WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
В.В. Коротаев, А.В. Краснящих ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ Методические указания по выполнению лабораторных работ вкл вкл вкл Санкт-Петербург 2006 УДК 621.383 + 681.7.013.6 + 681.586.5 В.В. Коротаев, А.В. Краснящих. Измерительные оптико-электронные приборы / Методические указания по выполнению лабораторных работ. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. – 104 стр.

Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией кафедры оптико-электронных приборов и систем 23.11.2005 г. (протокол № 8).

Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией факультета оптико-информационных систем и технологий 01.12.2005 г.

(протокол № 6).

Для студентов кафедры оптико-электронных приборов и систем.

© Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2006 © В.В. Коротаев, А.В. Краснящих, 2006 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Кафедра оптико-электронных приборов и систем В.В. Коротаев, А.В. Краснящих ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ Методические указания по выполнению лабораторных работ Санкт-Петербург 2006 СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа № 1 «Исследование прибора ПУЛ-6»….................................................... 4 Лабораторная работа № 2 «Исследование прибора ПУЛ-Н»….................................................. 30 Лабораторная работа № 3 «Исследование эллипсометра ЛЭФ-3М-1».............………………... 45 Лабораторная работа № 4 «Исследование малогабаритного оптико-электронного автоколлиматора»………………………………………………….. 61 Лабораторная работа № 5 «Контроль погрешности микромеханизма системы Мейера с помощью измерительного оптико-электронного микроскопа»… 69 Лабораторная работа № 6 «Исследование оптико-электронной системы контроля прямолинейности»……………………………………… ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРА ПУЛ-6» Цели работы Выполнение работы преследует следующие цели.

1. Изучение принципа действия приборов на основе оптической равносигнальной зоны.

2. Изучение принципа действия и устройства приборов ПУЛ-6.

3. Исследование составляющих погрешности приборов ПУЛ-6.

4. Получение практических навыков определения основных метрологических характеристик измерительных приборов.

Назначение приборов, краткие теоретические сведения Приборы ПУЛ-6 и ПУЛ-Н (см. Лабораторную работу №«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРА ПУЛ-Н») относятся к группе приборов с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ).

Указанные приборы предназначены для измерения величины линейного смещения h (рис. 1.1) контролируемого объекта Б в направлении перпендикулярном базовой плоскости xOz, задаваемой прожектором I, установленным на неподвижном основании А.

y’ x’ y x h II I z’ z o’ o Б A u2 uИМ III ОУ Рис. 1.1. К пояснению назначения приборов:

А - базовый объект; Б - контролируемый объект; I - прожектор;

II - приемное устройство; III - блок обработки информации;

ОУ - отсчетное устройство; ИМ - исполнительный механизм Прожектор I, установленный на неподвижном основании А, формирует пучок лучей с ОРСЗ, определяющей положение плоскости xOz.

Приемное устройство II, устанавливаемое на контролируемом объекте Б, формирует электрический сигнал, содержащий информацию о величине смещения h приемного устройства II в направлении перпендикулярном плоскости xOz. Этот сигнал поступает на блок обработки информации III, который формирует сигнал u1, предназначенный для индикации смещения h отсчетным устройством ОУ, или сигнал управления u2, подаваемый на исполнительный механизм ИМ, который приводит объект Б в заданное положение.

Если прожектор I формирует пучок лучей с двумя взаимно перпендикулярными ОРСЗ, то возможно измерение смещений g и h контролируемого объекта Б в двух направлениях, перпендикулярных оси Oz.

Приборы с ОРСЗ нашли применение в следующих отраслях.

1. В машиностроении: для контроля прямолинейности направляющих, для контроля положения рабочих органов станков и т. д.

2. В строительстве: при укладке асфальтовых и бетонных покрытий площадок, дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, насыпей, каналов.

3. В железнодорожном строительстве: для контроля прямолинейности железнодорожного пути в профиле и в плане, а также для выравнивания железнодорожного пути.

4. В судостроении и судоремонте: для контроля соосности валопроводов на судах, для контроля деформации плавающих доков.

5. В сельскохозяйственном строительстве: для планировки земельных участков, например для подготовки их под сплошной равномерный залив водой (рисовые чеки и т. п.), для укладки дренажных труб.

