Исследование оптоэлектронных дифракционных измерителей перемещений и колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Соколов, Юрий Михайлович

• Соколов, Юрий Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Соколов, Юрий Михайлович

Введение.

Глава 1. Обзор литературы по измерениям перемещений и колебаний.

1.1. Введение.

1.2. Оптические методы измерения перемещений.

1.2Л. Оптические мостовые схемы.

1.2.2. Интерферометрические датчики.

1.2.3. Голографические датчики.

1.2.4. Муаровые (растровые) датчики.

1.2.5. Волоконно-оптические датчики.

1.2.6. Акустооптические датчики.

1.2.7. Оптоэлектронный датчик угловых перемещений.

Глава 2. Теоретический анализ зависимостей интенсивностей дифракционных порядков в системе из двух фазовых дифракционных решеток.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Теоретический анализ дифракции в измерительной схеме из двух фазовых дифракционных решеток.

2.3. Анализ зависимостей интенсивностей первых дифракционных порядков от параметров системы.

2.3.1. Сопряжение линейных участков зависимостей /±1 (х) с противоположным наклоном.

2.4. Вывод формул, описывающих зависимости интенсивности нулевого дифракционного порядка от параметров системы.

2.5. Компьютерный расчет формы зависимости интенсивности нулевого порядка и нахождение областей линейности.

2.5.1. Анализ зависимостей 10(х/А) при отклонении параметра L от оптимальных значений.

2.5.2. Периодичность зависимостей 10(х/А) от параметра L.

2.6. Исследование вопроса о сопряжении линейных участков нулевого и первых дифракционных порядков.

2.6.1. Результаты анализа в интервале L е (0, я/4).

2.6.2. Результаты анализа в интервале L е (я/4, я/2).

2.6.3. Анализ сопряжения линейных участков с полным перекрытием области измерений.

2.7. Учет ограниченности оптического пучка.

2.7.1. Методика анализа сигнала в нулевом порядке с учетом ограниченности падающего пучка.

2.7.2. Методика расчета весовых коэффициентов.

2.7.3. Определение критерия практического применения.

2.7.4. Методика анализа сигнала в первых порядках с учетом ограниченности падающего пучка.

2.7.5. Расчет характеристик 10(х) и 1±](х) с учетом влияния ограниченности пучка.

2.8. Анализ влияния отклонений формы решеток от идеального меандра на характеристики системы.

Глава 3. Экспериментальное исследование схемы из двух фазовых дифракционных решеток и датчиков на ее основе.

3.1. Введение.

3.2. Датчик малых угловых и линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток.

3.2.1. Устройство датчика. Основные расчетные соотношения.

3.2.2. Экспериментальный макет измерителя малых перемещений.

3.2.3. Расчет чувствительности датчика.

3.2.4. Результаты экспериментальных испытаний макета профило-метра.

3.3. Оптоэлектронный датчик для измерения угловых колебаний конструкций.

3.3.1. Устройство и физический принцип работы.

3.3.2. Сравнение методов измерений угловых колебаний с применением блока-сенсора и ножевой диафрагмы.

3.3.3. Экспериментальное исследование статических характеристик и калибровка датчиков.

3.3.4. Результаты измерений колебаний конструкции.

Глава 4. Измерители малых линейных перемещений на основе схемы оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн

ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР).

4.1. Схемы измерителей и принцип работы.

4.2. Анализ схемы измерителя малых перемещений.

4.3. Анализ основных погрешностей измерения.

4.4. Анализ влияния отражений ПАВ на измерения малых перемещений.

4.5. Экспериментальное исследование влияний отражений на измерения малых перемещений по фазовым измерениям.

