eng
Выпуск #5/2009
И.Мирошниченко, А.Серкин.
То врозь, то вместе: комплексная коррекция в лазерной диагностике перемещений
То врозь, то вместе: комплексная коррекция в лазерной диагностике перемещений
Просмотры: 1997
Оценивая состояние сложных технических объектов, часто прибегают к методам высокоточной лазерной интерферометрии. При диагностировании современных нанотехнологических структур, исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях встает вопрос: как повысить их чувствительность и разрешающую способность на несколько порядков?
Теоретический предел интерференционных измерений длин и перемещений находится на уровне 10-9 – 10-12 м. Однако на практике достичь таких результатов не удается. Это объясняется сложностью, которая сопутствует созданию нормальных условий измерений и действием целого комплекса внешних дестабилизирующих факторов [1]. Тут и неоднородность лазерного пучка, и шумы, источниками которых являются не только сам источник излучения, но и другие элементы конструкции интерферометра. Поэтому к условиям проведения измерений предъявляются особые требования, и это существенно увеличивает их стоимость. Да и требования эти не всегда достижимы.
Метрологический анализ основных составляющих погрешности интерференционных методов показывает, что они имеют комплексный характер. Поэтому их учет возможен только путем введения поправок в результаты измерений. Для снижения погрешности проводят коррекцию результатов. В этих действиях можно выделить факторную и комплексную коррекции [2]. Суть факторной коррекции заключается в том, что контролю подвергают отдельные параметры окружающей среды и других влияющих факторов. В ходе метрологических исследований определяют степень влияние каждого фактора, находят его функциональную зависимость и вычисляют поправку. При относительной простоте такого способа он имеет принципиальный недостаток. Сложно учесть все факторы, влияющие на результат измерений, а также их взаимные компенсации. Измерительная система оказывается перегруженной большим количеством дополнительных датчиков, погрешности которых также существенно влияют на результаты коррекции.
Комплексная коррекция заключается в определении суммарного результата действия всех влияющих факторов, вносящих погрешность в результат измерений. Но пока, при измерениях перемещений интерференционными методами, ее преимущества практически не реализованы [3]. Необходимо определить параметры, подвергаемые контролю, и разработать методики комплексной коррекции результатов измерений перемещений лазерными интерферометрами.
У большинства существующих интерферометров фотоприемник, размещенный в поле интерференционной картины, при измерении перемещений преобразует интенсивность оптического поля в электрический сигнал [4]:
(...),
где U0 – постоянная составляющая сигнала;
Um – амплитуда;
(...) – фаза переменной составляющей сигнала фотоприемника.
Измеряемое перемещение (...)X связано с фазой (...) соотношением:
(...)
где (...) – длина волны излучения лазера;
(...) – начальная фаза интерференции.
Из (1) следует, что:
(...)
где N – целое число интервалов [(...)] приращений фазы сигнала фотоприемника при перемещении отражателя на интервале (...) X;
(...) – изменение фазы в пределах интервала [(...)].
Фаза (...) сигнала фотоприемника и измеряемое перемещение связаны с мгновенным значением U(r). Следовательно, изменения интенсивности, вызванные внешними дестабилизирующими факторами, вносят погрешность в результаты измерений перемещений. Для выявления и исключения этой составляющей разработан и предложен новый способ комплексной коррекции результатов измерений. Предлагаемая разработка направлена на повышение качества интерференционных измерений перемещений. Согласно мнению специалистов [5], под качеством измерений понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки. При этом достоверность результатов является показателем их качества.
Фотоприемники размещают в плоскости экрана по всей площади проекции интерференционной картины. В процессе измерения перемещений значения интенсивности измеряют в заданных областях картины выделенными группами фотоприемников. Одновременно с этим регистрируют суммарную интенсивность оптического поля интерференционной картины, которую непрерывно контролируют в процессе измерения перемещений. Сущность способа коррекции заключается в том, что перемещение объекта определяется как результат косвенного измерения интенсивности. Хотя значения получены с помощью прямых измерений в заданных областях интерференционной картины (ИК) с помощью специально выделенных групп фотоприемников.
