1. Постановка задачи

Развитие микро- и нанометрических технологий предъявляет весьма жесткие требования к точности измерения перемещений узлов механизмов, машин и приборов и требует создания новых типов датчиков перемещений, имеющих невысокую цену, небольшие размеры и обладающих высокой разрешающей способностью и точностью. Датчики и измерители малых перемещений и колебаний являются составными частями многих современных прецизионных автоматизированных и измерительных устройств, используются при производстве специализированных станков и научных приборов, 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. Эти датчики нечувствительны к паразитным магнитным и электростатическим помехам, а некоторые из них достаточно просты в изготовлении.

В настоящей работе представлены результаты исследования оптоэлектронных датчиков малых перемещений и колебаний, основанных на последовательной двукратной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке в виде меандра. Датчики и измерительные схемы этого типа продолжительное время разрабатывались и исследовались на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов [1-5]. Применение виртуальных приборов LabVIEW, инструментов и технологий National Instruments существенно упростили сопряжение разработанных датчиков с измерительными компьютерными системами и таким образом позволили использовать широкие возможности современных компьютерных технологий.

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

Основным элементом конструкции датчика [6] является стеклянный блок-параллелепипед с показателем преломления n, на гранях которого размещены две фазовые дифракционные решетки Р₁ и Р₂ с одинаковым периодом и профилем в виде меандра (см. рис.1). Датчик просвечивается коллимированным оптическим лазерным пучком света. При просвечивании датчика происходит последовательная дифракция оптического пучка на системе из двух решеток. С помощью пространственных фильтров в дифракционной картине выделяют нулевой и первые порядки дифракции, интенсивность излучения в которых регистрируют фотоприемниками. При повороте блока относительно оси вращения на небольшой угол δα происходит эквивалентное смещение решеток в противоположных направлениях. При этом наблюдается периодическое изменение интенсивностей дифракционных порядков.

Рис. 1 Блок-схема датчика малых угловых (и линейных) перемещений. Pi, P2 - дифракционные решетки, 1 - полупроводниковый лазер, 2 - коллиматор, 3 -блок решеток, 4 - щуп, 5 - линза, 6 - диафрагма, 7 - фотодетекторы.

В [3,5] показано, что для решеток с формой в виде идеального меандра зависимости интенсивностей первых дифракционных порядков от смещения решеток описываются гармоническими функциями с периодом, равным периоду дифракционных решеток Λ. Причем для получения максимального выходного сигнала следует применять решетки с оптимальной глубиной пространственной фазовой модуляции равной Ф_м = 45°. В этом случае формула для расчета интенсивностей первых дифракционных порядков (в относительных единицах) в зависимости от смещения одной из решеток на величину х, имеет вид:

В выражении (1) используются два безразмерных параметра, один из которых r учитывает наклон падения оптического пучка на поверхность решеток, а другой параметр характеризует расстояние между решетками. Здесь λ - длина волны лазерного излучения, l_z - оптическое расстояние между решетками.

Если угол падения оптического пучка отличается от нормали не более чем на 5°, то параметр r можно считать равным нулю. Зависимости интенсивности нулевого порядка /₀ от перемещения второй

решетки и от расстояния между решетками оказываются гораздо более сложными, чем аналогичные зависимости для первых дифракционных порядков. При расчетах зависимостей необходимо учитывать, что в состав выражений для интенсивности нулевого порядка входит бесконечное число гармоник основной пространственной частоты Λ^-1 и фазы этих гармоник зависят сложным образом от угла наклона и от расстояния между решетками.

