Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ преобразователей линейных перемещений 12
1.1 Сопоставительная оценка известных преобразователей линейных перемещений 12
1.2. Физические основы построения акустооптических преобразователей линейных перемещений 28
1.3. Классификация акустооптических преобразователей перемещений 32
1.4. Принципы построения акустооптических преобразователей линейных перемещений 37
Выводы по главе 1 48
ГЛАВА 2. Математическая модель акустооптического преобразователя линейных перемещений 50
2.1. Структурная и принципиальная схемы АОПЛП 50
2.2. Математическая модель АОПЛП при распространении немодулированной УЗ-волны в АОМ в режиме дифракции Рамана-Ната 53
2.3. Моделирование процессов, происходящих в оптической
системе АОПЛП при прохождении УЗ-волны в АОМ 70
Выводы по главе 2 77
ГЛАВА 3. Исследование погрешностей АОПЛП 79
3.1. Точность АОПЛП и методы ее нормирования 79
3.2. Классификация погрешностей АОПЛП 84
3.3. Инструментальные источники основной погрешности АОПЛП 85
3.4. Эксплуатационные источники основной погрешности АОПЛП 89
3.5. Внутренние источники дополнительной погрешности 91
3.6. Внешние источники дополнительной погрешности 93
Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования, основы проектирования и новые конструкции АОПЛП 107
4.1. Описание экспериментальной установки 107
4.2. Результаты измерений и их обработка 111
4.3. Рекомендации по проектированию АОПЛП 116
4.4. Новые конструкции АОПЛП 124
4.5. Возможные применения АОПЛП 129
Выводы по главе 4 131
Заключение 132
Литература
- Физические основы построения акустооптических преобразователей линейных перемещений
- Математическая модель АОПЛП при распространении немодулированной УЗ-волны в АОМ в режиме дифракции Рамана-Ната
- Инструментальные источники основной погрешности АОПЛП
- Результаты измерений и их обработка
Введение к работе
Актуальность. Развитие высокопроизводительных технологических процессов и их автоматизация требуют создания большого количества разнообразных преобразователей физических величин с высокими метрологическими характеристиками и расширенными функциональными возможностями.
Проведенное фирмой «Business Communications Company, Inc.» (США) исследование «ІЮВ-200ІІ-Технологии и рынки промышленных датчиков» (январь 2002 г.) показало, что трагические события 11 сентября развеяли надежды на быстрый подъем, но, тем не менее, ожидается постепенное восстановление рынка [51]. В период с 2001г. до 2006 г. ожидается среднегодовой рост рынка промышленных датчиков, равный 6,2%. Объем продаж вырастет с 5 млрд. долл. США в 2001 г. до 6,8 млрд. долл. в 2006 г. Темпы роста будут определяться конкуренцией в обрабатывающих отраслях промышленности, стимулирующих улучшение показателей их работы, и новыми, бурно развивающимися технологическими процессами.
В общем комплексе преобразователей физических величин важное место занимают преобразователи линейных перемещений в электрический сигнал, удельный вес которых в отечественном машиностроении составляет 90-95%, а при производстве электронной аппаратуры - до 50-60% [65]. Широко используются и преобразователи параметров движения — скорости и ускорения [8].
В зарубежной производственной практике доля преобразователей линейных перемещений составляет 80-90% среди других типов преобразователей информации [8].
В технике в настоящее время используется множество преобразователей линейных перемещений, основанных на различных физических эффектах. Однако они не в полной мере отвечают комплексу возросших требований к
преобразователям перемещений в отношении простоты, надежности, точности и т.д.
В то же время, в зарубежной и отечественной практике все больше используются преобразователи, основанные на акустооптическом эффекте. Это объясняется тем, что акустооптические преобразователи достаточно просты в изготовлении, обладают возможностью значительного удаления вторичной аппаратуры от места измерений, универсальностью, отсутствием механического контакта с исследуемой поверхностью, высокой точностью и т.д.
Акустооптические преобразователи нашли широкое применение в качестве модуляторов света [45, 75, 99]. В дальнейшем область их применения расширилась. Они могут использоваться в качестве преобразователей для контроля параметров окружающей среды и преобразователей физических величин. Анализ известной научно-технической и патентной литературы показал, что разработаны в основном акустооптические модуляторы, а также различные устройства на их основе, которые могут быть использованы в самых различных областях народного хозяйства и техники, в том числе в точном машиностроении, станкостроении, геодезии, а также в приборах экспериментальной физики.
