4.1. Оптическая схема лазерного виброметра

В основе оптической схемы виброметра лежит классическая схема интерферометра Майкельсона. Базовые структурные элементы оптической системы виброметра (рис.2): лазерный источник монохроматического излучения; телескопическая система, выполняющая функции приемо-передающей "оптической антенны"; оптическая система сопряжения волновых фронтов сигнальной и опорной волны типа "кошачий глаз"; фотоприемные модули балансного типа; оптический делитель-смеситель для формирования и пространственного совмещения опорного и сигнального лазерных пучков.

Рис. 19. Оптическая схема: 1 – гелий-неоновый лазер (λ=630 нм); 2, 3, 11 – поворотные призмы; 4, 13, 17 – призмы поляризаторы; 5, 10, 16 – четвертьволновые фазовые пластины; 6, 7 – окуляр и объектив телескопической системы; 8, 9 – диэлектрическое зеркало и объектив оптической системы фазового сопряжения волновых фронтов сигнального и опорного пучков; 12 – неполяризующий делитель мощности лазерного пучка; 14, 15, 18, 19 – фотоприемники; 20 – исследуемый объект.

Сложность и особенности схемы обусловлены техническим назначением виброметра и связаны со значительным (на 5–7 порядков) ослаблением принимаемой световой мощности лазерного пучка, направляемого на объект, а также со спекл-структурой распределения интенсивности волнового фронта диффузно отраженного излучения лазера.

Лазерный пучок от лазера (обычно используют гелий-неоновый с длиной волны λ=0,63 мкм, однако также применяют лазерные диоды, волоконный и Nd:YAG лазеры) поворотными призмами 2 и 3 направляется на поляризующий делитель 4, где разделяется на два пучка равной мощности: сигнальный (трасса 4, 5, 6, 7, 20) и опорный (трасса 4, 11, 10, 9, 8) со взаимно-ортогональными поляризациями. Телескопическая система (6, 7) в сигнальном плече интерферометра предназначена для фокусировки излучения на поверхности объекта. Эта фокусировка должна быть достаточной для того, чтобы спекл-структура фронта отраженной волны ("спекл-поле") воспринималась, при соответствующем наведении излучения на объект, как квазиоднородная монохроматическая волна. Четвертьволновые фазовые пластины (5, 10) производят поворот поляризации сигнального и опорного пучков на 90° относительно исходных. Это необходимо для беспрепятственного прохождения ими поляризующего делителя (4) в направлении к неполяризующему делителю (12), ориентированному к пучкам под углом 45° и разделяющему каждый из них на два идентичных пучка. Лазерные пучки после делителя (12) попадают в фотоприемные модули (13, 14, 15) и (17, 18, 19), в состав которых входят по два фотоприемника и по одному делителю-поляризатору типа (4). Указанная на схеме ориентация делителей под углом 45° обеспечивает формирование сдвинутых по фазе на 180° интерференционных сигналов в каждой паре фотоприемников: (14, 15) и (18, 19) соответственно. Это позволяет при вычитании инвертированных электрических сигналов с выходов фотоприемников улучшить отношение сигнал/шум. Фазовая пластина (16) осуществляет относительный сдвиг фазы оптических сигналов на четверть периода, чтобы в фотоприемных модулях формировались квадратурные электрические сигналы.

Так как носителем информации о параметрах механических колебаний объекта является лазерное когерентное излучение, то непосредственно обнаружить допплеровский сдвиг частоты на фоне частоты излучения лазера (порядка Гц) невозможно. Поэтому для выделения сигнала допплеровской частоты используют наложение опорной и измерительной волн, совмещенных в пространстве. Пусть электрические векторы соответственно опорной и отраженной от колеблющейся поверхности волн имеют вид

Где А и В – комплексные амплитуды волн:

Где – вещественные фазы обеих волн.

В некоторой области поля происходит суперпозиция волн и суммарный электрический вектор

Тогда интенсивность

Подставляя выражения 50 и 51 в соотношение 52, получим

Усреднение выражения (53) по времени в интервале, большем по сравнению с периодом , приводит к тому, что члены, содержащие в показателях экспоненты 2 стремятся к нулю. Переходя в выражении (53) от комплексных величин к действительным и считая, что волны распространяются в направлении , получим

Таким образом, интенсивность результирующего поля в выходной плоскости окуляра 7 имеет переменную составляющую, частота которой промодулирована частотой Допплера. Ток в нагрузке квадратичного фотоприемника 10, помещенного в поле интерференции, описывается выражением

где , - мощности отраженной и опорной волн; – коэффициент, учитывающий параметры фотоприемника. Как видно из выражения (54), выходной сигнал фотоприемника содержит постоянную составляющую и переменную , в которой допплеровская частота, изменяется по закону, определяемому формулой (49) и, следовательно, содержит информацию о движении контролируемого объекта, осуществляют разными методами. Рассмотрим некоторые из них.

Осциллографический метод определения амплитуд гармонических колебаний основан на измерении параметров кривой фототока по экрану осциллографа 13.

Формула для определения амплитуды колебаний исследуемого объекта имеет вид

Где - число экстремумов за полупериод колебаний, уменьшенное на 1; - размах осциллограммы в ближайшем положении к экстремуму. Данный метод в частотном диапазоне от 1 до 30 кГц имеет погрешность, не превышающую 0,02 .

Следует учитывать, что в области более низких частот погрешность метода увеличивается из-за отсутствия возможности компенсации «теплового дрейфа» установки.

Допплеровское изменение частоты при гармоническом колебательном движении объекта измерения определяется соотношением

Где - частота излучения лазера, рад/с; - частота колебаний объекта измерения, рад/с; - амплитуда скорости перемещения объекта измерения, мм/с; - скорость света, мм/с.

Тогда частоту колебаний излучения лазера , отраженного от объекта измерения 1, определяют так:

Выражая частоту отраженного излучения через изменение фазы получим

Отсюда отраженная от объекта измерения световая волна

Где - амплитуда напряженности излучения, отраженного от объекта измерения.

Здесь коэффициент перед вторым членом выражения является индексом частотной модуляции, а девиация частоты равна частоте Допплера.

В этом случае величина опорной световой волны

Где - амплитуда напряженности опорного излучения.

Таким образом, в случае гармонического колебательного движения объекта измерения, переменная составляющая выходного электрического сигнала фотоприемника, воспринимающего изменяющуюся интенсивность интерференционной картины

Выражение упрощается, если провести калибровку установки так, чтобы выполнялось соотношение

Где N – целое число, - погрешность установки длины опорного плеча, . Т.е. длина опорного плеча интерферометра равна целому числу длин волн лазера плюс погрешность, связанная с неточностью позиционирования оптических элементов. Тогда