При проведении измерений угловых и линейных перемещений используют линейные участки характеристик I₀(х) и I_±1(х). Интересным является вопрос о нахождении таких значений параметра расстояния L, при которых линейный участок зависимости нулевого дифракционного порядка несколько сдвинут относительно линейных участков зависимостей первых дифракционных порядков. В этом случае можно осуществить сопряжение и сшивание различных линейных участков. При этом возможны случаи сопряжения линейных участков нулевого и одного из первых порядков (с одним переключением в схеме обработки) или нулевого и обоих участков линейности первых порядков (с двумя переключениями в схеме обработки). Следует заметить, что схема с несколькими переключениями в схеме обработки позволяет значительно увеличить диапазон линейности датчика. В качестве примера на рис.2 приведены рассчитанные зависимости интенсивностей дифракционных порядков от относительного смещения решеток, если параметр L = 1,02. В этом случае при среднеквадратическом отклонении от линейности в нулевом и первых порядках менее 2,1·10^-3 (в единицах I) полный диапазон линейности датчика составляет 0,538Λ, в том числе суммарный диапазон линейности в первых порядках составляет 0,350Λ.

Рис. 2. Графики зависимостей I₀(х/Λ) и I_±1(х/Λ) при L = 1,02.

На основе рассмотренного варианта датчика был сконструирован высокочувствительный измеритель малых линейных перемещений. Для этого датчик соединялся с контактным щупом, который совершал малые линейные перемещения при сканировании вдоль исследуемой поверхности (см. рис.1). Фактически был построен макет профилометра. Не трудно заметить, что поскольку блок решеток связан со щупом, который образует плечо длиной d относительно оси вращения, то при перемещении щупа на ∆х происходит поворот блока на угол δα =∆хId. Отсюда смещение следа оптического луча вдоль решеток ∆х равно:

Как следует из формулы (3), через коэффициент пропорциональности l_Z/n·d можно регулировать чувствительность профилометра. Отметим, что при увеличении плеча d чувствительность уменьшается, но одновременно уменьшается и усилие, необходимое для поворота датчика, и возрастает абсолютное значение протяженности линейного участка.

Изготовленный реально действующий макет профилометра позволял проводить измерения рельефа профиля поверхности ∆х в диапазоне до 2 мм с разрешением не хуже 0,05 мкм.

3. Оптоэлектронный датчик для измерения угловых колебаний конструкций

Основным элементом датчика [7], схема которого приведена на рис.3, является блок-сенсор, представляющий собой прозрачную пластинку толщиной несколько миллиметров. На одной стороне пластины находится фазовая дифракционная решетка с профилем в виде меандра, а на другой стороне -зеркальная отражающая пленка. Блок-сенсор закрепляется на исследуемой конструкции и просвечивается оптическим лазерным излучением. Луч лазера, направленный на блок, дифрагирует на фазовой дифракционной решетке, распространяется в прозрачном материале пластины, отражается от зеркальной пленки и повторно дифрагирует на фазовой решетке. Таким образом, в основе работы устройства, как и в предыдущем случае, лежит двойная дифракция оптического пучка на фазовой дифракционной решетке, имеющей профиль в виде меандра.

Рис.3. Схема оптоэлектронного устройства для измерения угловых колебаний

При наклоне участка конструкции на небольшой угол а происходит наклон блока-сенсора. Это вызывает смещение следов падающего и отраженного пучков по поверхности решетки. Если заменить отраженный луч зеркально симметричным, то можно заменить анализ взаимодействия оптического пучка с блоком-сенсором анализом эквивалентной схемы из двух решеток, находящихся на расстоянии, равном удвоенной толщине блока-сенсора.

Отсюда в предположении малости угла падения 0 для блока-сенсора с решеткой, имеющей оптимальное значение амплитудной фазовой модуляции

Ф_м=45°, можно получить выражение, описывающее зависимости мощностей излучения в первых дифракционных порядках от угла наклона α:

Здесь Ро - падающая мощность оптического излучения; R - коэффициент отражения зеркальной пленки; d - толщина стеклянной пластины блока-сенсора;

L' = 2dπλ/nΛ² - параметр расстояния.