Среди наиболее известных зарубежных разработчиков акустооптических преобразователей можно отметить фирмы "Екогава дэнки К.К.", "К.К. Симадзу сэйсакусе" и "Ниппон дэнки К.К." (все - Япония), HUGHES AIRCRAFT COMPANY (США), ВМ INDUSTRIES (Франция) [60...64].
Вопросам теории и расчета акустооптических элементов, а также конструирования отдельных акустооптических преобразователей перемещений посвящены труды отечественных и зарубежных ученых Телешевского В.И., Яковлева Н.А., Леун Е.В., Юрлова В.И., Максимова А.Н., Зубринова И.И., Шелопута Д.В., Шумилова К.Г., Кулакова СВ., Балакший В.И., Гасанова А.Р., Бессонова А.Ф., Дерюгина Л.Н., Пилиповича В.А., Korpel A., Damon R.W.,
7 Moloney W.T., Xu J., Stroud R., Goutzoulis A.P., Pape D.R., Kino G.C., Uchiba N., Niizeki N., Young E.H., Yao S-K. и других.
Однако в известных работах отсутствуют принципы построения акустооптических преобразователей линейных перемещений (АОПЛП); классификация акустооптических преобразователей перемещений (АОПП). Отсутствуют сведения о разработке математических моделей АОПЛП и их основных характеристиках. Нет сведений об исследовании технических возможностей АОПЛП, их эксплуатационно-технических характеристиках, методике их проектирования и практическом использовании.
Все это сдерживает создание новых АОПЛП, обладающих улучшенными характеристиками, и их использование в системах управления.
Вот почему необходима разработка АОПЛП, обладающих улучшенными показателями качества. Это является актуальной научно-технической задачей, так как повышение эффективности АОПЛП позволяет улучшить качество функционирования систем управления и их технико-экономические показатели.
Основание для выполнения работы. Исследования в рамках диссертационной работы проводились в соответствии с планами НИР УГАТУ по темам: 1. Волновые системы и устройства (Госрегистрация № 01940008481. Инв. № 02960004245. - Москва: ВНТИЦ, 1996); 2. Создание датчиков для измерения физических величин (Госрегистрация № 01960004245. Инв. № 02990001979. - Москва: ВНТИЦ, 1999); 3. Исследование возможности построения датчиков физических величин с использованием акустооптических эффектов (единый заказ - наряд по теме АП - ИТ - 15 - 00 - 03/Б, выполняемой по заданию Министерства образования России).
Цель и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является
моделирование акустооптических преобразователей линейных перемещений и исследование их основных характеристик для создания научной базы по проектированию и разработке новых АОПЛП, обладающих улучшенными показателями качества (точность и надежность).
8 Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. проведение сопоставительной оценки преобразователей линейных
перемещений, основанных на различных физических эффектах. Определение
основных требований, предъявляемых к ним. Разработка классификации
акустооптических преобразователей перемещений (АОПП). Выявление
принципов построения акустооптических преобразователей линейных
перемещений (АОПЛГТ);
2. разработка математической модели АОПЛП - зависимости выходного
напряжения преобразователя от параметров акустооптического модулятора
(АОМ) и оптической системы АОПЛП. Выявление методов увеличения
величины интенсивности светового потока на выходе АОМ в функции
параметров оптического тракта и "звукопровода;
3. разработка и исследование статической характеристики АОПЛП
- зависимости задержки в возникновении сигнала на выходе фотоприемника по
отношению к моменту прихода ВЧ сигнала на вход АОМ - в функции
координаты подвижной части преобразователя и параметров материала АОМ.
Выявление путей увеличения чувствительности и быстродействия АОПЛП;
исследование источников погрешностей и разработка методов повышения точности АОПЛП;
разработка рекомендаций по проектированию АОПЛП, включающих методику проектирования АОМ, рациональный выбор материалов АОМ, пьезоэлектрического преобразователя, акустического поглотителя;
6. построение АОПЛП в лабораторных условиях, проведение его
экспериментальных исследований и обработка результатов эксперимента.
