Исследование оптоэлектронных дифракционных измерителей перемещений и колебаний

ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
Введение............................................................... 5
Глава 1. Обзор литературы по измерениям перемещений и колебаний... 10
1.1. Введение....................................................... 10
1.2. Оптические методы измерения перемещений........................ 11
1.2.1. Оптические мостовые схемы.................................. 12
1.2.2. Интерферометрические датчики............................... 13
1.2.3. Голографические датчики.................................... 15
1.2.4. Муаровые (растровые) датчики............................... 16
1.2.5. Волоконно-оптические датчики............................... 20
1.2.6. Акустооптические датчики................................... 22
1.2.7. Оптоэлектронный датчик угловых перемещений................. 24
Глава 2. Теоретический анализ зависимостей интенсивностей дифракционных порядков в системе из двух фазовых дифракционных решеток. 26
2.1. Постановка задачи................................................ 26
2.2. Теоретический анализ дифракции в измерительной схеме из двух фазовых дифракционных решеток......................................... 26
2.3. Анализ зависимостей интенсивностей первых дифракционных порядков от параметров системы.......................................... 37
2.3.1. Сопряжение линейных участков зависимостей /±,(*) с проти- 44
воположным наклоном.................................................
2.4. Вывод формул, описывающих зависимости интенсивности нулевог о дифракционного порядка от параметров системы.......................... 45
2.5. Компьютерный расчет формы зависимости интенсивности нулевого порядка и нахождение областей линейности.............................. 48
2.5.1. Анализ зависимостей /0(*/Л) при отклонении параметра £ от оптимальных значений.................................................. 54
2.5.2. Периодичность зависимостей 10(х/А) от параметра £.......... 57
2.6. Исследование вопроса о сопряжении линейных участков нулевого и первых дифракционных порядков......................................... 60
2.6.1. Результаты анализа в интервале Ь е (0, я/4)................. 60
2.6.2. Результаты анализа в интервале Ь е (я/4, я/2)............... 63
2.6.3. Анализ сопряжения линейных участков с полным перекрытием области измерений.................................................. 66
2.7. Учет ограниченности оптического пучка............................ 69
2.7.1. Методика анализа сигнала в нулевом порядке с учетом ограниченности падающего пучка............................................ 71
2.7.2. Методика расчета весовых коэффициентов...................... 73
2.7.3. Определение критерия практического применения............... 78
2.7.4. Методика анализа сигнала в первых порядках с учетом ограниченности падающего пучка............................................ 81
2
2.7.5. Расчет характеристик 10(х) и /±,(х) с учетом влияния ограниченности пучка....................................................... °3
2.8. Анализ влияния отклонений формы решеток от идеального меандра на характеристики системы.......................................... 91
Глава 3. Экспериментальное исследование схемы из двух фазовых дифракционных решеток и датчиков на ее основе....................... 103
3.1. Введение....................................................... 103
3.2. Датчик малых угловых и линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток....................................... 104
3.2.1. Устройство датчика. Основные расчетные соотношения 104
3.2.2. Экспериментальный макет измерителя малых перемещений... 109
3.2.3. Расчет чувствительности датчика......................... 114
3.2.4. Результаты экспериментальных испытаний макета профило-метра............................................................... 119
3.3. Оптоэлектронный датчик для измерения угловых колебаний конструкций.............................................................. 122
3.3.1. Устройство и физический принцип работы................... 122
3.3.2. Сравнение методов измерений угловых колебаний с применением блока-сенсора и ножевой диафрагмы.............................. 130
3.3.3. Экспериментальное исследование статических характеристик
и калибровка датчиков............................................... 133
3.3.4. Результаты измерений колебаний конструкции............... 140
Глава 4. Измерители малых линейных перемещений на основе схемы
оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн
(ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР)........................ 145
4.1. Схемы измерителей и принцип работы............................. 145
4.2. Анализ схемы измерителя малых перемещений...................... 148
4.3. Анализ основных погрешностей измерения......................... 150
4.4. Анализ влияния отражений ПАВ на измерения малых перемещений.. 154
4.5. Экспериментальное исследование влияний отражений на измерения малых перемещений по фазовым измерениям............................. 157
4.6. Исследование зависимости коэффициента отражения от частоты
при отражении от края подложки..................................... 160
Заключение.......................................................... 168
Список литературы................................................... 170
Приложение 1. Вывод формул для расчета глубины ПФМ в схеме на
просвет при наклонном падении пучка на систему..................... 174
Приложение 2. Вывод формул для расчета коэффициентов разложения фазовой дифракционной решетки в виде меандра в ряд Фурье............ 175
3
Приложение 3. Описание программы для расчета зависимостей /0(х) и /*,(*) при различных значениях £ и для нахождения максимальных
участков линейности этих зависимостей................................ 177
Приложение 4. Описание программы для нахождения случаев двойного
сопряжения участков линейности зависимостей /0(х) к 1±1(х)......... 180
Приложение 5. Описание программы для расчета весовых коэффициентов зависимостей /0(дг) и 1±х(х) с учетом влияния ограниченности пучка............................................................... 182
Приложение 6. Описание программы для расчета зависимостей /0(;с) и /+,(*) при использовании решеток, которые имеют отклонения от формы
184
идеального меандра...................................................