Суммарная интенсивность оптического поля ИК не зависит от разности фаз опорного и объектного лучей, т.е. не зависит от величины измеряемого перемещения поверхности объекта. А ее изменение может быть вызвано только действием внешних факторов. Таким образом, регистрация суммарной интенсивности оптического поля ИК и контроль постоянства ее величины (или изменения в заданных допустимых пределах) обеспечивают контроль влияния комплекса внешних факторов, вносящих погрешность в результат измерения. Это приводит к повышению качества интерференционных измерений линейных перемещений.
Мы видим, что для осуществления комплексной коррекции результатов интерференционных измерений целесообразно в качестве контролируемого параметра использовать интегральную оценку интенсивности оптического поля интерференционной картины, зарегистрированную по всей площади интерференционной картины. На рисунке представлен вариант одного из устройств, реализующих предлагаемый способ комплексной коррекции. Устройство содержит экран 1, на который проецируют (ИК) 2. ИК получена при совмещении в оптическом датчике опорного и объектного лучей, и представляющую собой совокупность колец 3 различной интенсивности. Фотоприемники 4 размещенны в плоскости экрана 1 по всей площади проекции ИК 2. Среди них выделены группы фотоприемников 5. Дополняют устройство системы 6 и 7 для регистрации значений интенсивности с выделенных групп фотоприемников 5 и величины суммарной интенсивности оптического поля ИК 2 со всех фотоприемников 4. А в системе 8 происходит управление процессом измерений, регистрация, корректировка и обработка результатов измерений.
Порядок выполнения измерений представлен следующими шагами. Перед началом регистрируется суммарная интенсивность оптического поля ИК с помощью всех имеющихся фотоприемников. Они размещены в плоскости экрана по всей площади проекции ИК. Далее ведут регистрацию значений интенсивности в заданных областях картины выделенными группами фотоприемников. Вместе с этими измерениями постоянно контролируют суммарную интенсивность оптического поля ИК. Результаты измерений интенсивности оптического поля с выделенных групп фотоприемников и со всех фотоприемников одновременно поступают в систему управления процессом измерений, регистрации, корректировки и обработки результатов измерений.
При существенных отклонениях суммарной интенсивности оптического поля ИК система управления процессом производит корректировку результатов измерений интенсивности с выделенных групп. Либо, в случае наиболее существенных отклонений, выдает команду о невозможности проведения дальнейших измерений и завершении процесса измерений. Предложенный способ может быть распространен на интерференционные измерения в целом, его применение позволяет повысить точность измерений или при сохранении точности снизить требования к стоимости таких элементов как источники и приемники оптического излучения и т.д.
Подобную коррекцию можно успешно использовать в высокоточных измерениях перемещений поверхностей объектов. Такие случаи характерны для технической диагностики, при проведении экспериментальных исследований акустико-эмиссионных процессов, при испытаниях объектов на высокоскоростное нагружение. Наибольшее распространение метод высокоточной лазерной интерферометрии получил при оценке состояния сложных технических объектов, при исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях.
Предложенный способ защищен патентом Российской Федерации на изобретение [6], экспонировался с приложениями для реального сектора экономики на X Юбилейном Международном форуме «Высокие технологии XXI века» в 2009 году, где получил одобрение специалистов и был удостоен Почетного знака форума Серебряной статуэтки «Святой Георгий». Настоящая разработка реализована в Приоритетном национальном проекте «Образование», а также частично поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований № 07-01-00012 и Южного федерального университета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Календин В.В. Нанометрия: проблемы и решения. – Автометрия. 2004, №2.
2. Ханов В.А. Анализ погрешностей измерительных систем с лазерными интерферометрами. – Лазерные интерферометры. Сборник научных трудов. – Новосибирск: ИАиЭ, 1978.