4.6. Исследование зависимости коэффициента отражения от частоты при отражении от края подложки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптоэлектронных дифракционных измерителей перемещений и колебаний»

В настоящее время в связи с развитием прецизионных и нанометриче-ских технологий значительно увеличилось количество исследований измерений малых перемещений и колебаний с высокой точностью в субмикрометро-вом и нанометровом диапазонах. Определение малых перемещений объектов является важной функцией современных прецизионных автоматизированных систем. Датчики малых перемещений и колебаний широко применяются в таких областях как робототехника, строительство, машиностроение, производство печатных плат, промышленная техника измерения и регулирования, приборостроение и многих других областях науки и техники.

Среди существующих методов измерений малых перемещений и колебаний важное место занимают оптоэлектронные методы, основанные на различных физических явлениях, таких как интерференция, дифракция, рассеяние света. В современной литературе описано множество различных оптических и оптоэлектронных измерительных систем малых перемещений и колебаний [1-8], среди которых выделяются интерференционные [9-15], гологра-фические [16, 17], дифракционные [25-27] и муаровые датчики [5, 6, 22]. Основным достоинством оптических датчиков малых перемещений и колебаний является высокая точность измерений. Кроме того, оптические датчики малых перемещений и колебаний нечувствительны к паразитным магнитным и электростатическим помехам, а некоторые из них достаточно просты в изготовлении.

В настоящей работе исследуются оптоэлектронные схемы измерения малых перемещений и колебаний, основанных на двойной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке в виде меандра. Такие схемы исследовались ранее в целом ряде работ [23-27]. Так, например, ранее в 80-х годах на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов проводились исследования дифракционных и акустооптических измерителей малых линейных перемещений и колебаний [25-27, 31, 36]. В настоящей работе удалось выдвинуть ряд новых предложений и идей по усовершенствованию датчиков дифракционных и акустооптических типов.

В диссертации будут рассмотрены новые, усовершенствованные измерительные устройства малых перемещений и колебаний, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с датчиками, описанными ранее. В частности, будут рассмотрены новые варианты датчиков малых угловых и линейных перемещений и макет профилометра для измерения неровностей поверхности на основе усовершенствованного интегрального блока из двух решеток (патенты [51, 52]).

Теоретическое исследование предыдущих вариантов датчиков на фазовых дифракционных решетках проводилось приближенно, на основе полученных аналитических формул без значительных компьютерных расчетов. Схема с использованием нулевого порядка дифракции практически не применялась. С появлением современных компьютерных программ для расчета характеристик становится возможным детально анализировать зависимости интенсивностей дифракционных порядков и исследовать их линейность при различных параметрах системы. Компьютерные расчеты дают возможность строить различные математические модели и исследовать зависимости, описывающиеся сложными математическими формулами. Например, с помощью математических моделей удается проанализировать влияние отклонения формы решеток от идеального меандра и влияние расходимости пучка на рабочие характеристики системы.

Наряду с дифракционными датчиками в диссертации рассматриваются измерительные устройства и датчики на основе применения метода оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР). Метод 03 ПАВ с ОДР был предложен и разработан на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов [28-34]. На основе этого метода были разработаны различные варианты датчиков перемещений, обладающих чувствительностью порядка десятых долей нанометра, и построены профилометры с высокой разрешающей способностью [36]. Однако в этих работах не было глубоко проанализировано влияния вторичных переотражений, которые искажают результаты измерений перемещений. Характерным примером вторичных волн является так называемая волна трехкратного прохождения, которая образуется в результате переотражения от возбудителя ПАВ [34]. Эта волна складывается с прямой волной в некоторой фазе, которая зависит от частоты, поэтому результаты измерений содержат дополнительные ошибки за счет влияния этой, так называемой, «трехпроходной» волны. Поэтому одной из основных задач работы является нахождение условий, при которых ошибки измерений минимальны или находятся в допустимых пределах.

