tarkempia kuin i muut menetelmät. Laserinterferometrin tarkkuus on kuitenkin riippuvainen useista tekijöistä, mm. laservalon aallonpituus riippuu väliaineen taitekertoimesta. Koska laserinterferometrillä mitataan pituutta valon aallonpituuksien avulla, on väliaineen taitekerroin tiedettävä riittävän tarkan mittatuloksen saavuttamiseksi. Käytännön mittauksissa väliaineena on ilma, jonka 15 taitekerroin riippuu paineesta, lämpötilasta, kosteudesta ja eräiden kaasujen kuten hiilidioksidin pitoisuudesta. Ilman ominaisuudet ovat erittäin epämääräiset sekä eri mittauspaikan alueiden lämpötilaerojen aiheuttaman ilmamassojen nopean ja jatkuvan liikkumisen takia että aerodynaamisten vaikutteiden takia. Ilman ominaisuuksien vaihtelujen takia hetkelliset arvot eivät ole mitattavissa luotettavasti tunnetuilla laserinterferometrien "20 ympäristöolosuhteiden mittareilla. Tekniikan tason julkaisuina esitetään EP-hakemusjulkaisu ‘ \ 417934 (G01B 9/02).

··. Kaupallisissa laserinterferometrilaitteistoissa määritetään ilman taitekerroin mittaamalla .···. edellä mainitut ilman suureet ja laskemalla niiden vaikutukset aallonpituuteen. Tällöin 25 nykyiset laitteistot sisältävät ilman lämpötila-, paine- ja joskus myös kosteusanturin. Ilman . · ·. lämpötilamittareita on yleensä 1 - 3 kappaletta.

Tunnetut laserinterferometrien ilman lämpötilamittarit perustuvat tuntoelimen lämpötilan muuttumiseen ympäröivän ilman lämpöiseksi ja niiden avulla on mahdollista mitata "3o vain yksittäisten pisteiden lämpötilan arvoa lasersäteen kulkuradan vierestä. Sama pätee ;* myöskin ilman kosteuden mittareihin: on mahdollista mitata vain yksittäisten pisteiden ilman * * kosteuden arvo. Niillä ei ole mahdollista mitata todellisuudessa tarvittavaa, lasersäteen kulkuradan jokaisesta pisteestä koostuvan koko lentoradan ilman taitekertoimeen vaikuttavien yllämainittujen tekijöiden arvoja. Lisäksi epäkohtana on se, että tunnettujen 110209 2 laserinterferometrien ilman lämpötila- ja kosteusantureiden vasteaika saa aikaan sen, että mittaustulokset ovat aina jäljessä todellisesta hetkellisestä lämpötilasta ja kosteudesta mittauspisteessä. Näin ollen niiden avulla on mahdollista mitata vain tiettyjen pisteiden tietyn aikajakson integroituja arvoja, eivätkä jatkuvasti muuttuvat hetkelliset arvot ole mitattavissa.

5 Tunnetun laserinterferometrilla suoritettavan pituudenmittausmenetelmän mukainen yksittäisistä pisteistä ja suurella vasteajalla mitattujen ilman lämpötila- ja kosteus arvojen soveltaminen koko lasersäteen kulkuradan ilman integraaliseksi hetkelliseksi lämpötilaksi ja kosteudeksi johtaa mittausvirheeseen, joka on suurin kaikista laserinterferometrien mittauksen tarkkuuteen vaikuttavista virhekomponenteista.

10

Keksinnön tarkoituksena on tuoda esille menetelmä ja laitteisto, joilla poistetaan edellä mainittu epäkohta. Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esille menetelmä laserinterferometrin mittaustulosten korjaamiseksi, jota käytettäessä otetaan huomioon ilman taitekertoimeen vaikuttavat tekijät ja niiden hetkelliset vaihtelut koko lasersäteen 15 lentoradalla, ja jotka ovat samat sekä laservalon aallon pituuteen vaikuttavalle ilman taitekertoimelle että samoissa oloissa äänenaaltojen etenemisnopeudelle.