3. Серкин А.Г. О применении интегральной оценки интенсивности оптического поля при измерениях перемещений интерференционно-голографическими методами. – Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2005, № 4.
4. Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Коррекция результатов измерений малых перемещений лазерными интерферометрами. – Датчики и системы. 2008. № 3.
5. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. – М.: Логос, 2003.
6. Алехин В.Е., Мирошниченко И.П., Серкин А.Г., Сизов В.П. Способ регистрации перемещений оптическими датчиками. Патент РФ № 2343403 от 10.01.09 г.
Метрологический анализ основных составляющих погрешности интерференционных методов показывает, что они имеют комплексный характер. Поэтому их учет возможен только путем введения поправок в результаты измерений. Для снижения погрешности проводят коррекцию результатов. В этих действиях можно выделить факторную и комплексную коррекции [2]. Суть факторной коррекции заключается в том, что контролю подвергают отдельные параметры окружающей среды и других влияющих факторов. В ходе метрологических исследований определяют степень влияние каждого фактора, находят его функциональную зависимость и вычисляют поправку. При относительной простоте такого способа он имеет принципиальный недостаток. Сложно учесть все факторы, влияющие на результат измерений, а также их взаимные компенсации. Измерительная система оказывается перегруженной большим количеством дополнительных датчиков, погрешности которых также существенно влияют на результаты коррекции.
Комплексная коррекция заключается в определении суммарного результата действия всех влияющих факторов, вносящих погрешность в результат измерений. Но пока, при измерениях перемещений интерференционными методами, ее преимущества практически не реализованы [3]. Необходимо определить параметры, подвергаемые контролю, и разработать методики комплексной коррекции результатов измерений перемещений лазерными интерферометрами.
У большинства существующих интерферометров фотоприемник, размещенный в поле интерференционной картины, при измерении перемещений преобразует интенсивность оптического поля в электрический сигнал [4]:
(...),
где U0 – постоянная составляющая сигнала;
Um – амплитуда;
(...) – фаза переменной составляющей сигнала фотоприемника.
Измеряемое перемещение (...)X связано с фазой (...) соотношением:
(...)
где (...) – длина волны излучения лазера;
(...) – начальная фаза интерференции.
Из (1) следует, что:
(...)
где N – целое число интервалов [(...)] приращений фазы сигнала фотоприемника при перемещении отражателя на интервале (...) X;
(...) – изменение фазы в пределах интервала [(...)].
Фаза (...) сигнала фотоприемника и измеряемое перемещение связаны с мгновенным значением U(r). Следовательно, изменения интенсивности, вызванные внешними дестабилизирующими факторами, вносят погрешность в результаты измерений перемещений. Для выявления и исключения этой составляющей разработан и предложен новый способ комплексной коррекции результатов измерений. Предлагаемая разработка направлена на повышение качества интерференционных измерений перемещений. Согласно мнению специалистов [5], под качеством измерений понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки. При этом достоверность результатов является показателем их качества.
Фотоприемники размещают в плоскости экрана по всей площади проекции интерференционной картины. В процессе измерения перемещений значения интенсивности измеряют в заданных областях картины выделенными группами фотоприемников. Одновременно с этим регистрируют суммарную интенсивность оптического поля интерференционной картины, которую непрерывно контролируют в процессе измерения перемещений. Сущность способа коррекции заключается в том, что перемещение объекта определяется как результат косвенного измерения интенсивности. Хотя значения получены с помощью прямых измерений в заданных областях интерференционной картины (ИК) с помощью специально выделенных групп фотоприемников.
Суммарная интенсивность оптического поля ИК не зависит от разности фаз опорного и объектного лучей, т.е. не зависит от величины измеряемого перемещения поверхности объекта. А ее изменение может быть вызвано только действием внешних факторов. Таким образом, регистрация суммарной интенсивности оптического поля ИК и контроль постоянства ее величины (или изменения в заданных допустимых пределах) обеспечивают контроль влияния комплекса внешних факторов, вносящих погрешность в результат измерения. Это приводит к повышению качества интерференционных измерений линейных перемещений.
