RU2133450C1 - Method studying movement of object - Google Patents
Method studying movement of object Download PDFInfo
- Publication number
- RU2133450C1 RU2133450C1 RU97114263A RU97114263A RU2133450C1 RU 2133450 C1 RU2133450 C1 RU 2133450C1 RU 97114263 A RU97114263 A RU 97114263A RU 97114263 A RU97114263 A RU 97114263A RU 2133450 C1 RU2133450 C1 RU 2133450C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- movement
- spectral components
- amplitudes
- found
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования движений в микроэлектронике и машиностроении. The invention relates to measuring technique and can be used to study movements in microelectronics and mechanical engineering.
Известен способ бесконтактного измерения колебаний объекта (А.С.СССР N262295. МКИ: G 01 H 9/00), заключающийся в том, что зондируют исследуемый объект ультразвуковыми колебаниями, принимают отраженный от этого объекта модулированный сигнал, смешивают зондирующий и отраженный сигналы, выделяют из суммарного сигнала две соседние допплеровские гармоники, по отношению мощностей этих гармоник определяют амплитуду колебаний, а по разности их частот - частоту колебаний объекта. A known method of non-contact measurement of object vibrations (A.S.SSSR N262295. MKI: G 01 H 9/00), which consists in probing the object under investigation by ultrasonic vibrations, receiving a modulated signal reflected from this object, mixing the probing and reflected signals, and isolating two adjacent Doppler harmonics from the total signal, the amplitude of the oscillations is determined by the ratio of the powers of these harmonics, and the object's oscillation frequency by the difference of their frequencies.
Однако, в способе отсутствует возможность определения любой другой формы движения, кроме синусоидальных колебаний, а также гармоничности колебаний, величины амплитуды второй гармоники и накладываются ограничения на точность измерений амплитуды вибраций в связи с достаточно большой длиной волны. However, in the method it is not possible to determine any other form of motion, except for sinusoidal vibrations, as well as harmonic vibrations, the magnitude of the amplitude of the second harmonic, and limitations are placed on the accuracy of measurements of the amplitude of vibrations in connection with a sufficiently long wavelength.
Известен также способ для определения амплитуды механических колебаний (патент ГДР N276989, МКИ: G 01 H 9/00), заключающийся в том, что линейно поляризованный, монохроматический, когерентный пучок света разлагают на два равных пучка, которые проходят взаимно перпендикулярно. При этом один пучок направляют на механический движущийся с неизвестной амплитудой объект, где он отражается. Второй пучок направляют на неподвижную поверхность, от которой он также отражается. При этом между двумя взаимно перпендикулярными компонентами этих пучков обеспечивают сдвиг фазы на 90o. Оба пучка накладывают один на другой и затем обрабатывают.There is also a method for determining the amplitude of mechanical vibrations (GDR patent N276989, MKI: G 01 H 9/00), which consists in the fact that a linearly polarized, monochromatic, coherent light beam is decomposed into two equal beams that pass mutually perpendicularly. In this case, one beam is sent to a mechanical object moving with an unknown amplitude, where it is reflected. The second beam is directed to a fixed surface, from which it is also reflected. Moreover, between two mutually perpendicular components of these beams provide a phase shift of 90 o . Both beams are laid one on top of the other and then processed.
Однако, с помощью указанного способа невозможно контролировать параметры негармонических вибраций, а также других форм движения. However, using this method it is impossible to control the parameters of inharmonic vibrations, as well as other forms of movement.
