RU80563U1

RU80563U1 - Оптоэлектронный датчик угловых отклонений и колебаний

Info

Publication number: RU80563U1
Application number: RU2008133395/22U
Authority: RU
Inventors: Владислав Антонович Комоцкий; Юрий Михайлович Соколов
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2009-02-10

Abstract

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении погрешности измерений амплитудно-частотных характеристик и резонансных частот колебаний на объектах с малой собственной массой. Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения угловых отклонений и колебаний объекта, содержащее лазер, блок-сенсор, включающий фазовую дифракционную решетку, расположенную на пути лазерного пучка, фотодетектор с диафрагмой и резистором нагрузки, установленный в области дифракционной картины лазерного пучка после его взаимодействия с дифракционной решеткой. Фазовая дифракционная решетка блока-сенсора выполнена в виде рельефа прямоугольной формы, с глубиной рельефа, превышающей половину длины волны лазерного излучения, и покрыта высокоотражающей металлической пленкой, фотодетектор установлен в нулевом дифракционном порядке.

Description

Полезная модель относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство является датчиком наклона и предназначено для регистрации и измерения величин угловых отклонений объекта от исходного положения, а также для регистрации и измерения формы и амплитуды угловых колебаний объекта или его части, к которой прикреплен блок-сенсор датчика.

Известны конструкции измерителей наклонов и колебаний с использованием оптоэлектроники, например волоконно-оптические датчики наклона, датчики, использующие ножевую диафрагму, датчики, использующие эффект двойной дифракции света на периодической дифракционной решетке.

Наиболее близким аналогом полезной модели является устройство, описанное в патенте на полезную модель №57895 «Оптоэлектронное устройство для измерения колебаний конструкций» [1]. Это устройство содержит лазер, фотодиод с нагрузкой, блок-сенсор в виде прозрачной пластины, на одной стороне которой нанесена прозрачная фазовая дифракционная решетка, а на другой стороне нанесена зеркальная отражающая пленка. Пучок лазерного излучения, поперечный размер которого значительно (в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки, направленный на блок-сенсор, просвечивает фазовую дифракционную решетку, отражается от противоположной зеркальной поверхности блока-сенсора, и вторично просвечивает фазовую дифракционную решетку. При этом образуется дифракционная картина, состоящая из хорошо разделенных в пространстве дифракционных порядков, в который выделяют первый порядок дифракции и направляют его на фотодетектор. При условии, что функция фазовой модуляции дифракционной решетки имеет форму меандра, зависимости мощности дифрагированного излучения в первом порядке от углового

отклонения блока-сенсора имеют гармонический характер. При определенных углах падения лазерного пучка на блок-сенсор, соответствующих середине линейного участка, зависимости мощности дифрагированного лазерного пучка первого порядка от угла поворота блока-сенсора линейны на ограниченном участке, который и используется для измерений [2, 3]. После фотодетектирования излучения первого порядка в линейном режиме получаем выходной сигнал в виде напряжения на нагрузке фотодетектора, форма которого повторяет форму угловых колебаний блока-сенсора, закрепленного на исследуемом объекте.

Недостатком устройства прототипа является то, что масса блока-сенсора, прикрепленного к объекту измерений, может существенно искажать результаты измерений характеристик колебаний, если размер и масса объекта невелики. Так, например, при толщине блока-сенсора равной 0,5 см и размерах площадки 1×1 см его масса составит более 1 гр. Это вполне допустимо при измерениях колебаний крупных конструкций с большой массой, однако, при измерениях колебаний объектов с небольшой массой прикрепление такого блока-сенсора может привести к недопустимым погрешностям измерений. Уменьшение толщины блока-сенсора, изготовленного по схеме прототипа, приводит к пропорциональному уменьшению крутизны зависимости выходного сигнала от углового смещения и в конечном итоге к снижению чувствительности измерений.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении погрешности измерений амплитудно-частотных характеристик и резонансных частот колебаний на объектах с малой собственной массой.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения угловых отклонений и колебаний объекта, содержащее лазер, блок-сенсор, включающий фазовую дифракционную решетку, расположенную на пути лазерного пучка, фотодетектор с диафрагмой и резистором нагрузки, установленный в области дифракционной картины лазерного пучка после

его взаимодействия с дифракционной решеткой, фазовая дифракционная решетка блока-сенсора выполнена в виде рельефа прямоугольной формы, с глубиной рельефа, превышающей половину длины волны лазерного излучения, и покрыта высокоотражающей металлической пленкой, фотодетектор установлен в нулевом дифракционном порядке.