Приложение 7. Расчет соотношения между перемещением щупа и смещением решеток датчика............................................... 186
4
Введение
В настоящее время в связи с развитием прецизионных и нанометриче-ских технологий значительно увеличилось количество исследований измерений малых перемещений и колебаний с высокой точностью в субмикрометро-вом и нанометровом диапазонах. Определение малых перемещений объектов является важной функцией современных прецизионных автоматизированных систем. Датчики малых перемещений и колебаний широко применяются в таких областях как робототехника, строительство, машиностроение, производство печатных плат, промышленная техника измерения и регулирования, приборостроение и многих других областях науки и техники.
Среди существующих методов измерений малых перемещений и колебаний важное место занимают оптоэлектронные методы, основанные на различных физических явлениях, таких как интерференция, дифракция, рассеяние света. В современной литературе описано множество различных оптических и оптоэлектронных измерительных систем малых перемещений и колебаний [1-8], среди которых выделяются интерференционные [9-15], голографические [16, 17], дифракционные [25-27] и муаровые датчики [5, 6, 22]. Основным достоинством оптических датчиков малых перемещений и колебаний является высокая точность измерений. Кроме того, оптические датчики малых перемещений и колебаний нечувствительны к паразитным магнитным и электростатическим помехам, а некоторые из них достаточно просты в изготовлении.
В настоящей работе исследуются оптоэлектронные схемы измерения малых перемещений и колебаний, основанных на двойной дифракции оптического пучка на фазовой дифракционной решетке в виде меандра. Такие схемы исследовались ранее в целом ряде работ [23-27]. Так, например, ранее в 80-х годах на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов проводились исследования дифракционных и акустооптических измерителей малых линейных перемещений и колебаний [25-27, 31, 36]. В настоящей
5
работе удалось выдвинуть ряд новых предложений и идей по усовершенствованию датчиков дифракционных и акустооптических типов.
В диссертации будут рассмотрены новые, усовершенствованные измерительные устройства малых перемещений и колебаний, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с датчиками, описанными ранее. В частности, будут рассмотрены новые варианты датчиков малых угловых и линейных перемещений и макет профилометра для измерения неровностей поверхности на основе усовершенствованного интегрального блока из двух решеток (патенты [51, 52]).
Теоретическое исследование предыдущих вариантов датчиков на фазовых дифракционных решетках проводилось приближенно, на основе полученных аналитических формул без значительных компьютерных расчетов. Схема с использованием нулевого порядка дифракции практически не применялась. С появлением современных компьютерных программ для расчета характеристик становится возможным детально анализировать зависимости интенсивностей дифракционных порядков и исследовать их линейность при различных параметрах системы. Компьютерные расчеты дают возможность строить различные математические модели и исследовать зависимости, описывающиеся сложными математическими формулами. Например, с помощью математических моделей удается проанализировать влияние отклонения формы решеток от идеального меандра и влияние расходимости пучка на рабочие характеристики системы.
