Высокоразрешающие лазерно-интерферометрические преобразователи перемещений

• Автор: Кирьянов, Валерий Павлович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 247 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Обзор и анализ методов и средств измерения перемещений с помощью лазерных интерферометров

1.1. Физические основы оптической интерферометрий перемещений

1.1.1. Интерференция света

1.1.2. Интерферометры. Преобразование и регистрация выходных сигна-

лов оптических интерферометров

1.1.3. Обобщённая схема прецизионного измерителя перемещений на основе лазерного интерферометра

1.1.4. Основные принципы построения интерфейсных блоков ЛИПП

1.1.4.1. Гомодинный метод преобразования выходных сигналов интерферометров перемещений
1.1.4.2. Гетеродинный метод преобразования выходных сигналов интерферометров перемещений
1.1.4.3. Фазомодуляционный метод преобразования выходных сигналов интерферометров перемещений
1.1.5. Принципиальные ограничения применимости методов лазерной интерферометрии при измерении линейных перемещений
1.1.5.1. Ограничения, вносимые источником света интерферометра.. 30 1.1.52. Ограничения, вносимые шумами фотоприёмников излучения
1.2. Анализ важнейших источников погрешностей измерений в ЛИПП и обзор методов повышения точности измерений линейных перемещение, выполняемых с помощью ЛИПП
1.2.1. Погрешность измерения, вызванная неопределенностью значения

л-вак
1.2.2. Погрешность измерений, обусловленная изменениями показателя

преломления Среды Пср
1.2.3. Погрешности, вызванные температурной нестабильностью элементов интерферометра и наличием «мёртвого» хода
12.3.1. Оценки температурного дрейфа интерферометров первого поколения ЛИПП
1232. Влияние «мёртвого» хода лучей в измерительной установке
на температурную стабильность ЛИПП
1233. Уменьшение температурной составляющей общей погрешности измерений с помощью дифференциальных ЛИПП
1.2.4. Влияние нелинейных искажений сигналов на точность измерений перемещений в ЛИПП и методы их компенсации
Выводы по главе
Глава 2. Анализ методов и разработка технических средств преобразования сигналов в интерфейсных и счетно-вычислительных блоках ЛИЛП
2.1. Обобщённая схема преобразования сигналов в ЛИЛП
2.2. Особенности фильтрации постоянной составляющей сигналов в интер-
фейсных блоках ЛИЛП с низкочастотной фазовой модуляцией
2.2.1. Спектральный состав интерференционного сигнала при фазовой модуляции по треугольному закону
2.2.2. Восстановление постоянной составляющей информационного сиг-
нала с помощью двухстороннего фиксатора уровня
2.2.3. Нормализация аналоговых сигналов в электронных трактах ЛИПП
2.3. Повышение помехозащищённости процесса формирования импульсных сигналов из аналоговых
2.3.1. Оптимизация выбора порогов срабатывания и гистерезиса компа-
раторов в интерфейсных блоках ЛИЛП
2.3.2. Минимизация девиации фаз включения и выключения в компара-
торах повышенной помехозащищённости
2.4. Разработка новых методов и технических средств предобработки импульсных сигналов в интерфейсных блоках ЛИПП
2.4.1. Реализация процедуры алгебраического сложения числоимпульсных последовательностей в счетно-вычислительных и интерфейсных блоках ЛИПП
2.4.2. Повышение инвариантности процедуры реверсивного счёта импульсов к неидеальностям фазочастотных характеристик электронных трактов ЛИПП
2.5. Разработка принципов построения и анализ технических характеристик специализированных счетно-вычислительных блоков ЛИПП
2.5.1. Анализ методической погрешности умножения ЧИМУ последовательного типа
2.5.2. ЧИМУ параллельного типа
2.5.3. Особенности реализации ЧИМУ последовательно-параллельного типа
2.5.4. Уменьшение методической погрешности умножения в ЧИМУ параллельно-последовательного типа
2.5.4.1. Особенности обработки данных в ЧИМУ параллельнопоследовательного типа
2.5.4.2. Анализ методической погрешности параллельнопоследовательного ЧИМУ и выбор оптимального сочетания кодов
Выводы по главе
Глава 3. Создание ЛИПП модульного типа для систем управления перемещениями прецизионных механизмов
3.1. ЛИПП модульного типа субмикронного разрешения
3.1.1. ЛИПП модульного типа на базе светоделителей общего вида (ва-
риант «Зенит»)
3.1.2. ЛИПП модульного типа(вариант «Зеркало»)
3.1.3. Системы позиционирования с ЛИПП субмикронного разрешения
3.2. ЛИПП модульного типа повышенного разрешения
3.2.1. ЛИПП модульного типа повышенного разрешения (вариант «КЛГИ»)
3.2.2. Высокоскоростные ЛИПП модульного типа повышенного разре-

