SU1236895A1 - Волоконный интерференционный зонд - Google Patents

Abstract

1.

Description

tc

со о

00

СП Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть исполь зовано дл  работы в составе измерит лей характеристик движени  (скорости , перемещени ), в том числе анемометров , виброметров, датчиков перемещений и т.п. Зонд может найти применение в машиностроении, метрологии , авиационной промьшшенности. гидротехнике. Целью.изобретени   вл етс  расши рение информационных возможностей з счет измерени  двух компонент скоро ти перемещени  объекта. . На фиг,1 изображена схема предло женного волоконного интерференционного зонда; на фиг.2 - одна из возможных схем записи и воспроизведени голограммы; на фиг.З - схема двухкомпонентного анемометра и разрез А-А; на фиг.4 - схема двухкоординат ного датчика перемещений и разрез Б-Б. Волоконный интерференционный зон содержит источник I двухчастотного когерентного излучени , например ионный аргоновый лазер с селекцией двзос длин волн -л, и А.г ИЛИ два раздельных лазера, снабженных оптической системой совмещени  пучков. Источник 1 оптически св зан посредством объектива 2 с волоконным световодом 3 (в общем случае многомодовым). Свободный конец световода 3 жестко сое§инен с фазовым мультипликатором 4, выполненным в виде двух последовательно расположенных скрещенных периодических дифракционных модул торов 5 фазы и корректирующей Фурье-голограммы 6, записанной при последовательной экспозиции каждого модул тора 5 излучением соответствуюпдей спект ральной компоненты. Голограмма 6 может .быть также з-аписана при поспедоБатальной экспозиции двух скрещенных модул торов 5 излучением каждой спект ральной компоненты. При этом во врем  первой экспозиции (излучением с ,) диафрагмируют все поле голограммы , оставл   дифракционные пор дки вдоль одной из осей (фиг.2, слева опорный пучок на фигуре не показан. При второй экспозиции скрещенных модул торов 5 (излучением с длиной волны j, ) диафрагмируют все поле голограммы 6 за исключением дифракционных пор дков вдоль другой оси (фиг.2 в центре), Така  голограмма будет 52 аналогична голограмме, выполненной при последовательной экспозиции каждого из парциальных модул торов 5. Дл  снижени  перекрестных помех во всех случа хпри экспозиции следует диафрагмировать участки голограммы 6, в которых перекрываютс  дифракционные пор дки различных спектральных компонент, например нулевой дифракционный пор док. Фазовый профиль каждого модул тора 5 может быть выбран треугольным. После голограммы 6 на оси первого дифракционного по- р дка помещена собирающа  линза 7. Двухкомпонентный доплеровский анемометр с волоконным интерференционным зондом содержит, кроме того, (фиг.З) объектив 8,оптически св занный с приемным световодом 9. Выходной конец последнего посредством спектрального делител  10 оптически св зан с фотоприемниками 11 и 12 соответственно первого и второго каналов . Фотоприемники 11 и 12 соединены с измерител ми 13 и 14 доплеровских частот, например с частотомерами. Двухкоординатный измеритель перемещений и вибраций кроме волоконного интерференционного зонда содержит ( фиг.4) расположенную в фокусе линзы 7 пару взаимно ортогональных ножевых диафрагм 15 и 16. Кажда  диафрагма 15 и 16 расположена параллельно системе интерференционных полос и выполнена в виде спектрального фильтра либо селективного спектрального зеркала (фиг.4) и жестко св зана с объектом 17 измерений ( например, с иглой звукоснимател ). Далее на оптической оси линзы 7 расположен объектив 8, оптически сопр гающий фокальную плоскость линзы 7 и торец световода 9. Выходной конец последнего посредством спектрального делител  10 оптически св зан с фотоприемниками 11 и 12 соответственно первого и второго каналов, которые, в свою очередь, св заны со счетчиками 18 и 19 интерференционных полос. Волоконный интерференционньм зонд в составе измерительных приборов работает следующим образом. Излучение источника 1, состо щее из двух спектральных компонент с длиной волны А, и X с помощью объектива 2 возбуждает световод 3 и поступает по нему в фазовьш мультипликатор 4, Пучок излучени  на вы3

ходе световода 3 дифрагируют на скрещенных модул торах 5 и в плоскости голограммы 6 формируетс  их общий двумерный пространственный спектр. Из-за дисперсии дифракционные пор дки оказываютс  пространственно разделенными и восстанавливают лишь те области голограммы 6, на которых были предварительно записаны спектры каждого модул тора, причем излучением своей длины волны (фиг.З). При использовании периодических модул торов с треугольным профилем фазового рельефа его пространственный спектр имеет лишь первые пор дки, что позвол ет проводить преобразование волнового фронта с минш-1альными потер ми. Интерференционное поле, примен емое в процессе измерени , формируетс  в направлении первого дифракционного пор дка голограммы 6 в фокальной плоскости линзы 7 и представл ет собой две системы взаимно ортогональных полос, причем кажда  система сформирована излучением отдельной спектральной компоненты . Распределение пол  в каждой системе полос описьшаетс  произведением периодической автокоррел ционной функции пропускани  соответствующего дифракционного модул тора 5 на достаточно гладкую пространственную функцию коррел ции пол  на выходе световода 3 в момент записи и восстановлени  голограммы 6.

При измерении скорости частица потока пересекает со скоростью V область локализации интерференционного пол  (измерительный объем) и рассеивает излучение, интенсивность каждой спектральной компоненты кото36895

рого промодулирована периодической функцией с основной гармоникой на частоте. При использовании модул тоц ра 5 с треугольньп) фазовым профилем в спектре доплеровского сигнала будут отсутствовать высшие гармоники, что повышает точность измерени  скорости . Рассе нное излучение собираетс  объективом 8 и по приемному световоду 9 поступает на спектральный делитель 10. Далее кажда  спектральна  компонента излучени  попадает на . свой фотоприемник 11 или 12. Допле15 ровска  частота модул ции тока фотоприемника в каждом канале определ етс  соответствующим измерителем (частотомером) 13 и 14.

При перемещении объекта 1 7 (фиг. 4)

20 диафрагмы, жестко св занные с ним, перекрывают световой поток, поступающий в приемный световод 9. Причем кажда  диафрагма 15 и 16 пропускает (отражает) излучение своей длины и

25 задерживает (пропускает) оставшеес , Это приводит.к тому, что при перемещении объекта 17, например, в направлении X поток излучени  с длиной волны Л не измен етс , а поток излучени  с длиной волны 7 измен етс  скачком при пересечении краем диафрагмы 15 интерференционной полосы. Счетчики 18 и 19 интерференционных полос в каждом канале определ ют перемещение объекта по двум координатам с точностью до периода интерференцнонной оптической рещетки. Дл  повышени  точности измерени  перемещени  необходимо выбирать модул торы с

40 богатым пространственным спектром, например модул торы с синусоидальным фазовым профилем.

Фаг.

ZIZIT

л/

д/д

Ч 0

Фиг.З

д ;

П W