Наряду с дифракционными датчиками в диссертации рассматриваются измерительные устройства и датчики на основе применения метода оптического зондирования (03) поверхностных акустических волн (ПАВ) с опорной дифракционной решеткой (ОДР). Метод 03 ПАВ с ОДР был предложен и разработан на кафедре радиофизики Российского университета дружбы народов [28-34]. На основе этого метода были разработаны различные варианты датчиков перемещений, обладающих чувствительностью порядка десятых долей нанометра, и построены профилометры с высокой разрешающей способностью [36]. Однако в этих работах не было глубоко проанализировано
влияния вторичных переотражений, которые искажают результаты измерений перемещений. Характерным примером вторичных волн является так называемая волна трехкратного прохождения, которая образуется в результате переотражения от возбудителя ПАВ [34]. Эта волна складывается с прямой волной в некоторой фазе, которая зависит от частоты, поэтому результаты измерений содержат дополнительные ошибки за счет влияния этой, так называемой, «трехпроходной» волны. Поэтому одной из основных задач работы является нахождение условий, при которых ошибки измерений минимальны или находятся в допустимых пределах.
Таким образом, в настоящей диссертации ставится задача усовершенствования и более детального исследования измерительных систем малых перемещений и колебаний, построенных на основе фазовых дифракционных решеток и ПАВ.
В настоящей работе были поставлены следующие задачи:
- Изучить различные методы измерений малых перемещений, их достоинства и недостатки;
- Провести теоретический анализ системы из двух фазовых дифракционных решеток, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, и определить оптимальные параметры схемы, необходимые для получения максимальных значений протяженности участка линейности датчика и уровня выходного сигнала, регистрирующего малые перемещения;
- Изготовить образцы новых датчиков, отработать методику измерений и провести экспериментальные измерения малых перемещений;
- Рассмотреть однолучевую и двухлучевую схемы измерений малых линейных перемещений на основе оптического зондирования ПАВ с ОДР и проанализировать основные ошибки измерений.
Дальнейшее изложение материала диссертации строится по следующему плану.
Глава 1 - обзорная. В ней проведен краткий обзор литературы, посвященный существующим методам измерения малых линейных и угловых пере-
7
мещений. Особое внимание уделено оптоэлектронным методам измерения перемещений.
В главе 2 проведен теоретический анализ системы из двух фазовых дифракционных решеток, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Получены общие формулы для интенсивностей дифракционных порядков на выходе системы из двух фазовых высокосимметричных решеток. Для схемы с фазовыми дифракционными решетками с профилем в виде меандра проведены детальные расчеты зависимостей интенсивностей нулевого и первых дифракционных порядков с применением компьютерных алгоритмов в среде Ма№са(1. В результате численного анализа зависимостей интенсивностей нулевого и первых дифракционных порядков от относительного смещения решеток в рассматриваемой системе показана возможность увеличения диапазона линейности характеристик за счет сопряжения линейных участков характеристик при условии оптимального выбора расстояния между решетками.
Кроме этого, в данной главе диссертации произведен учет влияния ограниченности падающего пучка на рабочие характеристики системы. Рассмотрен случай ограниченности светового пучка по апертуре, и предложена новая методика анализа на основе геометрических параметров системы. Рассмотрен случай отклонения формы решеток от идеального меандра и показано, что даже при незначительном отклонении формы решеток от идеального меандра происходит значительное изменение формы зависимостей.
В главе 3 предложено и испытано два новых практических устройства, в основе работы которых лежит двойная дифракция оптического пучка на фазовой дифракционной решетке с профилем в виде меандра. На устройства получены авторские свидетельства.
Первое рассмотренное устройство - датчик малых линейных и угловых перемещений на основе прозрачного параллелепипеда с нанесенными на его грани фазовыми дифракционными решетками. На основе этого датчика построен макет измерителя малых перемещений с простой системой настройки на линейный участок.
8
Второе рассмотренное в этой главе устройство - оптоэлектронный датчик для измерения угловых колебаний конструкций, основным элементом которого является блок-сенсор из прозрачного материала, на одной грани которого нанесена фазовая дифракционная решетка с профилем в виде меандра, а на второй - зеркальная отражающая пленка. Для этих устройств произведен расчет оптимальных параметров, изготовлены экспериментальные образцы, и проведены экспериментальные исследования по измерению линейных и угловых перемещений.