Методы исследований. Представленные в диссертационной работе научные положения обоснованы теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением теории электромагнитного поля, использованием уравнений упругих волн в средах, функций Бесселя, закона Гука и других.
Основные теоретические положения и выводы подтверждены результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на этапах разработки. Исследования проводились на кафедре «Информационно-измерительная техника» УГАТУ.
На защиту выносятся:
результаты систематизации принципов построения акустооптических преобразователей линейных перемещений;
математическая модель АОПЛП;
статическая характеристика АОПЛП и методы повышения чувствительности;
результаты экспериментальных исследований АОПЛП;
5. результаты исследования погрешностей и методы повышения точности
АОПЛП.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, заключается в следующем:
проведен сравнительный анализ преобразователей линейных перемещений и показана перспективность использования АОПЛП для применения в системах автоматизированного управления производственными процессами;
разработана классификация акустооптических преобразователей перемещений; выявлены принципы построения АОПЛП;
разработана математическая модель АОПЛП - зависимость выходного напряжения преобразователя от параметров акустооптического модулятора (АОМ) и оптической системы АОПЛП;
на основании исследования основных характеристик выявлено влияние на них параметров АОПЛП и предложены способы их улучшения;
разработаны рекомендации по проектированию акустооптических
преобразователей линейных перемещений.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
предложены оригинальные конструкции АОПЛП, имеющие повышенную точность и помехоустойчивость;
разработана структура измерительной части преобразователя, позволяющая исключить влияние непостоянства скорости распространения УЗ-
10 волны в среде (акустооптическом модуляторе света) на результат измерения (свидетельство на полезную модель РФ № 17219 от 18.08.2000);
- проведен комплекс экспериментальных исследований по получению и обработке данных, обеспечивающих практическое использование предложенного метода расчета АОПЛП.
Основные результаты диссертационной работы в виде методов построения и анализа математической модели АОПЛП, методов улучшения основных и точностных характеристик, методики экспериментального исследования АОПЛП и новые высокоэффективные преобразователи перемещений на акустооптическом эффекте с улучшенными показателями качества внедрены на муниципальном предприятии электрических сетей «Контакт» (Архангельское, Республика Башкортостан), в Уфимском речном порту (Уфа, Республика Башкортостан). Принципы построения и методика расчета характеристик АОПЛП внедрены в учебный процесс при чтении лекций по дисциплинам «Методы и средства измерений», «Измерительные преобразователи и электроды», курсовом и дипломном проектировании в Уфимском государственном авиационном техническом университете.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (г. Уфа, 1998 г.); межвузовской научно-практической конференции «Наука-сервис-семья» (г. Уфа, 1998 г.); III Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (г. Н.Новгород, 1998 г.); международной научно-практической конференции «Сервис большого города» (г. Уфа, 1999 г.); международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (г. Уфа, 1999 г.); XI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчик 1999» (г. Судак, Крым, 1999 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений» (г. Н.Новгород, 2000 г.); XII научно-технической конференции с
участием зарубежных специалистов «Датчик 2000» (г. Судак, Крым, 2000 г.); XIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчик 2001» (г. Судак, Крым, 2001 г.); четвертой международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре и образовании» (г. Астрахань, 2001 г.); XV научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчик 2003» (г. Судак, Крым, 2003 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 1 свидетельство на полезную модель, 2 статьи в центральном специализированном журнале «Датчики и системы» и 4 статьи в сборниках трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 123 наименований и приложения. Основная часть диссертации изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунка и 14 таблиц.
Физические основы построения акустооптических преобразователей линейных перемещений
В основе работы акустооптических преобразователей линейных перемещений лежит акустооптический эффект. Акустооптическим эффектом называют явление изменения коэффициента преломления вещества при прохождении ультразвука [28]. Это приводит к дифракции, преломлению, отражению или рассеянию света на периодических неоднородностях среды (зонах с различным показателем преломления), вызванных упругими деформациями под воздействием ультразвука. Периодическое чередование неоднородностей среды ведет себя как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча.