. Keksinnön tarkoitus saavutetaan menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä on esitetty : V: patenttivaatimuksissa.

·:·2ϊ) i

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lasersäteen lentoradan ilman ominaisuudet määritetään samaa matkaa lasersäteen kanssa kulkevan äänen nopeuden mittaamisen avulla ja lasketaan saadusta äänen nopeuden arvosta korjaus laserinterferometrilla suoritettavaan mittauksen, ja erityisesti pituusmittauksen, arvoon. Ilmaisulla samaa matkaa tarkoitetaan tässä yhteydessä . ,25 sitä, että ääniaallot ja laservaloaallot lähtevät samasta pisteestä tai käytännössä aivan lähellä toisiaan olevista pisteistä, saapuvat samaan pisteeseen tai käytännössä aivan lähellä toisiaan oleviin pisteisiin ja kulkevat samanaikaisesti. Äänen nopeuden arvon perusteella voidaan • I t " ’ laskea korjaus laserinterferometrin mittaustulokseen ja erityisesti pituuden mittaustulokseen.

•: ’. Menetelmän mukaisella tavalla saadaan tarkka kuva kaikista laserinterferometrin tarkkuuteen :' 30 vaikuttavista ilman hetkellisistä ominaisuuksista.

Keksinnön mukaisessa menetelmän sovelluksessa äänen nopeuden laskemisessa käytetään 110209 3 s samanaikaisesti laserinterferometrin avulla mitattua pituuden tai etäisyyden arvoa hyväksi. Keksinnön mukaista menetelmää käytettäessä paranee laserinterferometrillä suoritettavien mittausten mittatarkkuus olennaisesti. Lisäksi keksinnön mukainen menetelmä on sovellettavissa ja keksinnön mukainen laitteisto on asennettavissa olemassa oleviin 5 kaupallisiin laserinterferometreihin ilman muutoksia. Lisäksi menetelmä ja laitteisto ovat suhteellisen yksinkertaisia ja suhteellisen edullisia toteuttaa ja laitteisto on edullinen valmistaa ja käyttää.

Keksintö perustuu siihen oivallukseen, että valon aaltoteoriasta tunnettu laservalon 10 aallonpituuteen vaikuttava väliaineen (joka on käytännön mittauksissa ilma) taitekerroin ja akustiikasta tunnettu äänen nopeus ilmassa ovat molemmat riippuvaisia samoista tekijöistä, jotka ovat ilman paine, lämpötila, kosteus ja ilman hiilidioksidipitoisuus ja ovat näin ollen tietyllä tavalla verrannolliset keskenään. Lisäksi keksintö on mahdollista toteuttaa, koska ääniaallot eivät häiritse laserinterferometrin lasersädettä ja ne on mahdollista lähettää 15 kulkemaan samaa matkaa eli samanaikaisesti ja samaa lentorataa pitkin laserinterferometrin lasersäteen kanssa. Täten ilman ominaisuuksien hetkelliset muutokset vaikuttavat ääniaaltoihin täsmälleen samalla tavalla kuin ko. lasersäteeseen. Yksi ja sama ilman . ominaisuuksien muutos vaikuttaa kuitenkin suhteessa yli tuhat kertaa voimakkaammin äänen

* · « I

: Y: nopeuteen kuin ilman taitekertoimeen ja täten on mahdollista saavuttaa äänennopeuden :*2Ö mittaamisen avulla laserinterferometrillä tehdyissä pituusmittauksissa erittäin tarkat ': ’ *: mittaukset korj aamalla alkuperäinen laserinterferometrin mittaustulos.

Keksinnön menetelmän mukainen lasersäteen lentoradan ilman lämpötilasta, kosteudesta, paineesta ja muista tekijöistä riippuvan laserinterferometrin pituusmittaustuloksen korjauksen ..2¾ määrittäminen perustuu siihen, että kun ääniaalto etenee samaa matkaa lasersäteen kanssa ilman kautta, jokaisen pisteen, joka sijaitsee ääniaallon kulkumatkalla, hetkellinen lämpötila, : : : kosteus, paine ja kaasupitoisuus vaikuttaa ääniaallon kulkunopeuteen. Nopeus, millä ääniaallot etenevät ilman kautta pitkin lasersäteen lentorataa, on tietyllä tavalla ‘: ’. verrannollinen ko. lentoradan integraaliseen hetkelliseen ilman taitekertoimeen.