В главе 4 рассматриваются датчики малых линейных перемещений на основе поверхностных акустических волн. В этой главе рассмотрены однолучевые и двухлучевые схемы измерителей с отражением оптического пучка. Рассмотрены основные погрешности измерений, и показано преимущество двухлучевой схемы над однолучевой. Произведен учет влияний переотражений на результаты измерений малых перемещений. Показано, что вторичные переот-ражения от различных граней подложки и возможные преобразования объемных волн в ПАВ могут значительно искажать истинные результаты измерений. Изучены пути уменьшения влияния переотраженных волн.
Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе, опубликованы в 2 печатных статьях и 7 трудах и тезисах конференций. Получен 1 патент на полезную модель с участием автора.
9
Глава 1. Обзор литературы по измерениям перемещений и колебаний
1.1 Введение
Датчики перемещений и колебаний применяются практически во всех областях науки и техники, среди которых выделяются микроэлектроника, точная механика, робототехника, сейсмометрия и др. По числу областей применения датчики перемещений и колебаний в значительной мере опережают датчики других физических величин. Измерение линейных и угловых перемещений составляет только в промышленности около 90% всех контролируемых параметров. Измерители перемещений являются составными частями многих автоматизированных и измерительных устройств и широко применяются при производстве специализированных станков и научных приборов. Производством датчиков занимаются в настоящее время большое количество фирм по всему миру (ОАО «Калибр» (www.kalibroao.ru). РИФТЭК (www.riftek.com). Philips, Gems Sensors, FISO Technologies (www.fiso.com). Mitutoyo (www.mitutovo.com). Renishaw (www.renishaw.ru). Hommelwerke (www.hommelwerke.de) и др.).
Развитие микро- и нанометрических технологий предъявляет все более жесткие требования к точности перемещений узлов машин и приборов и требует создания новых типов датчиков перемещений, имеющих невысокую цену, небольшие размеры и обладающих высокой разрешающей способностью и точностью. Поэтому в настоящее время продолжаются исследования систем измерения перемещений в субмикрометровом и нанометровом диапазонах.
Исследованию датчиков перемещений и колебаний посвящено большое количество научных и научно-технических публикаций. Так, в работах [1-8] описаны устройства и принципы действия современных датчиков перемещений и колебаний различных типов. Существует довольно много видов датчиков перемещения, отличающихся по принципу действия: резистивные и тензометри-ческие датчики, индуктивные и магнитные датчики, емкостные, потенциометрические, гравитационные, пьезоэлектрические, радиоволновые, оптоэлектронные датчики и другие.
10
В этой главе рассмотрим только оптические датчики, так как они являются наиболее близкими по принципу работы к датчикам, рассматриваемым в диссертации. Подробное и достаточно полное описание принципов действия других видов датчиков можно найти в работах [1-8].
1.2 Оптические методы измерения перемещений
В оптических датчиках благодаря использованию лазера обеспечивается бесконтактность и дистанционность измерений, увеличивается разрешающая способность, повышается производительность и точность. Среди основных достоинств оптических датчиков можно назвать отсутствие нагрузочного эффекта и относительно большие рабочие расстояния. Они нечувствительны к паразитным магнитным полям и электростатическим помехам, что делает их незаменимыми для некоторых приложений. В состав оптических датчиков перемещений, как правило, входят источник света, фотодетектор, устройства, управляющие светом (линзы, зеркала, оптические волокна и т.д.), а также устройства сопряжения с современными компьютерными технологиями.
Существует несколько способов измерения перемещений в оптических датчиках. Большая часть из них базируются на методах интерферометрии [9-15, \vww.ren\shaw.ru]. В этих датчиках используется явление интерференции двух пучков: опорного оптического пучка и измерительного пучка, взаимодействующего с движущимся объектом. Пучки интерферируют между собой и направляются на фотодетектор. По числу переходов изменения интенсивности можно определить величину перемещения движущегося объекта. При этом один переход соответствует половине длины волны оптического излучения.