Известен также способ определения амплитуды вибраций объекта (Wei Jin, Li Ming Zang, Deepak Uttamchandam, Brian Culshaw, Appl.Opt.,v.30,N31,p. 4496-4499,1991), заключающийся в том, что лазерное излучение направляют в зону колебаний объекта и на опорное зеркало через делитель, из отраженных от них лучей формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и снимают его спектр. В способе предложено находить амплитуды четырех гармоник с частотами, кратными основной частоте колебания исследуемого объекта, с коэффициентом n = 1,2,3,4. Рассчитывают амплитуду колебаний объекта по формуле:
где σ = 4πξ/λ, ξ - амплитуда вибрации исследуемого объекта;
λ - длина волны излучения лазера.There is also a method of determining the amplitude of vibration of an object (Wei Jin, Li Ming Zang, Deepak Uttamchandam, Brian Culshaw, Appl.Opt., V.30, N31, p. 4496-4499,1991), which consists in the fact that the laser radiation is directed into the oscillation zone of the object and the reference mirror through the divider, from the rays reflected from them form an interference pattern, convert it into an electrical signal and take its spectrum. The method proposes to find the amplitudes of four harmonics with frequencies that are multiples of the fundamental vibration frequency of the object under study, with a coefficient n = 1,2,3,4. Calculate the amplitude of the oscillations of the object by the formula:
where σ = 4πξ / λ, ξ is the vibration amplitude of the object under study;
λ is the wavelength of the laser radiation.
Коэффициенты c1, c2, c3, c4 рассчитывают, исходя из синтеза разложений сигнала на выходе измерительной системы в ряды Фурье и Бесселя. Коэффициенты cn могут иметь как положительное, так и отрицательное значение.The coefficients c 1 , c 2 , c 3 , c 4 are calculated based on the synthesis of the decompositions of the signal at the output of the measuring system in the Fourier and Bessel series. Coefficients c n can have both positive and negative values.
Однако, область применения указанного способа ограничена гармоническими колебаниями. However, the scope of this method is limited by harmonic oscillations.
Известен способ измерения амплитуды гармонических колебаний (H.A.Defferari, R. A. Darby, F. A.Andrews, J.Acoust. Soc. Am., v.42, N5,p.982-990, 1967), заключающийся в том, что из излучения, отраженного от объектов с заданной и искомой амплитудами вибраций, формируют интерференционные картины, преобразуют их в электрические сигналы, снимают характеристики полученных сигналов, сравнивая которые, судят об амплитуде колебаний исследуемого объекта. A known method of measuring the amplitude of harmonic oscillations (HADefferari, RA Darby, FAAndrews, J. Acoust. Soc. Am., V.42, N5, p.982-990, 1967), which consists in the fact that the radiation reflected from objects with a given and desired vibration amplitudes, form interference patterns, convert them into electrical signals, take the characteristics of the received signals, comparing them, they judge the amplitude of the studied object.
Однако, данный способ характеризуется ограниченным диапазоном измеряемых значений (до λ/2, λ - длина волны излучения лазера) и предназначен для определения амплитуды только гармонических колебаний. However, this method is characterized by a limited range of measured values (up to λ / 2, λ is the laser radiation wavelength) and is intended to determine the amplitude of only harmonic vibrations.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ исследования гармонических колебаний (патент России N2060475, МКИ: G 01 H 9/00), заключающийся в том, что формируют интерференционный сигнал от исследуемого объекта и преобразуют его в электрический сигнал, снимают характеристики сигнала и судят по ним об амплитуде колебаний исследуемого объекта. Closest to the proposed invention is a method for the study of harmonic oscillations (Russian patent N2060475, MKI: G 01 H 9/00), which consists in generating an interference signal from the object under study and converting it into an electrical signal, taking the signal characteristics and judging them about the amplitude of oscillations of the investigated object.
Однако, область применения данного способа ограничена гармоническими колебаниями. However, the scope of this method is limited by harmonic oscillations.
Задача настоящего изобретения - расширение диапазона измеряемых значений при повышении точности измерений. The objective of the present invention is to expand the range of measured values while increasing the accuracy of measurements.
Поставленная задача решается тем, что в способе исследования движения объекта, включающем облучение исследуемого объекта когерентным излучением с длиной волны λ, формирование интерференционных сигналов, преобразование их в электрический сигналы, снятие спектральных характеристик сигналов, по которым определяют параметры движения, разделяют когерентное излучение на два луча, первый и второй, увеличивают оптическую длину пути второго луча на (2n-1)λ/4, n = 1,2,3,.., формируют интерференционные сигналы от обоих лучей, преобразуют их в электрические сигналы, дифференцируют электрический сигнал первого или второго луча, находят сигнал, равный отношению продифференцированного электрического сигнала одного луча к электрическому сигналу от другого луча, снимают спектральную характеристику найденного сигнала, амплитуды спектральных составляющих движения исследуемого объекта определяют из соотношения
где c′(ν) - амплитуды спектральных составляющих найденного сигнала на частотах ν.