Ультразвуковые колебания возбуждаются в кристалле (напр. ТеОі) с помощью преобразователя (рис. 1.9), например пьезоэлектрика ЫМЮз, прикрепленного к торцу кристалла, и передаются вдоль оси Z, формируя внутри кристалла фазовую дифракционную решетку. Ее период (длина волны колебаний) при частоте колебаний / и скорости их распространения V выражается как A=V/f. Например, для стекла =3,1 103 м/с, при /=40 МГц период Л«78 мкм. Свет, падающий на эту фазовую дифракционную решетку под небольшим углом к оси У, дифрагирует. Различают два вида акустооптических эффектов. При низкой частоте / звука (от нескольких десятков МГц и ниже) и малой ширине фронта (длине / взаимодействия со светом) ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана-Ната (рис. 1.9, а). А если частота звука высока (/ десятков МГц) и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга (рис. 1.9, Ь).
Условием возникновения дифракции Рамана-Ната является Я//Л «1, где Я - длина световой волны, Л - длина волны звуковой волны. Резонансная дифракция имеет место при нормальном падении света на звуковой пучок. При этом световая волна проходит сквозь звуковой пучок не отражаясь, а периодическое изменение коэффициента преломления среды п под действием ультразвука приводит к периодическому изменению фазы прошедшей звуковой волны.
В результате на выходе из акустического пучка плоская световая волна оказывается модулированной по фазе, т.е. падающий световой луч разбивается на серию лучей, направленных под малыми углами Є = ±/иА./Л к направлению падающего света в направлении оси Y. Здесь т = 0, 1, 2... -порядок дифракции.
При этом, если принимать дифрагированный луч какого-либо порядка и модулировать ультразвук по мощности, то дифрагированный свет будет модулирован по интенсивности с частотой модуляции ультразвука. На практике чаще используется дифрагированный луч порядка ±1. Однако теоретически максимальная эффективность такой дифракции достигает 33,9%, что, конечно, мало.
Помимо дифракции наблюдается доплеровское смещение частоты, равное mQ, где Q- частота ультразвука.
При условии Л1/Л 1 возникает дифракция Брэгга. В этом случае отражается только луч света, составляющий определенный угол падения вв с фронтом ультразвуковой волны. Свет может отклониться лишь на угол 26 от первоначального направления. Угол Брэгга находится из соотношения 0В = 29 = arcsin(X/2A).
При дифракции Брэгга коэффициент отражения отклонившегося луча близок к 100%, что существенно для практического использования. При 1-Х см и частотах ультразвука выше 20 МГц в жидкостях и выше 100 МГц в твердых телах наблюдается почти полная брэгговская дифракция.
Ширина полосы модуляции определяется шириной полосы частот света, обуславливающей разброс угла Брэгга, и шириной частот ультразвукового преобразователя, а также временем пересечения ультразвуковой волны световым лучом. Для расширения полосы модуляции можно повысить центральную частоту ультразвука и уменьшить диаметр входного светового луча. Например, для кристалла РЬМо04 при центральной частоте 80 МГц, диаметре светового луча 150 мкм время импульса 26 не.
Требования к акустооптическим материалам таковы: рассеяние и поглощение света должны быть незначительными, постоянная фотоупругости и коэффициент преломления велики, поглощение и скорость звука малы [16, 48, 104, 106, 109, 121, 123]. Среди жидкостей по этим параметрам наиболее подходит вода, которую используют во многих экспериментах. Среди твердых тел наиболее удобны для практического использования халькогенидные и теллуровые стекла и такие кристаллы, как молибданат свинца (PbMoOj), диоксид теллура (ТеОг), ниобат лития (ЫШОз), и полупроводники (GaP). А в источниках ультразвука соединения типа PZT-Pb(ZrxTij.J03, а также ZnO, ЫЫЬОз работают как излучатели.
На основе акустооптического эффекта могут быть созданы тонкопленочные волноводные структуры. Принцип распространения света в тонкопленочной волноводнои системе совпадает с таковым для оптического волокна, т.е. световая волна, попавшая в волновод, распространяется в нем благодаря тому, что коэффициент преломления волноводнои среды (подложки) несколько выше коэффициента преломления окружающей среды. Типичные материалы подложки - стекло, кристалл сегнетоэлектрика, например ниобата лития (LiNb03), полупроводник, например, арсенид галлия (GaAs) и другие. Волноводы бывают двухмерные (полосковые) и трехмерные (канальные), а для производства их широко используется разнообразная тонкопленочная технология и техника точной обработки [107, 112, 113, 114].