Голографические методы относятся к интерференционным методам и также широко распространены при исследованиях перемещений и колебаний различных объектов. Известны голографические датчики, которые используют когерентные измерительные системы, основанные на комбинации интерференционного поля и голографической дифракционной решётки [16, 17]. Также применяются голографические методы измерения перемещений и колебаний, ос-
11
нованные на фотографировании отраженного от диффузной поверхности светового пучка с этим же пучком при смещениях поверхности.
Допплеровские методы основаны на измерении изменения частоты излучения лазера, отраженного от объекта измерения. Эти методы также используют явление интерференции, они подробно описаны в работах [7,8].
Интерференционные методы обладают высокой разрешающей способностью, с их помощью можно регистрировать амплитуды механических колебаний в сотые доли ангстрема. Кроме того, эти методы позволяют получать высокие соотношения сигнал-шум и обладают высокой помехозащищенностью. Однако интерферометрические датчики являются очень сложными и дорогими крупногабаритными устройствами, требующими точной настройки и тщательной подг отовки эксперимента.
Фотоэлектрические методы основаны на измерении интенсивности излучения, взаимодействующего с подвижным объектом. К датчикам, построенным по этим методам, относятся широко распространенные муаровые растровые датчики [5, 6, www.riftek.corn], датчики с перекрытием светового потока, датчики на основе многоэлементных фотоприемников [6, 19] и др.
В акустооптических методах используется зависимость фазы оптического сигнала от взаимного расположения звукопровода, опорных дифракционных структур и лазерного пучка [3, 36]. Интересные системы датчиков можно построить на основе оптических волокон [20, 21]. Также существуют оригинальные оптоэлектронные датчики нестандартных конструкций [18]. Рассмотрим некоторые схемы оптоэлектронных датчиков подробнее.
1.2.1 Оптические мостовые схемы. Классическая концепция мостовых схем применима и к оптическим датчикам [1]. На рис. 1.1 приведен пример построения мостового оптического датчика. Четырехквадрантный фотодетектор состоит из четырех детекторов света, соединенных в мостовую схему. На фотодетектор при помощи оптической системы фокусируется изображение достаточно яркого объекта, оптическая контрастность которого отличается от окружающей среды. Четыре выхода фотодетектора подсоединяются к со-
12
ответствующим входам дифференциальных усилителей. Выходной сигнал каждого усилителя зависит от перемещения изображения от оптического центра датчика вдоль соответствующей оси. Когда изображение находится точно в центре, выходные сигналы обоих дифференциальных усилителей равны нулю. При смещении изображения на выходах усилителей появляются сигналы. Датчики такого типа, как правило, работают в совокупности с системами автоматического регулирования.
Рис. 1.1. Оптический мостовой датчик перемещений, в котором используется четырехквадрантный фотодетектор с подключением чувствительных элементов к дифференциальным усилителям.
1.2.2 Интерферометрические датчики. Интерферометрические датчики занимают важное место среди измерителей перемещений и колебаний. Анализ исследований лазерных интерферометров, проведенный в работе [9], позволяет сделать вывод о важности этих методов и перспективности их применения для высокоточных измерений перемещений и колебаний. Эти методы в настоящее время являются одними из наиболее точных методов измерения перемещений, с помощью которых создаются метрологические системы обеспечения измерений в субмикрометровом и наномегровом диапазонах. Принцип измерения перемещений в интерферометрических датчиках заключается в явлении интерференции волн, которая приводит к стабильному разделению волнового поля на чередующиеся области усиления и ослабления. В видимой части спектра интерференционная картина представляет собой чередование черных и белых полос с периодом, равным половине длины волны оптического излучения. Производя счет интерференционных полос, можно определить смещение объекта.
13
Интерферометрические датчики перемещений описаны в большом количестве статей [9-15] и широко используются в технических устройствах, имеющих дело с прецизионными перемещениями. Многие современные фирмы серийно производят различные виды интерферометрических и других видов датчиков перемещений, которые применяются в различных областях промышленности. Например, фирма Кеш8Ьа\¥ (www.renishaw.ru) серийно выпускает интерферометрические датчики малых перемещений ЛЬЕ 10, один из вариант которых показан на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Интерферометрический оптоволоконный датчик измерения планарных перемещении ШЕЮ фирмы ЯемяИам.