Кроме того, способ позволяет определить не только амплитуды спектральных составляющих движения исследуемого объекта, но и получить форму (траекторию) движения объекта. Для этого дополнительно проводят обратное преобразование Фурье для полученных значений амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта. Кроме того, в случае дифференцирования электрического сигнала первого луча и n - четного или в случае дифференцирования электрического сигнала второго луча и n - нечетного необходимо предварительно осуществить операцию инвертирования.The problem is solved in that in a method for studying the movement of an object, including irradiating the investigated object with coherent radiation with a wavelength of λ, the formation of interference signals, converting them into electrical signals, taking the spectral characteristics of the signals by which the motion parameters are determined, divide the coherent radiation into two beams , the first and second, increase the optical path length of the second beam by (2n-1) λ / 4, n = 1,2,3, .., form interference signals from both beams, convert them to electrical signals, differentiate the electric signal of the first or second beam, find a signal equal to the ratio of the differentiated electric signal of one beam to the electric signal from another beam, take the spectral characteristic of the found signal, the amplitudes of the spectral components of the motion of the object under study are determined from the relation
where c ′ (ν) are the amplitudes of the spectral components of the found signal at frequencies ν.
In addition, the method allows to determine not only the amplitudes of the spectral components of the motion of the investigated object, but also to obtain the shape (trajectory) of the movement of the object. For this, an inverse Fourier transform is additionally carried out for the obtained values of the amplitudes of the spectral components of the motion of the object under study. In addition, in the case of differentiation of the electric signal of the first beam and n - even, or in the case of differentiation of the electric signal of the second beam and n - odd, it is necessary to carry out the inversion operation first.
Инвертирование проводят на разных стадиях способа, и в качестве объекта инвертирования выбирают: продифференцированный электрический сигнал после его снятия или найденный сигнал до снятия его спектральной характеристики или спектральную характеристику найденного сигнала после ее снятия или значения амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта после их определения. Inversion is carried out at different stages of the method, and the object of inversion is chosen: a differentiated electric signal after it is taken or a found signal before taking its spectral characteristic or spectral characteristic of the found signal after it is taken or the amplitudes of the spectral components of the motion of the studied object after their determination.
Оригинальность предлагаемого решения заключается в том, что измеряют два электрических сигнала, одновременно снимаемых с выхода измерительной системы (с фотоприемников), которые соответствуют двум интерференционным сигналам от исследуемого объекта, в один из которых введена определенная фазовая задержка; создают новый сигнал из отношения одного продифференцированного сигнала к величине другого, особым образом по спектру нового сигнала определяют спектр исходной функции, характеризующей движение объекта, и получают ее. Таким образом, предложенный способ позволяет получить полезную информацию для более широкого класса движений объекта, не прибегая к значительному усложнению экспериментальной части способа. Подобная совокупность действий, удачно сочетающая в себе экспериментальную и расчетную части, влекущая возможность контролировать параметры движения объекта, не известна. The originality of the proposed solution lies in the fact that two electrical signals are measured simultaneously taken from the output of the measuring system (from photodetectors), which correspond to two interference signals from the object under study, one of which has a certain phase delay; they create a new signal from the ratio of one differentiated signal to the value of another, in a special way, from the spectrum of the new signal, determine the spectrum of the original function that characterizes the movement of the object, and get it. Thus, the proposed method allows to obtain useful information for a wider class of object movements, without resorting to a significant complication of the experimental part of the method. A similar set of actions, successfully combining the experimental and calculated parts, entailing the ability to control the motion parameters of the object, is not known.