В предлагаемом устройстве толщина блока-сенсора уменьшена в сотни раз по сравнению с прототипом, с нескольких миллиметров до нескольких микрометров. При этом крутизна преобразования углового отклонения в выходной сигнал не ниже, а в ряде случаев выше, чем аналогичная крутизна преобразования в устройстве-прототипе при сопоставимой толщине блока-сенсора.

Положительный эффект достигается тем, что фазовую дифракционную решетку покрывают зеркально отражающей пленкой и вместе с этим из схемы блока-сенсора исключают зеркальную поверхность, расположенную на другой стороне подложки, отражающую излучение лазера после первого прохождения лазерного пучка через фазовую дифракционную решетку и возвращающую лазерный пучок для вторичного прохождения через фазовую дифракционную решетку. Крутизна преобразования угла наклона блока-сенсора в выходной сигнал в данном устройстве зависит от глубины рельефа дифракционной решетки, но не зависит от толщины подложки блока-сенсора. В результате нет необходимости увеличивать толщину блока-сенсора для повышения крутизны преобразования углового отклонения в выходной сигнал. Толщина блока-сенсора лишь незначительно превышает глубину рельефа фазовой дифракционной решетки, а в пределе может быть равна ей.

Предлагаемое устройство изображено на фиг.1, на фиг.2, 3, 4, 5 показаны зависимости мощности дифрагированного излучения от угла падения лазерного пучка. Устройство содержит лазер - источник коллимированного излучения 1, блок-сенсор 2, включающий фазовую рельефную дифракционную решетку на подложке 3, с прямоугольным профилем в форме меандра

с глубиной профиля более половины длины волны лазерного излучения, покрытую отражающей пленкой 4, пространственный фильтр 5, включающий линзу и диафрагму для выделения нулевого порядка дифракции в отраженном от сенсора лазерном пучке, фотодетектор 6, расположенный за пространственным фильтром, и резистор нагрузки фотодетектора 7, с которого снимают сигнал в виде напряжения, пропорционального угловому отклонению сенсора.

Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера 1 направляют на поверхность дифракционной решетки 3, которая покрыта высокоотражающей пленкой 4, например, серебра или алюминия. Диаметр пучка во много раз (типично в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки. В результате отражения и дифракции формируется дифракционная картина, в которой дифракционные порядки хорошо разделены в пространстве. Выделив с помощью пространственного фильтра 5 излучение нулевого порядка дифракции, направляют это излучение на фотодетектор 6.

Мощность излучения в нулевом дифракционном порядке зависит от величины амплитуды фазовой модуляции Ф_М волнового фронта световой волны, отраженной от рельефной поверхности решетки с глубиной h. Эта зависимость определяется выражением

где Р_пад - мощность падающего излучения лазера, R - коэффициент отражения, Ф_М - амплитуда пространственной фазовой модуляции светового пучка, равная половине фазового набега между лучом, отразившимся от выступа, и лучом, отразившимся от впадины рельефа дифракционной решетки.

Величина Ф_М зависит от угла падения лазерного пучка Θ, глубины рельефа h и длины световой волны λ, следующим образом:

В результате зависимость мощности дифрагированного пучка нулевого порядка от угла падения выражается формулой

Эти зависимости мощности от угла (фиг.2, 3, 4, 5) имеют осциллирующий характер и содержат участки, близкие к линейным в районе точек, отмеченных на фиг.2, 3, 4, 5 как S₁, S₂,...S_i.

На фиг.2 показана зависимость мощности дифрагированного излучения нулевого порядка от угла падения лазерного пучка, рассчитанная по формуле (3) при условии, что глубина рельефа блока-сенсора равна длине волны лазерного излучения h=λ, падающая мощность лазерного пучка Р_пад=1 мВт, а коэффициент отражения пленки, покрывающей рельеф, равен 0,9. На фиг.3-5 показаны аналогичные зависимости при условии, что значения глубины рельефа блока-сенсора соответственно равны h=2λ, h=3λ и h=4λ.