Учитывая, что разработчиками различных конструкций и схем акустооптических преобразователей перемещений (АОПП) использовались различные приемы, и что известные акустооптические преобразователи перемещений отличаются друг от друга характерными признаками, автором была предпринята попытка их классификации по характерным признакам. С этой целью было проанализировано большое количество конструктивных схем АОПП по известной научно-технической и патентной литературе [28, 35, 36, 60, 61, 62, 63, 66, 76] и в результате разработана классификация АОПП, приведенная на рис. 1.10. По способу падения светового луча на акустооптический модулятор (АОМ) различают преобразователи с углом Брэгга и с нормальным углом. При этом на выходе АОМ может быть один или два луча. Световой луч может быть расщеплен или не расщеплен. В качестве подвижного элемента используются источник света, АОМ или фотоприемник. Информативным сигналом может быть фаза или время запаздывания. В зависимости от вида функций различают преобразователи линейных перемещений в одном направлении, двух направлениях или угловых перемещений.
Далее в качестве примеров реализации рассмотрим АОПП, отличающиеся способом падения луча света на АОМ и количеством лучей на выходе АОМ.
На рис. 1.11 показан преобразователь, в котором луч света падает под углом Брэгга [100]. Модулятор 4 формирует УЗ-сигнал со стабильной частотой, который одновременно подается на один из входов фазометра 6 и модуляционный вход генератора несущей частоты 5. Ультразвуковая волна возбуждается на входном торце АОМ 2 и проходит некоторое расстояние Х0 до пересечения оси светового пучка от источника света 1, претерпевая при этом задержку во времени.
Математическая модель АОПЛП при распространении немодулированной УЗ-волны в АОМ в режиме дифракции Рамана-Ната
Учитывая, что в АОПЛП широко используется немодулированная ультразвуковая волна [1,3, 6], остановимся подробнее на этом вопросе. Рассмотрим задачу о распространении световой волны в изотропной среде в виде плоскопараллельной прозрачной пластины АОМ (рис. 2.3 и 2.4), размер которой вдоль оси Оу, перпендикулярной плоскости чертежа (рис. 2.3 и 2.4), Ъ » Я, где Ь — толщина АОМ, Л - длина волны света, распространяется гармоническая акустическая волна частотой /2со скоростью V вдоль оси 0 [12, 97, 112]. Она возбуждается на входном торце акустооптического модулятора и проходит некоторое расстояние х до пересечения оси светового пучка, претерпевая при этом задержку во времени.
Будем считать, что частоты рассматриваемых акустических волн достаточно велики, так что длина волны мала по сравнению с поперечным сечением акустического столба. В этом случае акустическая волна ведет себя точно так же, как и когерентная оптическая волна, распространяющаяся в свободном пространстве (а не в световоде), и к ней применимы известные из оптики понятия дифракции, фокусировки и т.д. [43].
Предположим также, что затухание звука вдоль звукопровода АОМ не происходит, в силу его небольшой длины. Для того, чтобы акустическая волна в звукопроводе акустооптического устройства была бегущей, т.е. не происходило нежелательного отражения, к акустооптической среде должен примыкать поглотитель энергии этой волны.
Будем полагать, что взаимодействующие волны в объеме звукопровода АОМ, света и звука являются плоскими. Следует отметить, что, конечно, понятие плоских волн является не более чем физической абстракцией. Приборы имеют дело с ограниченными в пространстве световыми и звуковыми волнами и именно эти реально существующие взаимодействия определяют их параметры.
При дифракции Рамана-Ната будем считать, что световой луч проходит через область взаимодействия прямолинейно. Пренебрежение искривлением луча внутри области взаимодействия эквивалентно предположению о чисто фазовой модуляции света при его взаимодействии с упругой волной.
Оптические требования. Падающий световой луч должен быть когерентным как во времени, так и в пространстве. При отсутствии временной когерентности вместо любого монохроматического луча дифрагированного света появилось бы множество лучей, с длиной волны одной из множества излучаемых источником света спектральных линий. При отсутствии пространственной когерентности дифракционная картина, получающаяся для пространственно когерентного света, была бы заменена множеством перекрывающихся дифракционных картин [56].