Изобретение поясняется с помощью чертежей фиг. 1 - фиг. 8, а также таблицы 1. На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ, где
1 - лазер,
2 - зеркало,
3 - полупрозрачное зеркало, делящее излучение на опорную и предметную волны,
4 - устройство задержки части предметной волны (специальная стеклянная пластинка),
5 - исследуемый объект,
6 - пьезокерамическая пластинка,
7 - звуковой генератор,
8 и 9 - фотоприемники,
10 и 11 - усилители,
12 - ЭВМ,
13 и 14 - аналого-цифровые преобразователи,
15 - дифференциатор,
16 - делитель сигналов,
17 - спектроанализатор,
18 - делитель сигналов.The invention is illustrated using the drawings of FIG. 1 - FIG. 8, as well as tables 1. In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements a method where
1 - laser
2 - mirror
3 - a translucent mirror dividing the radiation into reference and objective waves,
4 - device for delaying part of the object wave (a special glass plate),
5 - the investigated object,
6 - piezoceramic plate,
7 - sound generator,
8 and 9 are photodetectors,
10 and 11 are amplifiers,
12 - computer
13 and 14 are analog-to-digital converters,
15 - differentiator,
16 - signal divider
17 - spectrum analyzer,
18 - signal divider.
На фиг. 2 представлен интерференционный сигнал, преобразованный в электрическую форму, от луча, распространяющегося без задержки, первого луча; а на фиг. 3 - интерференционный сигнал, преобразованный в электрическую форму, от луча, распространяющегося с задержкой, второго луча; на фиг. 4 показана производная электрического сигнала первого луча; на фиг. 5 приведена форма нового сигнала, построенного по отношению производной электрического сигнала первого луча к значению электрического сигнала второго луча; на фиг. 6 представлен спектр нового сигнала, а на фиг. 7 - спектр неизвестной функции движения объекта; на фиг. 8 показана восстановленная функция движения объекта, в таблице 1 приведены значения определенных амплитуд спектральных составляющих движения исследуемого объекта. In FIG. 2 shows an interference signal converted to electrical form from a beam propagating without delay of a first beam; and in FIG. 3 - interference signal, converted into electrical form, from a beam propagating with a delay, the second beam; in FIG. 4 shows the derivative of the electrical signal of the first beam; in FIG. 5 shows the shape of a new signal constructed in relation to the derivative of the electric signal of the first beam to the value of the electric signal of the second beam; in FIG. 6 shows a spectrum of a new signal, and FIG. 7 - spectrum of an unknown function of the object; in FIG. Figure 8 shows the restored function of the object’s movement, Table 1 shows the values of the determined amplitudes of the spectral components of the motion of the object under study.
Заявляемый способ заключается в следующем: когерентное излучение от лазера 1 с длиной волны λ направляют на полупрозрачное зеркало 3 и делят на опорную и предметную волны для формирования интерференционных сигналов; опорную волну, отраженную от зеркала 2, направляют к фотоприемникам 8 и 9; предметную волну направляют на исследуемый объект 5, часть предметной волны перекрывают специальной стеклянной пластинкой 4, обеспечивающей увеличение оптического пути луча на (2n-1)λ/4, n = 1, 2, 3,.., при прохождении части предметного луча к исследуемому объекту 5 и обратно на полупрозрачное зеркало 3, которое отражает этот луч (II луч) к фотоприемнику 9. Другую половину предметной волны без задержки направляют на объект 5 и после отражения от объекта эту волну направляют полупрозрачным зеркалом 3 на фотоприемник 8 (I луч). Эти предметные лучи вместе с опорным лучом создают интерференционные картины, которые регистрируют фотоприемниками 8 и 9. С выхода фотоприемников снимают два напряжения
(1)
(2)
где θ - стационарный набег фазы в интерференционной системе,
t - время, f(t) - функция, описывающая продольное движение объекта.The inventive method consists in the following: coherent radiation from a
(1)
(2)
where θ is the stationary phase incursion in the interference system,
t is time, f (t) is a function that describes the longitudinal movement of an object.
Эти напряжения затем усиливают усилителями 10 и 11 и преобразуют в цифровую форму аналого-цифровыми преобразователями 13 и 14 для последующей обработки на ЭВМ 12. These voltages are then amplified by amplifiers 10 and 11 and converted into digital form by analog-to-digital converters 13 and 14 for subsequent processing on a computer 12.