:’·3ξ)

Lisäksi keksinnön mukaisen mittauksen etuna on se, että vasteaika on jokaisessa lasersäteen lentoradan pisteessä nolla ja koko lasersäteen lentoradan mittaus kestää sen ajan, mikä kuluu 110209 4 ääniaallon etenemiseen sitä pitkin. Tämä on keksityn menetelmän periaatteellinen ja ylivoimainen etu verrattuna tunnettuihin laserinterferometrin hitaisiin olosuhdemittareihin.

Keksinnön edullisessa sovelluksessa äänen lähettimet ja vastaanottimet sijoitetaan 5 laserinterferometriin tai sen läheisyyteen niin, että lasersäteen ja ääniaaltojen lentoradat ja niiden akselit ovat mahdollisimman lähellä toisiaan ja ääniaallot kulkevat rinnakkaisesti ja symmetrisesti lasersäteeseen nähden. Tällä tavoin vähennetään mittausvirheitä.

Seuraavaksi keksintöä selvitetään tarkemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 10 kuva 1 esittää lohkokaaviota eräästä laitteistosta, jota käytetään keksinnön mukaisen menetelmän soveltamiseen, ja kuvat 2 ja 3 esittävät kaaviomaisesti esitettyinä eräitä sovelluksia laitteistosta menetelmän soveltamiseksi.

Kuvassa 1 on esitetty laserinterferometrin optiikat interferometri (1) ja retroreflektori (2), 15 joista ensimmäiseen (1) kuuluu laservalolähde ja toiseen takapeili (2). Optikoihin on asennettu kiinteästi kotelot, joissa on ääniaaltojen lähettimet/vastaanottimet (4a, 4b, 4c, 4d). Nämä lähettimet/vastaanottimet pystyvät toimimaan käänteisesti, eli yksi ja sama laite voi :': sekä lähettää että vastaanottaa ääniaaltoja. Laitteistoon kuuluu ohjaus- ja laskentayksikkö (9), joka on käytännössä tavallinen mikrotietokone tarvittavine ohjelmistoineen, ilman kosteuden •: ·2Ϊ) mittauslaitteet (6), ilman paineen mittauslaite (7), kaasuanalysaattori (8).

·;*: Laserinterferometrillä (1) on järjestetty lähetettäväksi lasersäde (3) ja lähettimillä (4) ääniaaltoja (5).

Lähettimet/vastaanottimet (4) sijoitetaan pareittain niin, että niiden lähettämien ääniaaltojen ,.2¾ akselit (5) sijoittuvat symmetrisesti lasersäteen (3) ympärille, esimerkiksi ne ovat ylhäällä ja ... * alhaalla, vasemmalla ja oikealla. Parillinen symmetrinen asennus yksinkertaistaa myöhemmät : : : menetelmän mukaiset laskelmat. Lähettimien/vastaanottimien parien lukumäärä voi vaihdella :,,. > keksinnön eri sovelluksissa halutulla tavalla. Kuvissa 2 ja 3 niitä on esimerkiksi 4 tai 6 paria.

• · ·3ξ) Keksinnön mukainen laitteistossa ei lähetin/vastaanottimelle vaadita erityisiä suuntausominaisuuksia, mutta nykyaikaiset lähettimet/vastaanottimet, joiden säteen kulma on vain muutama aste (esim. 5°...8°) tarjoavat paremman häiriösuojan ja toimivat pidemmällä 110209 5 etäisyydellä. Tämä on tärkeää käytännön mittauksissa esimerkiksi tehdasolosuhteissa.