шения (вариант «CLWS-300»)
3.2.3. Система управления перемещениями координатных столов с на-
нометровым разрешением
3.2.3.1. Общее описание функциональной схемы системы позиционирования каретки линейной координаты ЛГИ CLWS-

3.2.3.2. Особенности реализации регулятора системы
3.2.3.3. Результаты экспериментальных исследований системы управления перемещениями координатного стола с ЛИПП нанометрового разрешения
3.3. ЛИПП модульного типа субнанометрового разрешения с цифровой обработкой сигналов (вариант «CLWS-ЗОО/ М»)
3.3.1. Общее описание ЛИПП с субнанометровым разрешением
3.3.2. Особенности построения интерфейсного блока ЛИПП с субнанометровым разрешением
3.3.3. Цифровой вариант системы позиционирования, использующей ЛИПП субнанометрового разрешения
Выводы по главе
Глава 4. Применение ЛИПП и ЛИЛП для автоматизации научных исследований и промышленных измерений
4.1. Разработка и испытания ЛИЛП первых поколений ИПЛ-1 иИПЛ-2
4.1.1. Общее описание лазерного измерителя перемещений ИПЛ-
4.1.2. Испытания лазерного измерителя перемещений ИПЛ-
4.1.3. Общее описание лазерного измерителя перемещений ИПЛ-2
4.2. Создание, испытания и практическое применение многофункционального ЛИПП второго поколения ИПЛ-
4.2.1.Общее описание многофункционального лазерного измерителя перемещений ИПЛ —
4.2.2. Особенности оптико-механической схемы прибора ИПЛ -
4.2.3. Результаты Межведомственных испытаний прибора ИПЛ -
4.2.4. Применение лазерных измерителей типа ИПЛ-10 для аттестации отсчётных систем крупногабаритных станков
4.3. Применение ЛИПП дифференциального типа для автоматизации натурных гидрофизических исследований
4.3.1. Принципы построения зондирующего комплекса на базе лазерно-интерферометрического преобразователя дифференциального типа
4.3.2. Базовая методика измерения профиля поля плотности морской воды с помощью комплекса «Океан»
4.3.3. Разработка и экспериментальная проверка новых методик измерения основных гидрофизических параметров морской воды
4.4. Применение лазерно-интерферометрических преобразователей перемещений в контрольно-измерительных комплексах
4.4.1. Структурная схема компаратора и методика аттестации растровых преобразователей линейных перемещений
4.4.2. Создание измерительных систем для аттестации растровых преоб-

гимый диапазон изменения разности хода, в котором выдерживается гарантированная точность измерений.
1.1.5.2. Ограничения, вносимые шумами фотоприёмников излучения
Как уже отмечалось выше, фундаментальным ограничением потенциально достижимой разрешающей способности ЛИПП выступает тот минимальный уровень сигналов на выходе фотоэлектрических приёмников, который можно уверенно выделять на уровне шумов.
Дискретная природа фототока в приёмниках оптических сигналов вызывает флюктуации электрических сигналов, которые ограничивают возможности измерения мгновенных значений фазы интерференционных сигналов. Дисперсия шумовой компоненты выходного сигнала преобразователя пропорциональна дБ - полосе частот пропускания электронного тракта преобразователя. Потенциальные возможности лазерно - интерферо-метрических преобразователей при измерении линейных размеров можно оценить из следующего соотношения [64]:
где а2(х) - дисперсия флюктуирующей части выходного сигнала 1(х), Л -длина волны излучения лазера, е - заряд электрона.
Представляет интерес оценка потенциально достижимой разрешающей способности ЛИПП, применяемых в промышленных измерениях. В таких преобразователях используются стабилизированные по частоте гелий-неоновые лазеры (Л = 0,63299 мкм) с выходной мощностью излучения РВых ~ 1мВт. Полоса пропускания электронных трактов преобразователей для промышленных применений достигает значения ДР = 1 МГц и более. При указанных параметрах потенциальное разрешение ЛИПП может достигать значения 10" 4Л , что в метрических единицах соответствует величине 0,06-10'9 м. Эту величину можно использовать в качестве предельной оценки нижней границы области применения ЛИПП в задачах управления прецизионными механизмами.
Таким образом, диапазон применимости современных ЛИПП составляет 240 дБ и ограничен сверху пределом ~102 метров, а снизу ~10"'°м. Понятно, что в этом чрезвычайно широком диапазоне измерений требования, предъявляемые к преобразователям при работе в верхней части диапазона, значительно отличаются от требований, предъявляемых к преобразователям при работе в нижней части этого диапазона. Эти различия проявляются в конструктивных особенностях измерительных приборов и преобразователей. С этой точки зрения можно выделить три основные группы приборов и преобразователей: первая группа устройств предназначена для работы в верхней части диапазона, вторая - в средней части и, наконец, третья - в
(1.38)