Таким образом, в настоящей диссертации ставится задача усовершенствования и более детального исследования измерительных систем малых перемещений и колебаний, построенных на основе фазовых дифракционных решеток и ПАВ.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

- Изучить различные методы измерений малых перемещений, их достоинства и недостатки;

- Провести теоретический анализ системы из двух фазовых дифракционных решеток, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и определить оптимальные параметры схемы, необходимые для получения максимальных значений протяженности участка линейности датчика и уровня выходного сигнала, регистрирующего малые перемещения;

- Изготовить образцы новых датчиков, отработать методику измерений и провести экспериментальные измерения малых перемещений;

- Рассмотреть однолучевую и двухлучевую схемы измерений малых линейных перемещений на основе оптического зондирования ПАВ с ОДР и проанализировать основные ошибки измерений.

Дальнейшее изложение материала диссертации строится по следующему плану.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Соколов, Юрий Михайлович, 2007 год

1. Фрайден. Дж. Современные датчики. Справочник. М. Техносфера. 2005. 588с.

2. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. М. Мир. 1989. 196с.

3. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М. Энергоатомиздат. 1989. 272с.

4. Власов. Ю.Н. Обзор оптических методов и средств измерений параметров вибраций. Обзор № 140. М. 1982.

5. Преснухин J1.H., Шаньгин В.Ф., Шаталов Ю.А. Муаровые растровые датчики положения и их применение. М. Машиностроение. 1974. 376с.

6. Пилипович В.А. и др. Многоэлементные фотоприемники в преобразователях перемещений. Минск. Наука и техника. 1991. 182с.

7. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера. М. Машиностроение. 1986. 272с.

8. Застрогин Ю.Ф. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования. М. Машиностроение. 1995. 315с.

9. Кирьянов В.П., Коронкевич В.П. Лазерные интерферометры перемещений. // Автометрия. 1998. №6. С. 65-84.

10. Ведерников В.М., Кирьянов В.П. Лазерно-интерферометрические системы в промышленных измерениях. // Автометрия. 1998. №6. С. 85-92.

11. Кирьянов В .П., Ленкова Г.А., Лохматов А.И., Тарасов Г.Г. Лазерный интерферометр линейных и угловых перемещений. // Автометрия. 1994. №4. С. 61-65.

12. Шестаков Н.П., Шабанов В.Ф. Интерференционные измерения перепадов микрорельефа. //Автометрия. 1999. №5. С.34-40.

13. Борыняк Л.А., Краснопевцев Е.А., Логинов А.В., Штыгашев А.А. Точность определения перемещений в голографических интерферометрах. // Автометрия. 1992. №6. С. 62-74.

14. Гуров И.П., Ган Ли. Интерферометрические методы и устройства контроля смещений негладких поверхностей. // Оптика и спектроскопия. 1998. №1. Т.84. С.129-145.

15. Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Результаты экспериментальных исследований интерференционного измерителя малых перемещений. // Измерительная техника. 2006. №5. С. 23-25.

16. Турухано Б.Г., Турухано Н. Голографические системы для измерения линейных перемещений и фазовых сдвигов. // Материалы III Всесоюзной школы по голографии. ЛИЯФ. 1971. С.213-233.

17. Турухано Б.Г., Турухано Н. Фотоэлектрические преобразователи линейных перемещений на базе голографических решеток. // Оптический журнал. 2002. №8. Т.69. С.69-73.

18. Kato Н., Kojima М., Gattoh М., Okumura Y. and Morinaga S. Photoelectric inclination sensor and its application to the measurement of the shapes of 3D objects. // IEEE Trans.lustrum. Meas. 40 (6). 1991.1021-1026.

19. Поташников A.K., Финогенов Л.В. Измерение угловых перемещений с помощью многоэлементного фотоприемника. // Автометрия. 1997. №5. С. 7075.

20. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк А.В. Адаптивный волоконно-оптический преобразователь абсолютного углового положения. // Измерительная техника. 2006. №4. С. 41-45.

21. Mitchell G.L. Intensity-based and Fabry-Perot interferometer sensors in fiber Optic Sensors. An Introduction for Engineers and Scientists. // E Udd. John Willey&Sons. New York. 1991. Chap.6.