Käytettävää äänen taajuutta ei rajata tiettyyn arvoon, mutta käytännössä parhaat tulokset on saavutettu ultraäänitaajuuksilla esim. 50.. .100 kHz niiden häiriönsietävyyden takia. Kun 5 mitattava etäisyys eli etäisyys interferometrin (1) ja retroreflektorin (2) välillä muuttuu, vastaavasti muuttuu myöskin etäisyys eri puolilla olevien lähettimien/vastaanottimien (4) välillä. Ohjaus- ja laskentayksikkö (9) saa jatkuvasti ja tosiaikaisesti tarkan tiedon mitattavasta etäisyydestä laserinterferometristä (1).

10 Äänennopeuden mittaus suoritetaan samanaikaisesti laserinterferometrillä suoritettavan mittaamisen kanssa. Äänen nopeutta voidaan mitata useilla eri tavoilla, ja seuraavassa esitetään yksi mahdollisista vaihtoehdoista.

Äänen nopeuden mittaus suoritetaan jatkuvasti toistuvina jaksoina, jotka koostuvat 15 seuraavista tapahtumista:

Ohjaus- ja laskentayksikkö (9) lähettää laserinterferometrin puolella olevan lähettimen (4a) . : : kautta ääniaaltojen paketin (keksintö ei rajoita värähtelyjen lukumäärää paketissa, : esimerkiksi 5...20 värähtelyä on sopiva määrä). Nämä ääniaallot (5) etenevät pitkin ': ’250 lasersädettä (3) sen yläpuolella. Tietyn viiveen (joka riippuu laserinterferometrillä mitattavasta etäisyydestä ja ilman ominaisuuksista) jälkeen vastakkaisella puolella oleva ...: vastaanotin (4b) havaitsee ääniaaltojen saapumista ja äänen etenemiseen kulunut aika rekisteröidään ohjaus- ja laskentayksikössä (9). Ohjaus- ja laskentayksikkö (9) lähettää lähettimen (4b) kautta ääniaaltojen paketin takaisin vastaanottimelle (4a). Ääniaallot (5) 1 · 25 etenevät pitkin lasersädettä (3) sen yläpuolella. Tietyn viiveen jälkeen vastaanotin (4a) ·;·’ havaitsee ääniaaltojen (5) saapumisen ja äänen etenemiseen kulunut aika rekisteröidään ,j.: ohjaus- ja laskentayksikössä (9). Äänen etenemisen mittaus kumpaankin suuntaan on edellytys sellaiselle äänennopeuden laskennalle, jossa tuulen vaikutus on eliminoitu täysin ;T: matemaattisin keinoin. Sen jälkeen yllämainitun kanssa samanlainen mittaus suoritetaan :’-3ö symmetrisesti lasersäteeseen (3) nähden olevien vastakkais-lähettimien/vastaanottimien avulla. Toisin sanoen mitataan äänen etenemiseen kuluva aika lähettimestä (4c) vastaanottimelle (4d) ja heti takaisin lähettimestä (4d) vastaanottimelle (4c), jolloin ääniaallot 110209 6 I kulkevat lasersäteen (3) alapuolella. Välittömästi suoritettu symmetrinen mittaaminen vastakkaisilla lasersäteen suunnilla takaa sen, että lasersäteen kulkuradalla (3) äänen etenemiseen laskettu aika vastaa mahdollisimman paljon todellista etenemisen aikaa ja ilman ominaisuuksien erot eli epäsymmetrisyys poikittaissuunnassa lasersäteeseen (3) nähden 5 eliminoidaan.

Sen jälkeen kun yllämainitulla tavalla on äänen etenemisen aika vastakkaisella lähetin/vastaanotinparilla mitattu, tehdään samanlainen mittaus kaikissa muissa lähetin/vastaanotinpareissa. Mikäli käytetään neljää lähetin/vastaanotinparia, tehdään 10 mittaukset seuraavaksi oikealla ja vasemmalla. Lohkokaaviossa on esitetty neljä lähetin/vastaanotinta eli kaksi paria, mutta niiden lukumäärä voi vaihdella eri sovelluksissa halutulla tavalla.

Kun äänen eteneminen molempiin suuntiin on mitattu kaikkien lähetin/vastaanotinparien 15 avulla, j akso toistetaan.