УЗ-волна в соответствии с упругооптическим эффектом модулирует показатель преломления материала АОМ и в зоне пересечения световой волны представляет собой бегущую фазовую дифракционную решетку. Эта волна создает вариации коэффициента преломления среды по закону бегущей волны [107]
В случае неоднородной акустической волны (например, при дифракции света на поверхностной акустической волне) Лп является меняющейся функцией [12].
В режиме дифракции Рамана-Ната акустооптическое взаимодействие сводится к чисто фазовой модуляции падающей монохроматической световой волны от источника светового излучения [97]. Поэтому если на ультразвуковую волну, которая распространяется в прозрачной среде (АОМ), падает плоская световая волна, то, пройдя толщу акустического столба, фронт световой волны станет "гофрированным" (рис. 2.3). Дифракционная картина в режиме Рамана-Ната изображена на рис. 2.5.
Пусть на АОМ под углом Qt к оси Oz падает плоская световая волна Епад = еуЕ0 ехр[+ i r(x sin Qt - z cos Qt)], (2.2) где (j =2к/Л = о)/С- волновое число света в вакууме; со - угловая частота света; еу— орт поляризации; Е0 — амплитуда нормально падающей световой волны. Учитывая сказанное ранее, что согласно концепции Рамана-Ната свет при прохождении через ультразвуковую волну испытывает лишь фазовую задержку, запишем световое поле после акустического пучка в плоскости z = / (т.е. внутри АОМ), где / - ширина АОМ, используя выражения (2.1) и (2.2)
Из (2.7) следует, что частота света в w-ом дифракционном порядке й)п=со + пС1, т.е. оказывается смещенной относительно частоты падающего света. Физически это есть проявление доплеровского эффекта рассеяния света на движущихся возмущениях показателя преломления.
Поскольку направление нулевого дифракционного порядка совпадает с направлением падающей световой волны, можно считать, что в нулевом дифракционном порядке собирается фактически недифрагированный свет. Дифрагированное поле имеет максимумы в направлениях, которые определяются соотношением
Инструментальные источники основной погрешности АОПЛП
С целью выявления путей уменьшения погрешностей АОПЛП, в работе произведена их классификация и исследование отдельных составляющих погрешностей. Это очень важно с учетом того, что, как было выше отмечено, АОПЛП являются сравнительно новым типом преобразователей перемещений. Поэтому информация о них носит, в основном, характер описаний к авторским свидетельствам и патентам. Вопросу анализа источников погрешностей АОПЛП посвящен ряд работ [15, 16, 17, 36, 40, 56]. Однако в данных работах рассматриваются лишь отдельные составляющие погрешностей и нет полного учета всех их источников.
Классификация источников погрешностей АОПЛП приведена на рис. 3.1. По причине возникновения погрешности делятся на основные и дополнительные. Источники основной погрешности проявляются при нормальных условиях эксплуатации: нормальной температуре окружающей среды, неизменной частоте и синусоидальной форме питающего напряжения, стабильной частоте источника когерентного излучения, отсутствии сильных дополнительных источников света.
Источники дополнительной погрешности проявляются при всяком отклонении от перечисленных нормальных эксплуатационных условий. В свою очередь, источники основной погрешности делятся на инструментальные и эксплуатационные.
Инструментальные источники основной погрешности обусловлены несовершенством технологии изготовления преобразователей и его отдельных деталей. Технологические факторы, как показывает практика, особенно в конструкциях малогабаритных преобразователей, могут вызвать значительные отклонения рабочей характеристики от расчетной. К инструментальным погрешностям следует отнести неточность сборки и настройки конструкций акустооптических преобразователей.
Эксплуатационные источники основной погрешности проявляются при нормальных условиях эксплуатации, но не могут быть учтены при расчете характеристик или при изготовлении, так как чаще всего носят случайный характер.
Источники дополнительной погрешности делятся на внутренние и внешние.
К внутренним источникам дополнительной погрешности относятся отклонения от номинальных значений напряжения, частоты, фазы и др. у генератора высокой частоты, который питает пьезоизлучатель, создающий ультразвуковые колебания в АОМ.
Внешние источники дополнительной погрешности вызываются нестабильностью внешних условий эксплуатации: температуры окружающей среды, сильных дополнительных источников светового излучения, влажности, давления, внешних магнитных полей.