Дифференцируют первый сигнал дифференциатором 15 и определяют сигнал на его выходе, который можно представить в виде
(3)
в случае записи неизвестной функции движения объекта f(t) в виде интеграла Фурье
(4)
Находят сигнал на выходе делителя сигналов 16 S(t)
(5)
где (6)
Находят спектр сигнала S(t) с делителя 16 и определяют его спектр с помощью спектроанализатора 17, реализованного на основе быстрого преобразования Фурье в ЭВМ. Определяют спектр функции движения объекта с помощью делителя сигналов 18, реализующего формулу (7).Differentiate the first signal by differentiator 15 and determine the signal at its output, which can be represented as
(3)
in the case of writing an unknown object motion function f (t) in the form of the Fourier integral
(4)
Find the signal at the output of the signal splitter 16 S (t)
(5)
Where (6)
Find the spectrum of the signal S (t) from the divider 16 and determine its spectrum using a spectrum analyzer 17, implemented on the basis of a fast Fourier transform in a computer. The spectrum of the object’s motion function is determined using a signal divider 18 that implements formula (7).
(7)
Вариант дифференцирования сигнала второго луча аналогичен рассмотренному выше. (7)
The option of differentiating the signal of the second beam is similar to that considered above.
Таким образом, определяют значения амплитуд спектральных составляющих движения объекта. По этим амплитудам судят о характере движения объекта. Thus, the amplitudes of the spectral components of the object’s motion are determined. These amplitudes judge the nature of the movement of the object.
Способ позволяет кроме амплитуд спектральных составляющих движения объекта точно определить форму (траекторию) движения объекта. Для этого дополнительно проводят обратное преобразование Фурье для полученных значений амплитуд спектральных составляющих. Кроме того, в случае дифференцирования первого сигнала и n - четного или в случае дифференцирования второго сигнала и n - нечетного необходимо инвертирование. Причем его можно осуществить на разных стадиях способа, а именно: после снятия продифференцированного сигнала с дифференциатора 15 его инвертируют или инвертируют найденный сигнал после получения его с делителя 16. Можно также инвертировать значения спектральных характеристик найденного сигнала, снятых со спектроанализатора 17, или инвертировать амплитуду спектральных составляющих движения объекта после делителя 18. The method allows in addition to the amplitudes of the spectral components of the movement of the object to accurately determine the shape (trajectory) of the movement of the object. For this, an inverse Fourier transform is additionally carried out for the obtained values of the amplitudes of the spectral components. In addition, in the case of differentiation of the first signal and n - even, or in the case of differentiation of the second signal and n - odd, inversion is necessary. Moreover, it can be carried out at different stages of the method, namely: after removing the differentiated signal from the differentiator 15, it is inverted or inverted by the found signal after receiving it from the divider 16. You can also invert the values of the spectral characteristics of the found signal taken from the spectrum analyzer 17, or invert the amplitude of the spectral components of the movement of the object after the divider 18.
Инвертирование в необходимых случаях позволяет получить точную форму (траекторию) движения объекта с учетом направления движения (приближение или удаление). Inverting, if necessary, allows you to get the exact shape (trajectory) of the movement of the object, taking into account the direction of movement (approximation or removal).
Пример. В качестве исследуемого объекта было использовано зеркало, специальным образом закрепленное на пьезокерамической пластинке 6, движение пластинки и зеркала возбуждалось звуковым генератором 7 (ГЗ-56/1). В качестве источника излучения использовался He-Ne лазер (ЛГН-113) с длиной волны 6328 A. Интерференционные сигналы регистрировались фотоприемниками 8 и 9 типа ФД-265, а затем усиливались усилителями низкой частоты 10 и 11 У4-28 и направлялись на аналого-цифровой преобразователь с двумя каналами 13 и 14, расположенный в ЭВМ. Example. As the object under study, a mirror was used, specially mounted on a
Процесс восстановления неизвестной функции движения объекта иллюстрируется фиг. 2 - фиг. 8. Значения восстановленных амплитуд спектральных составляющих ξ неизвестной функции, определенные по формуле (7), приведены в таблице 1. Форма восстановленного сложного движения объекта приведена на фиг. 8. The process of recovering an unknown function of the object’s movement is illustrated in FIG. 2 - FIG. 8. The values of the reconstructed amplitudes of the spectral components ξ of the unknown function, determined by formula (7), are shown in Table 1. The shape of the reconstructed complex motion of the object is shown in FIG. eight.