Датчик состоит из лазерного блока, внутри которого находится гелий-неоновый лазер, электроника системы и устройство ввода излучения в оптические волокна, с помощью которых излучение подается к детекторным головкам. В детекторных головках находится неподвижная часть оптической системы интерферометра, детектор интерференционной картины и устройство управления лазерным пучком. Для увеличения разрешающей способности измерений в датчике применяются цифровые интерполяторы с различными коэффициентами, которые за счет разбиения выходного сигнала позволяют получать перестраиваемое разрешение с максимальным значением Юнм.
Кроме интерферометрических датчиков фирма Renishaw производит также большое количество датчиков линейных и угловых перемещений на основе совокупностей отражающих металлических решеток и фазовых дифракцион-
Лазерный Оптическое блок ^ волокно і
14
ных решеток. Например, серии датчиков линейных перемещений ЯШ и Яв4 с периодами решеток 20мкм и 40мкм позволяют измерять перемещения с изменяемым разрешением до Юнм, а датчики угловых перемещений ЯЕБЯ позволяют измерять угловые перемещения с максимальным разрешением, равным 0,01 угловой секунды.
Выходной
Рис. 1.3. Схема работы интерферометрического датчика линейных перемещении КС20 фирмы ЯетяЬам.
В качестве недостатков интерференционных методов измерения малых перемещений следует выделить высокую стоимость датчиков, сложную конструкцию и высокую точность установки системы.
1.2.3 Голографические датчики. Прецизионные датчики перемещений можно построить на основе голографических решеток. Так, например, в работах Турухано Б.Г. [17, 18] описываются датчики линейных перемещений на основе синусоидальной голографической решетки и интерференционного поля. На основе голографических решеток с периодами порядка 1 мкм были созданы различные устройства прецизионных измерений перемещений:
1. Голографический преобразователь линейных перемещений, имеющий следующие параметры: период решетки - 1мкм, длина решетки -
/, = 50-1100мм у максимальное разрешение - 0,01 мкм, точность измерения ±(0,02 -г- 0,4/, / 1000),икл<.
15
2. Датчик угловых перемещений с параметрами: пределы измерения -0°ч-360°, точность измерения ±(0,24-0,4)угл.сек., максимальное разрешение-0,01 угл. сек.
3. Нрофилометр для определения формы изделия по одной координате: пределы измерения £ = 100-1000лш, точность ±0,5лмсм, максимальное разрешение-0,01 мкм.
4. ГХпоскомер для определения отклонения от плоскости поверхностей: пределы измерения - поверхность не ограничена, точность ±0,02/100лши, максимальное разрешение-0,01 мкм.
5. 3-х координатная измерительная машина для обмера деталей сложной формы: пределы измерения - 1 = 550х550х200лш3, точность
±(0,1 + 1,2±/1000)лиси, максимальное разрешение - 0,01 мкм.
Для увеличения разрешающей способности в устройствах применялись голографические решетки с периодами 1мкм. Подсчет периодов и последующая интерполяция амплитудных зависимостей позволила добиться разрешающей способности 0,01 мкм.
Недостатком голографических систем является большая сложность изготовления решеток с периодами, равным единицам микрон, и длинами до 1 метра. Создание таких решеток требует высокоточных установок и является само по себе уникальной практической задачей.
1.2.4 Муаровые (растровые) датчики. Растровые оптоэлектронные датчики перемещений относятся к аналоговым преобразователям с периодическим выходным сигналом. Модулирующими элементами в растровых датчиках служат различные периодические структуры: дифракционные решетки, интерференционные шкалы длин волн, штриховые меры. Растровые датчики подробно описаны в работах [5,6]. На рис. 1.4 показан растровый датчик перемещения, изготовленный на основе двух перекрывающихся решеток, играющих роль модулятора интенсивности света. Одна из дифракционных решеток неподвижная, а вторая связана с перемещающимся объектом. При относительном перемещении
16