Формирование пучка лучей с оптической равносигнальной зоной Пучок лучей прожектора с ОРСЗ (рис. 1.2) формируется с помощью объектива 1 и установленного в его фокальной плоскости источника излучения 2, состоящего из двух половин 2’ и 2”, которые имеют различную информационную окраску.

Различная информационная окраска излучения двух половин источника может быть осуществлена, например, одним из следующих способов.

1. Модуляцией излучения с различными частотами f1 и f2.

2. Модуляцией излучения с одной частотой, но в противофазе.

3. Использованием излучения с различным спектральным составом.

4. Использованием излучения с различными состояниями поляризации.

На практике, как правило, используются первые два способа.

Рассмотрим формирование оптического сигнала в приборе с ОРСЗ.



L’ E’ b 2 2” a 2' c E” -fl L” Рис. 1.2. Структура пучка лучей с ОРСЗ:

распределение облученностей E’(y, l) и E”(y,l) в сечении L’L” пучков лучей; Ф - разность потоков излучения, прошедших через малый входной зрачок объектива приемного устройства На рис. 1.2 показан ход лучей в прожекторе, источник 2 которого находится в фокальной плоскости объектива 1.

Лучи, исходящие от нижней половины источника 2’ формируют на расстоянии l от объектива 1 пятно засветки E’, распределение облученности которого в сечении L’L” показано на графике E’ (y,l).

Лучи, исходящие от верхней половины источника 2” формируют на расстоянии l от объектива 1 пятно засветки E”, распределение облученности которого в сечении L’L” показано на графике E” (y,l).

Если входной зрачок объектива 3 приемного устройства расположен на оптической оси прожектора в положении a, то во входной зрачок попадут потоки излучения Ф’ и Ф” от обеих половин источника 2’ и 2” в равной степени (Ф’=Ф”).

При смещении объектива 3 приемного устройства вверх, поток излучения Ф’ от нижней половины источника 2’ будет увеличиваться, а y h E ’ (y,l) Ф E ” (y,l) E поток излучения Ф” от верхней половины источника 2” будет уменьшаться. В положении b поток излучения Ф”=0, а поток Ф’ принимает максимальное значение Ф’MAX.

При смещении объектива 3 приемного устройства вниз, поток излучения Ф’ от нижней половины источника 2’ будет уменьшаться, а поток излучения Ф” от верхней половины источника 2” будет увеличиваться. В положении с поток излучения Ф’=0, а поток Ф” принимает максимальное значение Ф”MAX.

Зависимость разности потоков Ф=Ф’-Ф” от величины смещения h входного зрачка показана на графике Ф(h) на рис. 2. Вид зависимости соответствует малому размеру входного зрачка приемного устройства. В общем случае вид зависимости определяется размером и формой входного зрачка приемного устройства.

Способы реализации источника Источник излучения, состоящий из двух половин, может быть реализован, например (рис. 1.3), в виде марки 1, подсвечиваемой первичным источником излучения 2 с помощью конденсора 3. В этом случае половины марки 1’ и 1” могут быть выполнены в виде спектральных или поляризационных фильтров.

1” 1’ Рис. 1.3. Примеры построения оптической системы прожектора:

1 - марка, 1’ и 1” - половины марки, 2 - источник излучения, 3 - конденсор, 4 - объектив В первом случае половины марки могут пропускать излучение в двух различных спектральных интервалах 1 и 2.

Во втором случае половины марки могут пропускать излучение с двумя различными состояниями поляризации, например, линейнополяризованное излучение с азимутами 1=0 и 2=900.

Недостатком такой реализации источника является относительно сложная система выделения сигналов от двух половин источника, а также относительно большая погрешность измерения, обусловленная наличием большого числа влияющих факторов. В частности, на погрешность прибора влияет качество границы раздела двух половин, которое при таком исполнении не может быть достаточно высоким.

Рис. 1.4. Оптическая система прожектора на основе лампы накаливания:

1 – зеркальная призма; 2 – лампа накаливания; 3, 4 – конденсоры;

5, 6, 7, 8 – зеркала; 9 – механический модулятор; 10 – двигатель;

11 – объектив Источник, состоящий из двух половин может быть реализован в виде составного полупроводникового излучающего диода (ПИД), но качество границы раздела в этом случае также недостаточно высокое.