Далее проанализируем вышеупомянутые источники погрешностей акустооптических преобразователей перемещений и способы уменьшения их влияния. К инструментальным источникам основной погрешности относятся неточность настройки и юстировки, а также наличие люфта между подвижными и неподвижными частями АОПЛП.
При высокоточных измерениях подвижных объектов систем с помощью АОПЛП важно отсутствие люфта между подвижными и неподвижными частями системы, что позволяет строго соблюдать принцип Аббе, заключающийся в совмещении движения уголкового отражателя с осью измеряемого объекта [21]. В противном случае возникает погрешность Аббе, которая определяется уголковыми движениями и расстояниями, на которые смещается ось. Так, при смещении оси измерительного инструмента от оси измеряемого объекта на 250 мм и уголковом перемещении порядка 2" ошибка составит 2,5 мкм. Для снижения погрешности Аббе необходимо при разработке схемы контроля учитывать особенности конструкции контролируемого объекта, например станка, и поставленной задачи измерения.
Для более объективной оценки точности станка необходимо определить погрешность шага подачи, погрешности позиционирования по каждой оси в отдельности. На рис. 3.2 показано образование погрешности Аббе, связанной с уголковым перемещением суппорта на ходовом винте металлорежущего станка.
Из рис.3.2,а видно, что ось измерения совпадает с осью ходового винта; здесь уАоое - погрешность, связанная с угловым перемещением рабочей части режущего инструмента. На 3.2,Ь ось измерения совпадает с траекторией движения режущей части инструмента. В этом случае погрешность Аббе отсутствует. Таким образом, прецизионная сборка с отсутствием люфтов позволяет избежать погрешности Аббе.
Неточность настройки и юстировки приводит к отклонению оси лазерного луча от направления движения объекта измерения. А это вызывает погрешность, которую называют погрешностью косинуса [21]. Она является следствием несовпадения расстояний, а именно, измеряемого и фактически пройденного. Эта погрешность возникает при использовании уголкового отражателя в виде призмы (рис. 3.3), если направление ее движения и ось лазерного луча не совпадают. Величина погрешности косинуса может быть определена из геометрических построений. Если угол 9 выразить в радианах, то
Данная погрешность может быть устранена механическим способом, за счет точной настройки и юстировки положения лазерного луча по отношению к оси движения объекта контроля.
В отличие от инструментальных погрешностей, которые могут быть исключены путем тщательной поверки, эксплуатационные источники погрешностей АОПЛП нельзя исключить таким способом, так как эти погрешности носят случайный характер. Появление этих источников погрешности обусловлено эксплуатационными особенностями работы преобразователя.
К эксплуатационным источникам основной погрешности АОПЛП можно отнести старение деталей и случайные отклонения светового пучка. Погрешности, связанные со старением деталей, рассмотрены в работах [92, 97] и не имеют существенной величины.
Рассмотрим погрешность, вызванную случайными отклонениями светового пучка. Данная погрешность может иметь место из-за дрейфа диаграммы направленности или из-за флюктуационных изменений градиента показателя преломления воздушной среды.
Результаты измерений и их обработка
Все оптические элементы макета устанавливались и жестко фиксировались. АОМ располагался в непосредственной близости от источника монохроматического излучения (лазерного диода) (0,05 м) на микрометрическом столике, обеспечивающим плавные линейные перемещения микровинтом. Измерение смещений регистрировалось индикатором часового типа с ценой деления 10 мкм.
В схеме использованы следующие приборы: лазерный диод HL 1324MF; фотодиод ФД-20-ЗЗК; генератор сигналов специальной формы Г6-37; частотомер электронносчетный 43-34; цифровой источник питания БЗ-721.4. Все эксперименты проведены при достаточно близком расположении лазерного диода и АОМ (0,05 м) для того, чтобы свести к минимуму нестабильности за счет изменения направления оси излучения лазера. Если лазерный диод удалить от АОМ на достаточно большое расстояние (порядка 2-3 м), то можно заметить некоторое смещение направления лазерного излучения.