Claims (5)
где c′(ν) - амплитуды спектральных составляющих найденного сигнала на частотах ν,
по полученному спектру судят о характере движения объекта.1. A method for studying the motion of an object, which consists in irradiating the studied object with coherent radiation with a wavelength λ, forming interference signals, converting them into electrical signals and determining motion parameters, characterized in that the coherent radiation is divided into two beams - the first and second, while the optical path length of the second beam is increased by (2n-1) λ / 4, where n = 1, 2, 3 ..., interference signals are generated from both beams, which are converted into electrical signals, differentiate the electric si drove the first or second beam, find a signal equal to the ratio of the differentiated electric signal from one beam to the electric signal from another beam, take the spectral characteristic of the found signal, the amplitudes of the spectral components of the motion of the object under study are determined from the relation
where c ′ (ν) are the amplitudes of the spectral components of the found signal at frequencies ν,
the obtained spectrum judges the nature of the movement of the object.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97114263A RU2133450C1 (en) | 1997-08-20 | 1997-08-20 | Method studying movement of object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97114263A RU2133450C1 (en) | 1997-08-20 | 1997-08-20 | Method studying movement of object |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97114263A RU97114263A (en) | 1999-06-20 |
RU2133450C1 true RU2133450C1 (en) | 1999-07-20 |
Family
ID=20196530
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97114263A RU2133450C1 (en) | 1997-08-20 | 1997-08-20 | Method studying movement of object |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2133450C1 (en) |
-
1997
- 1997-08-20 RU RU97114263A patent/RU2133450C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Higgins et al. | Optical interferometric visualization and computerized reconstruction of ultrasonic fields | |
RU2133450C1 (en) | Method studying movement of object | |
RU2658112C1 (en) | Method of measurement of displacement | |
Nakano et al. | Visualization of 50 MHz surface acoustic wave propagation using stroboscopic phase-shift interferometry | |
RU2098776C1 (en) | Method studying periodic vibrations | |
JPS6051643B2 (en) | Method and device for detecting work piece surface deformation | |
JPH06186337A (en) | Laser distance measuring equipment | |
Cohen et al. | Focusing of microwave acoustic beams | |
Jansson | An investigation of a violin by laser speckle interferometry and acoustical measurements | |
RU2247395C1 (en) | Method of measuring velocity of object | |
US5042302A (en) | Phase-accurate imaging and measuring of elastic wave fields with a laser probe | |
JPH0749922B2 (en) | Optical measuring device | |
JP2003222616A (en) | Thin film-evaluating apparatus due to beat light resonance | |
RU2097710C1 (en) | Process of study of vibrations | |
Ben-Yosef et al. | Measurement and analysis of mechanical vibrations by means of optical heterodyning techniques | |
JPS6469922A (en) | Non-contact micro-vibration measuring apparatus | |
Jacobs et al. | Transfer functions for acoustic emission transducers using laser interferometry | |
CN114018825B (en) | High-precision photorefractive crystal interference nondestructive flaw detection equipment and method | |
Huang et al. | Measurement of material anisotropy by dual-probe laser interferometer | |
RU2208769C1 (en) | Vibration amplitude determination method | |
RU2258462C1 (en) | Method for measuring the amplitude of tympanic membrane fluctuations | |
SU994911A1 (en) | Method of ultrasonic measuring of moving object thickness | |
Hisada et al. | Visualization and measurements of sound pressure distribution of ultrasonic wave by stroboscopic real-time holographic interferometry | |
SU1732291A1 (en) | Method of surface wave phase velocity measuring | |
SU624157A1 (en) | Method of determining velocity of propagation of surface acoustic waves |