Samanaikaisesti toimitetaan ohjaus- ja laskentayksikköön 9 jatkuvasti reaaliajassa seuraavat . tiedot: » · · · :Y: - laserinterferometrin (1) ilmoittama eli mitattu etäisyyden arvo (tämä arvo saadaan ‘* 20 aikaan käyttäen tunnettu laserinterferometrimittausmenetelmää) ';**·* - erityisen tarkoissa mittauksissa tiedot ilmanpaineesta ilmapaineanturista 7 :,.. · - erityisen tarkoissa mittauksissa tiedot ilman suhteellisesta kosteudesta antureista 6 ! - erityisen tarkoissa mittauksissa tarvitaan tiedot myös ilman kaasujen pitoisuuksista, joten kaasuanalysaattori 8 mittaa hiilidioksidin ja tarvittaessa muiden kaasujen * · » '. .25 pitoisuudet ilmassa.

• » · :: : Yllämainittujen tietojen perusteella ohjaus- ja laskentayksikkö (9) laskee ensin hetkellinen :,,t: äänennopeuden arvon lasersäteen kulkuradalla käyttäen hyväksi laserinterferometrin ilmoittamaa etäisyyden arvoa ja sovelluksesta riippuen tarvittaessa myös muita mitattuja :' -3P arvoja kuten ilman paineen, ilman suhteellisen kosteuden, ilman kaasupitoisuuksien, tuulen ja lämpötilagradientin muutoksien aiheuttamat virheet ja laskee edelleen sen perusteella korjauksen laserinterferometrillä mitattuun alkuperäiseen etäisyyden arvoon koijaten myös 110209 7 laitteiston systemaattiset virheet ja suorittaen tarpeellisen tilastollisen käsittelyn.

Kuvissa 2 ja 3 on esitetty eräitä sovelluksia siitä kuinka ääniaaltojen lähettimet/vastaanottimet (4) on sijoitettu symmetrisesti lasersäteen ympärille. Kotelon (10) 5 keskellä on aukko (11), johon laserinterferometrin optiikka sijoitetaan. Aukko (11) on sellainen, ettei laserinterferometrin optiikan normaali toiminta häiriinny.

Keksintöä ei rajata esitettyihin edullisiin sovelluksiin, vaan se voi vaihdella patenttivaatimusten muodostaman keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

10 M*

t I

* « * · » · * » » · • >

Claims (2)

8 110209

1. Menetelmä laserinterferometrillä (1) tehtävien mittausten tarkkuuden parantamiseksi ja erityisesti pituusmittausten tarkkuuden parantamiseksi, tunnettu siitä, että 5 samanaikaisesti laserinterferometrillä (1) suoritettavan etäisyyden mittaamisen kanssa mitataan myös lasersäteen (3) kanssa samaa matkaa kulkevan äänen (5) nopeutta, käyttäen äänennopeuden laskennassa laserinterferometrillä (1) mitattua tarkkaa etäisyyden arvoa ja tällä tavalla lasketun äänen nopeuden arvon perusteella hyväksi käyttäen äänennopeuden ja laservalon aallonpituuden tiettyä verrannollisuutta keskenään eli tietynlaista riippuvuutta 10 samoista ilman ominaisuuksiin vaikuttavista tekijöistä, lasketaan aikaan saadun äänennopeuden arvon avulla koijaus laserinterferometrin mittauksen, ja erityisesti pituusmittauksen, alkuperäiseen arvoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että äänen 15 lähettimet ja vastaanottimet (4; 4a,4b, 4c, 4d) sijoitetaan laserinterferometrin optiikkoihin eli interferometriin (1) ja retroreflektoriin (2) tai niiden läheisyyteen niin, että lasersäteen (3) ja ääniaaltojen (5) lentoradat ja niiden akselit ovat mahdollisimman lähellä toisiaan ja ääniaallot , :": (5) kulkevat rinnakkaisesti ja symmetrisesti lasersäteeseen (3) nähden. » · » · · * * «« » • * · · · t · « ♦ · 110209