Более удачной реализацией источника (рис. 1.4, 1.5), состоящего из двух половин является его выполнение в виде зеркальной призмы 1, подсвечиваемой с двух направлений первичными источниками излучения.

В этом случае качество границы раздела определяемое качеством ребра зеркальной призмы может быть очень высоким.

Наибольшее распространение получили две реализации прожектора приборов с ОРСЗ (рис. 1.4, 1.5).

Первая реализация (рис. 1.4) основана на использовании в качестве источника излучения лампы накаливания 2 с внешней модуляцией потока механическим модулятором-прерывателем 9, вращаемым двигателем 10.

Вторая реализация (рис. 1.5) основана на использовании в качестве источников излучения ПИД 2 и 3 с внутренней модуляцией потока излучения по цепи питания от генератора 4.

Рис. 1.5. Оптическая система прожектора на основе полупроводниковых излучающих диодов (ПИД):

1 – зеркальная призма; 2, 3 – ПИД; 4 – генератор;

5, 6 – конденсоры; 7, 8 – зеркала; 9 – объектив Конденсоры обеспечивают концентрацию энергии излучения источников на зеркальной призме 1.

Приборы с ОРСЗ с амплитудно-фазовой модуляцией оптического излучения В приборах с амплитудно-фазовой модуляцией излучение двух пучков лучей модулируется в противофазе, например по цепи питания источника, что удобно при использовании ПИД, либо путем модуляции механическими модуляторами-прерывателями, что используется при применении ламп накаливания.

Последний вариант применен в приборе ПУЛ-6. Схема прибора приведена на рис. 1.6.

Прибор ПУЛ-6 состоит из прожектора I, приемного устройства II, блока обработки информации и индикации III и блока питания IV.

Прожектор I содержит зеркальную призму 1, лампу накаливания 2, конденсоры 3 и 4, зеркала 5, 6, 7, 8, модулятор-прерыватель 9, вращаемый двигателем 10, объектив 11, а также зеркало 12 и приемник оптического излучения (ПОИ) 13, которые образуют канал опорного сигнала.





I Ф” 11 14 II ФПОИ ФОП III Ф’ IV UC (t) 18 UC (t) UОП (t) 19 Рис. 1.6. Схема прибора ПУЛ – 6:

I – прожектор; II – приемное устройство; III – блок обработки информации и индикации; IV – блок питания.

1 – зеркальная призма; 2 – лампа накаливания; 3, 4 – конденсоры;

5, 6, 7, 8 – зеркала; 9 – модулятор-прерыватель; 10 – двигатель;

11 – объектив; 12 – зеркало; 13 – приемник оптического излучения;

14 – объектив; 15 – приемник оптического излучения;

16, 17 – усилители; 18 – мультипликатор; 19 – интегратор;

20 – амплитудно-фазовый детектор; 21 – отсчетное устройство Приемное устройство II содержит объектив 14 и ПОИ 15.

Блок обработки информации и индикации III содержит усилители 16 и 17 опорного и основного канала, мультипликатор 18 и интегратор 19, которые образуют амплитудно-фазовый детектор 20, а также отсчетное устройство 21.

Работа прибора поясняется временными диаграммами на рис 1.7, которые приведены для трех положений приемного устройства а, b, с (рис.

1.2): при нулевом смещении h=0 (положение а), при смещении вверх h>(положение b), при смещении вниз h<0 (положение с).

Прибор работает следующим образом, излучение от лампы накаливания 2 с помощью системы зеркал 5, 6, 7, 8 и конденсоров 3 и направляется на зеркальные грани призмы 1.

ОП U (t) Потоки излучения Ф’ и Ф”, проходящие через две ветви прожектора модулируются механическим модулятором-прерывателем 9 в противофазе (рис. 1.7 а, б).

Часть потока излучения Фоп из одной ветви прожектора направляется зеркалом 12 на ПОИ 13 для формирования опорного сигнала (рис. 1.7, в).

Объектив 11 формирует пучок лучей с ОРСЗ и направляет его на приемное устройство II. Поток излучения, падающий на ПОИ образуется потоками из обеих ветвей прожектора I, которые попадают во входной зрачок объектива 14. Соотношение потоков, идущих из указанных ветвей и попадающих во входной зрачок, определяется положением входного зрачка в направлении оси y (рис. 1.2), то есть входной зрачок выполняет функцию анализатора положения приемного устройства II.

