6. Разработка структурной схемы устройства

Рис. 22. Структурная схема лазерного виброметра

Основной недостаток рассмотренной ранее схемы интерферометра – она не позволяет определить направление движения (от интерферометра или к интерферометру). Этот недостаток не является существенным при измерении простых линейных перемещений, направление которые пользователь может определить «на глаз». Однако этот недостаток не позволит адекватно анализировать такие сложные перемещения, как вибрации, особенно полигармонические, а также перемещения на сверхмалые дистанции, которые уже трудно отследить «на глаз».

Для устранения этого недостатка предложена схема на рис. 22. Здесь 1 – лазер с длиной волны λ, 2 – светоделительная пластина из исландского шпата, 3 – четверть волновая пластина, 4 – светоделительная призма-кубик, 5 – неподвижный опорный отражатель, 6 – исследуемый объект с отражателем, движущийся по закону F(t), 7 – фотоприемники, 8 – модуль сбора и обработки результатов измерений.

Отличие от описанного ранее интерферометра Майкельсона заключается в том, что на пути лазерного луча ставится светоделительная пластина из исландского шпата 2, которая, за счет эффекта двойного лучепреломления, разделяет исходный луч на два параллельных, поляризованных во взаимно-перпендикулярных плоскостях (черный – плоскость поляризации совпадает с плоскостью чертежа, красный – плоскость поляризации перпендикулярна плоскости чертежа). Далее один из лучей проходи через четверть волновую пластину, которая вносит дополнительный сдвиг фаз . Тогда, в соответствии с ранее выведенной формулой () и с учетом распределения мощностей в лучах, интенсивность в центре интерференционной картины для каждого луча будет равная:

Данные соотношения позволяют оценить ширину диапазона изменения интенсивности света, который принимает фотодиод. Минимальная интенсивность равна половине мощности луча, а максимальная – его полной мощности. Учитывая, что лазер 1 неполяризованный, то мощности разделенных лучей равны и составляют половину мощности лазера 1. В итоге получаем диапазон интенсивностей от до . Данное соотношение потребуется при выборе принимающего фотодиода – необходимо чтобы максимум его чувствительности приходился как раз на этот диапазон интенсивности излучения. Второе важное требование при выборе фотодиода – его спектральная характеристика. Ее максимум должен приходиться на длину волны лазера 1.

В итоге на фотоприемники придут сигналы, сдвинутые по фазе друг относительно друга на . Важно отметить, что знак этого сдвига фаз как раз определяется направлением движения объекта, т.е. детектируя изменение сдвига фаз можно установить смену направления перемещения исследуемого объекта.

Кроме динамического, необходимо также определить частотный диапазон выходного сигнала интерферометра. Это необходимо для определения принципов функционирования и подбора элементной базы модуля сбора и обработки результатов измерений 8.

Как известно, любой сложный периодический сигнал S(t) можно представить с помощью ряда Фурье в виде суммы простых гармонических колебаний:

На практике сложные сигналы рассматривают не на бесконечной полосе частот , а на ограниченной , т.е. считают частоты, большие чем пренебрежимо малыми. Поскольку мы анализируем вопрос быстродействия системы, то рациональнее всего оценить быстродействие по реакции на колебание объекта, описываемое законом

Здесь А – амплитуда колебаний. То есть, если система сумеет обработать сигнал с частотой , то она сможет обработать и другие сигналы с меньшими частотами. Величину также называют вибросмещением

Поскольку объектом исследования являются механические колебания, то кроме самого закона перемещения , необходимо знать также скорость перемещения

Данную величину также называют виброскоростью. Эта величина используется при описании как низкочастотных, так и высокочастотных колебаний, в то время как величина вибросмещения применяется при описании низкочастотных вибраций. Из данного соотношения видно, что виброскорость будет изменяться в пределах от 0 до . Поскольку задача состоит в оценке максимального быстродействия, то будем рассматривать величину .

Суть измерения перемещений интерферометром сводится к счету максимумов излучения, поскольку при перемещении объекта на расстояние, равное длине волны лазера λ, произойдет переход от максимума излучения к минимуму, а затем снова к максимуму. Зная количество таких переходов можно с точностью до λ оценить дистанцию. Счет осуществляется цифровыми средствами, поэтому по максимуму излучения формируются счетные импульсы. Важно, чтобы системе хватало времени на обработку текущего импульса до прихода следующего. Это время будет равно времени T, за которое объект преодолеет расстояние λ.

Тогда минимальная рабочая частота схемы с 10% запасом по быстродействию будет равна:

Данное соотношение задает ограничение по частоте и амплитуде для исследуемых вибраций, т.е. в общем случае ограничение по виброскорости. Также необходимо отметить, что ограниченная емкость цифрового счетчика создает ограничение по максимально возможной величине измеряемого перемещения, т.е. в случае вибраций ограничение по амплитуде.