Зависимости задержки выходного сигнала т. относительно входного, определяемого временем пробега импульса от пьезопреобразователя до точки взаимодействия ультразвука и светового луча лазерного диода и временем, необходимым для заполнения поперечного сечения светового луча ультразвуковым сигналом, снимались на участках модулятора с: х — 0 м; х = 0,0032 м; д: = 0,0048 м; х = 0,0064 м; х = 0,0080 м; х = 0,0096 м; х = 0,0112 м; х = 0,0128 м; х = 0,0144 м; х = 0,0160 м; х = 0,0176 м; JC = 0,0192 м; х = 0,0208 м; х = 0,0224 м; х = 0,0240 м; х = 0,0256 м; д: = 0,0272 м; х = 0,0288 м; х = 0,0304 м; х = 0,0320 м.
В работе были проведены прямые измерения с многократными наблюдениями [31] с последующей обработкой результатов измерений.
В таблице 4.1 даны результаты экспериментальных исследований статической характеристики АОПЛП. В двадцати точках диапазона преобразования было проведено по десять наблюдений. Их обработка была произведена на ПЭВМ типа IBM PC в соответствии с ГОСТ 8.207-76 «Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений».
На рис. 4.4 приведены экспериментальная и расчетная зависимости г = /( ). Анализ экспериментальных данных подтверждает правильность теоретических положений. Максимальная погрешность между экспериментальными и расчетными данными в диапазоне от 0 до 0,032 м составила 15,6%.
Аналогичный порядок вычислений выполнен в точках диапазона преобразования АОПЛП: х = 0м;х = 0,0048 м; = 0,0080 м; х = 0,0112 м; х = 0,0144 м; х = 0,0176 м; х = 0,0208 м; х = 0,0240 м; х = 0,0288 м; JC = 0,0320 м (таблица 4.2).
На рис. 4.5 приведены экспериментальная номинальная характеристика АОПЛП, представляющая собой зависимость задержки сигнала на выходе фотоприемника относительно момента его прихода на пьезопреобразователь от измеряемого линейного перемещения, и полоса погрешностей АОПЛП (масштаб полосы погрешностей увеличен в 103 раз), построенные по результатам обработки статистических данных измерений по методике, изложенной в работах [29, 96]. Как уже упоминалось выше в главе 1.2, существуют два вида акустооптического взаимодействия: режим рассеяния Рамана-Ната, известный также как эффект Дебая-Сирса, и режим дифракции Брэгга.
Исследования, направленные на выявление условий, при которых наблюдается тот или иной вид дифракции, предпринимались многими учеными. Однако, когда в современной акустооптике заходит речь о критерии, разграничивающим дифракцию Рамана-Ната и Брэгга, то в большинстве своем авторы делают ссылку на работу Клейна и Кука [111], которые сделали обобщение результатов предыдущих работ. Согласно этой работе вид дифракции определяется безразмерным параметром Q = 2пЪХ / Л2, где b — ширина АОМ (длина взаимодействия света с акустическим пучком).
При Q « Ъ имеет место дифракция Рамана-Ната, а при Q » b — дифракция Брэгга. Однако эти условия являются достаточно сильными [97], и практически дифракция Рамана-Ната наблюдается уже при Q 0,3, а дифракция Брэгга при Q 4n.
Учитывая, что рекомендации по проектированию АОПЛП не описаны в известных работах, ниже приведены рекомендации по проектированию АОПЛП, базирующиеся на методике проектирования АОМ, рациональном выборе материалов и электрического преобразователя, акустического поглотителя и теплоотвода.
В таблице 4.3 представлена методика проектирования АОМ. Проектирование модулятора с оптимальными значениями определяется рядом параметров. Выбор проектирования модулятора с оптимальными значениями включает выбор оптимального решения противоречий. Безусловно, давать рекомендации по проектированию всех возможных модуляторов является достаточно трудной задачей. Например, между полосой модуляции и потребляемой акустической мощностью существует противоречивая связь: изменение любого параметра АОМ, приводящее к улучшению одной из характеристик, сопровождается ухудшением другой.
В работе [14] на основании зависимостей характеристик световых и звуковых сред произведена оптимизация параметров АОМ. Согласно этой работы, предполагается, что полоса модуляции А/ задана. Если считать, что Y=const, где Y — безразмерная величина, то в оптимальном случае между /и Ъ существует однозначное соответствие
Похожие диссертации на Акустооптические преобразователи линейных перемещений (Моделирование и исследование основных характеристик)