22. Spillman W.B. Ir-multimode fibre-optic hydrophone based on a Shlieren technique.//Opt. 20. 1981.P.465.

23. Ниибизи Альфонсо, Комоцкий В.А. Теоретический анализ взаимодействия оптической волны с системой пространственно разделенных периодических решеток. Москва. ВИНИТИ. 1985. 33с. № 661-В86.

24. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Теоретический анализ дифракции гауссова оптического пучка на системе из двух дифракционных решеток. Москва. Оптика и спектроскопия. 1987. Вып.2. С.409-415.

25. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Дифракционный измеритель малых перемещений и вибраций. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразру-шающего контроля». // Могилев. 1989. Часть И. С.99-100.

26. Ниибизи Альфонсо, Комоцкий В.А. Характеристики оптической схемы из двух дифракционных решеток при измерении вибраций. // Москва. ВИНИТИ. 1988. № 9096-В88.

27. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Бесконтактный дифракционный метод измерения угловых смещений и вибраций отражающих поверхностей. Москва. Оптика и спектроскопия. 1992. Т.72. Вып. 2. С.479-486.

28. Adler R., Korpel A. Acoustic surface displacements on a wedge shaped transducer using an optical probe technique.-IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics. // 1968. V.SU. 15. №. 3. P. 186-189.

29. Бессонов А.Ф., Дерюгин JI.H., Комоцкий B.A. Измерение фазовых распределений поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с опорной решеткой. // Автометрия. 1982г. №. 5. С.92-95.

30. Komotskii V.A., Black T.D. Analysis and application of stationary reference grating method for optical detection of surface acoustic waves // J. Appl. Phys. Jan., 1981. V.52. №.1. P. 129-136.

31. Абейнаяке Х.Т., Комоцкий В.А. Измерение отражений поверхностных акустических волн с использованием метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. // Автометрия. 1987. №.6. С.52-55.

32. Окот С.М. Исследование отражений поверхностных акустических волн с применением метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук // Москва. 2005.

33. Комоцкий В.А., Окот С.М. Характеристики отражения ПАВ от края подложки, измеренные методом лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой // Вестник РУДН. Серия Физика. 2004. №11(1).

34. Кащенко Н.М., Комоцкий В.А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа дифракционных порядков // Вестник РУДН. Серия Физика. 1999. №.7. Вып. 1. С. 55-65.

35. Бессонов А.Ф., Дерюгин Л.Н., Комоцкий В.А., Котюков М.В. Измерение линейных и угловых перемещений на основе использования схемы оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой // Автометрия. 1985. №2. С.57-61.

36. Комоцкий В.А. Применение методов пространственно-частотного анализа для решения некоторых задач когерентной оптики. Учеб. пособие. // Москва. Изд-во РУДН. 1994. 74 с.

37. Кольер. Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. // Москва. Мир. 1973. 686с.

38. Градштейн И.С. и Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм рядов и произведений. // Москва. Изд-во Физматгиз. 1963.

39. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. // М. Наука. 1967.

40. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7. Под ред. Бутырина П.А. // М. ДМК Пресс. 2005. 264с.

41. В.А Комоцкий, Ю.М. Соколов. Датчик дифракционного типа для измерения угловых колебаний конструкций. // Официальные материалы научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». М. 2006. С. 100-101.

42. Комоцкий В.А, Соколов Ю.М. Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные решетки. // Вестник РУДН. Серия Физико-математические науки. М. Издательство РУДН. 2006. №1. С. 90-95.

43. Комоцкий В.А., Корольков В.А., Соколов Ю.М. Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток. // Автометрия. Новосибирск. 2006г. Т.42. № 6. С. 105-112.

44. Комоцкий В.А., Корольков В.И. Устройство для измерения малых линейных перемещений. Патент № 2277695 РФ (приоритет от 06.12.2004 по заявке №2004135369/28(038476)).

45. Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. Оптоэлектронное устройство для измерения угловых колебаний конструкций. Патент на полезную модель (приоритет от 23.05.2006 по заявке №2006117556).