Для регистрации и измерения малых угловых колебаний используется один из множества линейных участков гармонической зависимости мощности излучения одного из первых порядков дифракции от угла наклона блока-сенсора – Р_-1(α) или

Р₊₁(α). Для работы устройства требуется обеспечить расположение рабочей точки на середине линейного участка. Это достигается выбором начального угла падения оптического пучка.

Проведем оценку крутизны преобразования датчика. Для этого продифференцируем выражение (4) и зададим приемлемые значения параметров элементов, образующих измерительную систему: d=5i i, Λ = 0,1i i, n = 1,5l, R=0,9, мощность источника излучения Р = LiA₀, ампер-ваттная крутизна фотодетектора А = 0,ЗА/А₀ . Для указанных параметров крутизна преобразования угловых поворотов в фототок составит величину равную 0,023A/daa.

4. Измерители малых линейных перемещений на основе схемы оптического зондирования поверхностных акустических волн с опорной дифракционной решеткой

Наиболее простой по реализации и принципу работы является однолучевая схема измерителя перемещений с отражением оптического пучка, показанная на рис.4. Эта схема совпадает с одной из базовых схем оптического зондирования поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР), исследованной ранее в работе [1].

Схема работает следующим образом. Акустическая волна возбуждается в звукопроводе встречно-штыревым преобразователем (ВШП) с помощью генератора, задающего частоту ПАВ F. Световой пучок от лазера в результате последовательного взаимодействия с ОДР и ПАВ, имеющие одинаковый период Л, распадается на дифракционные порядки, каждый из которых (нулевой и оба первых) оказываются промоделированными по интенсивности с частотой ПАВ F. Амплитуда модуляции пропорциональна амплитуде ПАВ, а фаза модуляции линейно зависит от смещения дифракционной решетки относительно звукопровода, по которому распространяется ПАВ.

Рис. 4. Схема измерителя малых линейных перемещений на ПАВ с ОДР

Теоретический анализ, проведенный в работе [1], показал, что для измерения перемещений целесообразно использовать нулевой порядок дифракции. После детектирования нулевого порядка дифракции с помощью электрического фильтра выделяется радиосигнал на частоте ПАВ, который затем усиливается и подается на измерительный вход фазометра. На опорный вход фазометра подается сигнал с генератора ПАВ.

Фаза переменной составляющей выходного сигнала с частотой F зависит от относительного положения ОДР и звукопровода. При смещении ОДР в продольном направлении на ∆х фаза сигнала на выходе оптического канала изменяется на величину:

Таким образом, по показаниям фазометра, который измеряет разность фаз ∆φ, можно определить смещение ОДР и связанный с ней объект.

Существуют оптимальные положения ОДР, при которых амплитуда переменной составляющей нулевого порядка имеет максимальное значение. При условии нормального падения светового пучка эти расстояния равны:

Следует заметить, что измеритель малых перемещений можно построить как по схеме с отражением лазерного пучка от звукопровода, так и по схеме на просвет.

Но достоинством схемы на отражение является то, что пространственная фазовая модуляция оптической волны создается только за счет гофра поверхности звукопровода и отсутствуют помехи от объемных и приповерхностных волн, которые возбуждаются в подложке.

Дополнительными преимуществами обладает двулучевая схема измерителя. В этой схеме возбудитель акустических волн ВШП располагается посередине звукопровода, так что возбуждаемые им волны распространяются в противоположные от него стороны. Для зондирования используются два лазера, каждый из которых просвечивает ОДР и отражается от звукопровода на равноудаленных расстояниях от ВШП. Принцип работы двулучевой схемы измерителя аналогичен принципу работы однолучевой схемы с тем отличием, что на входы фазометра подаются сигналы с выходов фотодетекторов. При сдвиге ОДР разность фаз выходных сигналов каждого канала, фиксируемая фазометром, пропорциональна смещению подвижной шкалы. Так как при перемещении шкалы сдвиг фазы в каналах происходит во взаимно противоположных направлениях, двулучевая схема имеет вдвое большую разрешающую способность измерений. Кроме того, эта схема обладает и более высокой фазовой стабильностью.