Для измерений выбирают начальный угол падения, соответствующий одной из точек S_i, и устанавливают пространственный оптический фильтр с фотодетектором таким образом, чтобы фотодетектор захватывал все излучение нулевого порядка. При малых угловых колебаниях поверхности происходят малые изменения угла падения относительно выбранной точки S_i, которые вызывают пропорциональное изменение мощности в нулевом дифракционном порядке. В результате получаем электрический выходной сигнал с нагрузки фотодетектора, пропорциональный угловому отклонению блока-сенсора.

Предложенное устройство имеет очень малую массу блока-сенсора, прикрепляемого к исследуемому объекту. Так, например, при толщине подложки 10 мкм размерах площадки 1×1 см масса блока-сенсора составит порядка 2 мгр. Уменьшение массы блока-сенсора ведет к уменьшению

погрешностей измерений характеристик колебаний, в частности резонансных частот и частотных характеристик.

Приведем далее некоторые технические характеристики устройства.

Для практической реализации устройства целесообразно выбрать период рельефной решетки в диапазоне 100-200 мкм. При этом решетку нетрудно изготовить, а ее период приблизительно в 5-10 раз меньше типичного диаметра лазерного пучка, излучаемого газовым гелий-неоновым лазером или полупроводниковым лазерным модулем с встроенным коллиматором, что обеспечивает хорошее разделение дифракционных порядков. Следует напомнить, что в данном устройстве, в отличие от прототипа, крутизна не зависит от периода решетки, а зависит от глубины рельефа. Технологически рельеф может быть изготовлен методом фотолитографии, фотолитографии и травления, методом реплики на термопластическом материале.

Далее приведены расчетные оценки значений крутизны S_i преобразования углового отклонения в выходной сигнал при различных значениях глубины рельефа решетки.

Расчетные значения крутизны при мощности падающего излучения P_пад=1 мВт при коэффициенте отражения, равном R=0,9 для различных глубин фазовой дифракционной решетки h=λ, h=2λ, h=3λ и h=4λ приведены на графиках и в таблицах 1-4.

Для датчика-прототипа расчет крутизны производим по формуле где d - толщина блока-сенсора, Λ - период решетки, n - показатель преломления, дает следующие численные значения:

при d=1 мм S=0,015 мВт/мрад,

при d=0, мм S=0,0015 мВт/мрад,

при d=0,01 мм S=0,00015 мВт/мрад.

Сравнение этих данных с данными таблиц 1-4 подтверждает, что крутизна характеристик S_i предложенного датчика выше крутизны датчика-прототипа при сопоставимых параметрах толщины блока-сенсора.

Таблица 1 (фиг.2)

h=λ

Θ=28°

Θ=51°

S_i,

-0,0032

0,0049

Таблица 2 (фиг.3)

h=2λ

Θ=20°

Θ=36°

Θ=47°

Θ=56°

S_i,

-0,0046

0,0074

-0,0091

0,010

Таблица 3 (фиг.4)

H=3λ

Θ=17°

Θ=29°

Θ=38°

Θ=45°

Θ=51°

Θ=57°

S_i,

-0,0056

0,0092

-0,0113

0,0133

-0,0147

0,0158

Таблица 4 (фиг.5)

H=4λ

Θ=14°

Θ=25°

Θ=33°

Θ=39°

Θ=44°

Θ=49°

S_i,

-0,0065

0,0107

-0,0135

0,0157

-0,0175

0,0190

Θ=54°

Θ=58°

S_i,

-0,0202

0,02130

Источники информации:

1. Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. Оптоэлектронное устройство для измерения угловых колебаний конструкций. Патент на полезную модель №57895.

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

3. Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. Оптоэлектронный измеритель угловых колебаний конструкций. Вестник РУДН. М. Серия математика, информатика, физика. 2006. №1-2. С.138-146.

Claims

Устройство для измерения угловых отклонений и колебаний объекта, содержащее лазер, блок-сенсор, включающий фазовую дифракционную решетку, расположенную на пути лазерного пучка, фотодетектор с диафрагмой и резистором нагрузки, установленный в области дифракционной картины лазерного пучка после его взаимодействия с дифракционной решеткой, отличающееся тем, что фазовая дифракционная решетка блока-сенсора выполнена в виде рельефа прямоугольной формы, с глубиной рельефа, превышающей половину длины волны лазерного излучения, и покрыта высокоотражающей металлической пленкой, фотодетектор установлен в нулевом дифракционном порядке.