Мы видим, что для осуществления комплексной коррекции результатов интерференционных измерений целесообразно в качестве контролируемого параметра использовать интегральную оценку интенсивности оптического поля интерференционной картины, зарегистрированную по всей площади интерференционной картины. На рисунке представлен вариант одного из устройств, реализующих предлагаемый способ комплексной коррекции. Устройство содержит экран 1, на который проецируют (ИК) 2. ИК получена при совмещении в оптическом датчике опорного и объектного лучей, и представляющую собой совокупность колец 3 различной интенсивности. Фотоприемники 4 размещенны в плоскости экрана 1 по всей площади проекции ИК 2. Среди них выделены группы фотоприемников 5. Дополняют устройство системы 6 и 7 для регистрации значений интенсивности с выделенных групп фотоприемников 5 и величины суммарной интенсивности оптического поля ИК 2 со всех фотоприемников 4. А в системе 8 происходит управление процессом измерений, регистрация, корректировка и обработка результатов измерений.
Порядок выполнения измерений представлен следующими шагами. Перед началом регистрируется суммарная интенсивность оптического поля ИК с помощью всех имеющихся фотоприемников. Они размещены в плоскости экрана по всей площади проекции ИК. Далее ведут регистрацию значений интенсивности в заданных областях картины выделенными группами фотоприемников. Вместе с этими измерениями постоянно контролируют суммарную интенсивность оптического поля ИК. Результаты измерений интенсивности оптического поля с выделенных групп фотоприемников и со всех фотоприемников одновременно поступают в систему управления процессом измерений, регистрации, корректировки и обработки результатов измерений.
При существенных отклонениях суммарной интенсивности оптического поля ИК система управления процессом производит корректировку результатов измерений интенсивности с выделенных групп. Либо, в случае наиболее существенных отклонений, выдает команду о невозможности проведения дальнейших измерений и завершении процесса измерений. Предложенный способ может быть распространен на интерференционные измерения в целом, его применение позволяет повысить точность измерений или при сохранении точности снизить требования к стоимости таких элементов как источники и приемники оптического излучения и т.д.
Подобную коррекцию можно успешно использовать в высокоточных измерениях перемещений поверхностей объектов. Такие случаи характерны для технической диагностики, при проведении экспериментальных исследований акустико-эмиссионных процессов, при испытаниях объектов на высокоскоростное нагружение. Наибольшее распространение метод высокоточной лазерной интерферометрии получил при оценке состояния сложных технических объектов, при исследовании волновых процессов в слоистых конструкциях.
Предложенный способ защищен патентом Российской Федерации на изобретение [6], экспонировался с приложениями для реального сектора экономики на X Юбилейном Международном форуме «Высокие технологии XXI века» в 2009 году, где получил одобрение специалистов и был удостоен Почетного знака форума Серебряной статуэтки «Святой Георгий». Настоящая разработка реализована в Приоритетном национальном проекте «Образование», а также частично поддержана грантами Российского фонда фундаментальных исследований № 07-01-00012 и Южного федерального университета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Календин В.В. Нанометрия: проблемы и решения. – Автометрия. 2004, №2.
2. Ханов В.А. Анализ погрешностей измерительных систем с лазерными интерферометрами. – Лазерные интерферометры. Сборник научных трудов. – Новосибирск: ИАиЭ, 1978.
3. Серкин А.Г. О применении интегральной оценки интенсивности оптического поля при измерениях перемещений интерференционно-голографическими методами. – Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2005, № 4.
4. Мирошниченко И.П., Серкин А.Г. Коррекция результатов измерений малых перемещений лазерными интерферометрами. – Датчики и системы. 2008. № 3.
5. Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация, сертификация: Учебное пособие. – М.: Логос, 2003.
6. Алехин В.Е., Мирошниченко И.П., Серкин А.Г., Сизов В.П. Способ регистрации перемещений оптическими датчиками. Патент РФ № 2343403 от 10.01.09 г.
Отзывы читателей