Экспериментальные исследования измерителей малых линейных перемещений на основе схем оптического зондирования ПАВ с ОДР проводились с использованием таймера NI PCI-6602 и супергетеродинного преобразователя частоты. Точность фазовых измерений с помощью указанного таймера оценивалась равной 0,1°. Суммарные составляющие фазовой погрешности, вызванные такими факторами, как температурная нестабильность звукопровода, прецессия лазерного луча, нестабильность параметров электронной схемы усиления и преобразования, не превышали 0,15°. Отсюда в случае использования ОДР с периодом 100 мкм точность измерения перемещения с помощью двулучевой схемы измерителя оценивалась равной 0,05 мкм.

Следует, однако, заметить, что при сравнимой точности измерения измерители малых линейных перемещений на основе схем оптического зондирования ПАВ с ОДФ являются более сложными в плане практической реализации и настройке, чем измерители на основе датчика с двумя фазовыми дифракционными решетками.

5. Используемое оборудование и ПО

При экспериментальном исследовании представленных в работе оптоэлектронных дифракционных датчиков и измерителей малых перемещений и колебаний использовались программные средства LabVIEW 7.1 FDS, поставляемые с базовым вузовским комплектом начального уровня «Лабораторная станция», в состав которого входили осциллограф Nl PCI-5102, мультиметр Nl PCI-4060, генератор сигналов Nl PCI-5401, дополненный платой счетчика/таймера Nl PCI-6602.

6. Основные результаты и развитие решения

Разработаны и проведены экспериментальные исследования датчиков линейных и угловых перемещений на основе последовательной двукратной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке с профилем в виде меандра.

Оптоэлектронный датчик на основе системы из двух фазовых дифракционных решеток и измерительные устройства на его основе могут найти применение при построении профилометров, деформометров и других устройств.

Хорошие перспективы по использованию имеет оптоэлектронный дифракционный блок-сенсор датчика для измерения угловых колебаний конструкций, который позволяет проводить измерения зависимости амплитуды колебаний от частоты и координаты расположения датчика на конструкции, а также исследовать форму колебаний объектов. Экспериментально измеренная пороговая чувствительность датчика составляет величину порядка сотых долей миллирадиана при полосе канала регистрации от 0 до 1000 Гц. Датчик может быть использован на практике для исследования низкочастотных колебаний крупногабаритных конструкций.

Особо следует отметить то, что программные и аппаратные средства, предлагаемые National Instruments, предоставляют широкие возможности по разработке и созданию высокочувствительных контрольно-измерительных устройств и систем. Несомненным достоинством среды программирования LabVIEW является наличие в ней обширной гаммы готовых виртуальных приборов и богатой библиотеки функций обработки сигналов.

Список литературы

1. А.Ф. Бессонов, Л.Н. Дерюгин, В.А. Комоцкий и др. Анализ взаимодействия световой волны с системой пространственно разнесенных периодических структур при оптическом зондировании поверхностных акустических волн // Оптика и спектроскопия, 1984. №6. С. 1059-1065.

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

3. В.А. Комоцкий В.А., В.Ф. Никулин. Теоретический анализ дифракции гауссова оптического пучка на системе из двух дифракционных решеток // Оптика и спектроскопия, 1987, №2. С. 409-415.

4. В.А. Комоцкий В.А., В.Ф. Никулин. Бесконтактный дифракционный метод измерения угловых смещений и вибраций отражающих поверхностей // Оптика и спектроскопия, 1992, №2. С. 479-486.

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

6. В.А. Комоцкий, В.А., Корольков. Устройство для измерения малых линейных перемещений. Патент на изобретение № 2277695 РФ (приоритет от 06.12.2004).

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