Рассмотрим временные диаграммы сигналов для трех положений приемного устройства II: при нулевом смещении (h=0), при смещении вверх (h>0) и при смещении вниз (h<0), которые показаны на рис. 1.2.

Если центр входного зрачка объектива 14 совпадает с ОРСЗ (h=0), то потоки излучения из обеих ветвей прожектора, попадающие во входной зрачок объектива 14, равны и переменная составляющая потока ФПОИ падающего на ПОИ 15, равна нулю (рис. 1.7, г).

Если центр входного зрачка объектива 14 смещен вверх относительно ОРСЗ (h>0), то поток излучения из нижней ветви прожектора (Ф’), падающий на ПОИ 15 увеличится, а поток излучения из верхней ветви прожектора (Ф”) уменьшится. В результате у потока излучения ФПОИ, падающего на ПОИ 15, появляется переменная составляющая, совпадающая по фазе с потоком Ф’ (рис. 1.7, г’).

Амплитуда переменной составляющей потока возрастает с увеличением смещения h.

Если центр входного зрачка объектива 14 смещен вниз относительно ОРСЗ (h<0), то поток излучения из нижней ветви прожектора (Ф’), падающий на ПОИ 15, уменьшается, а поток излучения из верхней ветви прожектора (Ф”), падающий на ПОИ 15, увеличивается. В результате переменная составляющая потока излучения ФПОИ совпадает по фазе с потоком Ф” (t) (рис. 1.7, г”,).

Следовательно, амплитуда переменной составляющей потока излучения ФПОИ (рис. 1.7, г, г’, г”), падающего на ПОИ 15, определяется величиной смещения, а фаза зависит от направления смещения.

ПОИ 15 преобразует оптический сигнал в электрический.

Усилитель 17 выделяет переменную составляющую сигнала и усиливает ее. Вид сигнала Uc(t) на выходе усилителя 17 для трех положений приемного устройства показан на рис. 1.7, д, д’, д”.

Часть потока излучения Фоп из одной ветви прожектора направляется зеркалом 12 на ПОИ 13 для формирования опорного сигнала (рис. 1.7, в). Вид опорного сигнала Uоп на опорном входе амплитуднофазового детектора показан на рис. 1.7, е, е’, е”.

Сигналы Uс(t) и Uоп(t) поступают на основной и опорный входы амплитудно-фазового детектора 20.

Идеально выполненный амплитудно-фазовый детектор формирует на выходе сигнал Uоу образованный по следующему алгоритму:

T и Uоу =, [U (t)f (t)]dt e0 o с T и где: e0 = (t)]2 dt - удельная энергия сигнала за время измерения сигнала [f o Tи; f(t)=Uоп(t)/Uоп - нормированный закон модуляции сигнала.

Такой алгоритм является оптимальным по критерию максимума правдоподобия. Реальные амплитудно-фазовые детекторы реализуют его с той или иной погрешностью. В результате такой обработки на выходе амплитудно-фазового детектора формируется постоянный сигнал Uоу (рис. 1.7, ж, ж’, ж”), величина которого пропорциональна амплитуде входного сигнала Uс(t), а знак определяется фазой входного сигнала.

Следовательно, сигнал Uоу пропорционален величине измеряемого смещения h. Этот сигнал поступает на отсчетное устройство 21, с которого снимаются показания величины h.

h = 0 h > 0 h < Ф’ Ф’ Ф’ а) а’) а”) t t t 0 Ф” Ф” Ф” б) б’) б”) t t t 0 Фоп Фоп Фоп в) в’) в”) t t t 0 Фпои Фпои Фпои г) г’) г”) t t t 0 Uс Uс Uс t t t +++ ++ д) д’) д”) 0 –– ––– Uоп Uоп Uоп t t t +++ +++ е) е’) е”) 0 –– –– Uоу Uоу Uоу t ж) t ж’) + + + + + t ж”) 0 – – – – – Рис. 1.7. Временные диаграммы сигналов прибора с ОРСЗ с амплитудно-фазовой модуляцией оптического излучения (ПУЛ – 6) Оптическая схема прожектора прибора ПУЛ-6 представлена на рис. 1.8.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.