5.1 Інтерферометр із рахунком смуг на основі частотної модуляції

На рис. 5.1а наведений приклад оптичній схеми двочастотного інтерферометру (ДЧІ).

а - схема ДЧІ: 1 - лазер, 2 - світлодільник, 3 - поляризаційна призма-куб, 4 - фазова пластина λ/4, 5 - опорний відбивач, 6 - вимірювальний відбивач, 7 - поляризатор, 8 – фотоприймач, 9 - блок керування й обробки сигналів; б, в - схеми обробки інтерференційних сигналів.

Рисунок 5.1 - Вимір відстані на основі частотної модуляції

Двочастотний лазер 1 випромінює дві хвилі із частотами f₁ і f₂, одна з яких поляризована паралельно, а інша - перпендикулярно площини креслення. Світлодільник 2 відхиляє частину випромінювання кожної частоти для формування опорного сигналу I₀. Поляризаційна призма-куб 3 розділяє складові випромінювання різних частот і направляє їх у різні плечі інтерферометра. Пластини /4 - позиція 7, оптичні осі яких становлять кут 45⁰ із площиною креслення, міняють стан поляризації двічі пройшівшіх пучків на ортогональний. Поляризаційна призма-куб 3 забезпечує суперпозицію пучків, повернутих відбивачами 4 і 5, у напрямку I₁. Після поляризаторів 6, вісь пропущення яких становить кут 45⁰ із площиною креслення, у результаті інтерференції пучків з різними частотами утворяться опорний I₀ і вимірювальний I₁ сигнали биття.

Оскільки номенклатура двочастотних лазерів і значення різниці частот, які вони забезпечують, обмежені, як джерело випромінювання часто використовують одночастотний лазер, зміщуючи частоти ортогональних складових його випромінювання акустооптичними модуляторами, які встановлюють на вході, виході або в одному із плечей інтерферометра. У цьому випадку опорний сигнал I₀ може бути отриманий безпосередньо із модулюючих сигналів, що подаються на акустооптичні модулятори.

Частота частотної модуляції, аналогічно частоті фазової модуляції, обмежує час виміру. Однак при використанні акустооптичних модуляторів вона може бути встановлена досить великою, щоб цим обмеженням можна було зневажити. Тоді час однократного виміру фази визначається часом затримки фазовимірювального пристрою й становить для сучасних ЛДС близько 10 мкс.

Через те що ДЧІ на основі частотної модуляції забезпечують час виміру на порядок менше, ніж ДЧІ на основі фазової модуляції, припустимі швидкості зміни довжини у них на порядок вище. Ці ДЧІ вважаються більшою мірою підходящими для високоточних вимірів у реальному масштабі часу . При рівній похибці вони мають трохи більший діапазон виміру довжини.

На основі методів прямого виміру фази розробляють ДЧІ для виміру повільно мінливих у часі й незначних по величині відстаней з високою точністю. Основна область застосування таких ДЧІ - контроль профілю й нерівності поверхонь, у тому числі оптичних. Інша велика сфера застосування - інтерференційні датчики фізичних величин, зміну яких можна перетворити в зміну геометричної або оптичної різниці ходу інтерферуючих променів (тиск і вологість атмосфери, температура, напруженість електричних і магнітних полів та ін.).

Частотну модуляцію інтерференційного сигналу забезпечують шляхом суперпозиції двох хвиль різної оптичної частоти. У цьому випадку закон зміни інтенсивності має вигляд:

,

((5.1)

де I₁ і I₂ - інтенсивності,

і - оптичні частоти,

₁ і ₂ - фази интерферуючих хвиль.

Всі змінні складові сигналу (5.1), крім останньої, внаслідок високої частоти не можуть бути виявлені фотоприймачем безпосередньо.

Вибираючи близькі оптичні частоти інтерферуючих хвиль, одержують частоту останньої складової, зручну для обробки у фотоелектронній системі. Цю частоту називають сигналом биття.

Особливість сигналу биття в тому, що навіть під час відсутності зміни довжини між інтерферуючими хвилями інтенсивність змінюється за гармонійним законом. Якщо одна з інтерферуючих хвиль проходить додатковий геометричний шлях 2L, то сигнал биття одержує додаткове фазове зміщення , еквівалентний фазі немодульованого інтерференційного сигналу на довжині хвилі при довжини интерферуючих променів, рівної 2L.

Щоб визначити довжину, вимірюють фазове зрушення (рис. 5.1 б) між опорним і вимірювальним сигналами биття:

(5.2)

де A₀ і A₁ - їхні амплітуди.

Замість безперервного виміру різниці фаз між сигналами підраховують число биттів кожного з них N0 і N1 і відслідковують різницю (рис. 5.1в). Якщо довжина в інтерферометрі не змінюється, частоти опорного й вимірювального сигналів рівні , і . При русі відбивача 4 частота биття вимірювального сигналу стає рівної , де .

Зміна довжини дорівнює . Знак при залежить від напрямку руху відбивача 4.

Зв'язок між знаками і залишається однозначним доти, поки . Щоб виключити вплив низькочастотних шумів на роботу ДЧІ, забезпечують , де - верхня гранична частота шумів. Таким чином, у ДЧІ із рахунком смуг на основі частотної модуляції має місце принципове обмеження швидкості зміни вимірюваних відстаней. У сучасних ДЧІ вона не перевищує 1 м/с.

При рахунку числа биттів сигналів дискрета виміру збільшень довжини дорівнює . Для підвищення точності виміру зменшують дискрету рахунку, множачи частоти цих сигналів в електронній системі. Найчастіше забезпечують дискрету .

Метод рахунку смуг на основі частотної модуляції, також як і на основі квадратурних інтерференційних сигналів, не обмежує максимальне значення вимірюваних відстаней, які у відомих ДЧІ досягають 100 м.

ДЧІ із рахунком смуг застосовують для виміру більших відстаней і швидких лінійних переміщень із інтерференційною точністю.

Завдяки досягнутому рівню технічних характеристик і високої надійності вони знаходять широке застосування в метрології (атестація верстатів і технологічного встаткування, перевірка знову розроблювальних інструментів виміру відстаней і т.д.). Дуже перспективна область їхнього застосування - перетворювачі лінійних переміщень координатно-вимірювальних систем верстатів і технологічного встаткування.