ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ- УНИКАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

Это ничуть не преувеличение. Возьмите, например, монографию «Лазерные измерительные системы» под редакцией Д. П. Лукьянова, выпущенную изд-вом «Радио и связь» в 1981 г. Посмотрите оглавление. Вы увидите, что лазеры применяются для измерения расстояний, скоростей, ускорений, углов поворота, угловых скоростей.

Из всего этого перечня оставим только расстояния и скорости и расскажем, как осуществляется их измерение с помощью лазерного излучения.
Лазерный дальномер. В наше время строится множество сооружений, где при огромных габаритах (измеряемых сотнями метров и километрами) требуется исключительно высокая точность компоновки узлов и, в частности, высокая точность измерения расстояний. Примерами таких сооружений являются гигантские радиотелескопы с антеннами диаметром до сотен метров, стапели современных морских судов и авиалайнеров, мосты, туннели и т. д. При строительстве подобных сооружений, а также при решении различных геодезических задач требуется измерять и контролировать расстояния от сотен метров до нескольких километров с точностью до миллиметров, а иногда и долей миллиметра. С этой задачей прекрасно справляются лазерные дальномеры с непрерывным излучением; обычно их называют геодезическими дальномерами.
Лазер в таком дальномере генерирует непрерывное излучение, интенсивность которого модулируют во времени с некоторой частотой, скажем, по закону 56

синуса. Промоду лированное излучение представляет собой световое поле, амплитуда которого (для любого фиксированного момента времени) периодически изменяется вдоль направления распространения - в соответствии с синусоидальной огибающей. Излучение проходит расстояние, которое требуется измерить, отражается назад, проходит это расстояние вторично и попадает в прибор, называемый фазометром. Двойной проход по трассе (туда и обратно) требует какого-то времени, поэтому возникает соответствующий сдвиг (запаздывание) фазы огибающей возвратившегося пучка по отношению к фазе огибающей исходного пучка. Фазометр измеряет это запаздывание фазы; по нему и рассчитывается искомое расстояние.
В качестве примера укажем советский геодезический дальномер «Кварц» на основе гелий-неонового лазера мощностью 2 мВт. Частота модуляции излучения равна 750 МГц. Дальность действия до 1км; погрешность измерения расстояния составляет всего 0,2 мм.
Лазерный интерферометр. В современной измерительной технике нередко требуется измерять расстояния в несколько метров или десятков метров с точностью до десятков и единиц микрометров. Это необходимо, в частности, для автоматизированного контроля точности перемещения движущихся узлов различных станков. Вот, например, фрезерный станок. Обрабатываемую заготовку закрепляют на подвижном столе, который поступательно перемещается относительно вращающейся фрезы. Применяются также иные варианты-когда заготовка неподвижна, а поступательно перемещается суппорт с фрезой. При фрезеровании очень важна высокая точность перемещения стола или суппорта. На авиационном заводе, например, при изготовлении лонжеронов (основных «силовых» элементов каркаса крыльев и фюзеляжа) требуется прецизионное фрезерование по большой площади; при этом суппорт станка перемещается на расстоянии до нескольких десятков метров. И вот такие перемещения надо измерять и контролировать с точностью до микрометров! Для этого используются лазерные интерферометры.
Поясним качественно, не при 5егая к формулам, как действует лазерный интерфером тр. Луч, выходящий из гелий-неонового лазера, расще лчют полупрозрач
ным зеркалом на два луча - опорный и измерительный; эти лучи в конечном счете встречаются и интерферируют друг с другом в фотоприемнике. Опорный луч проходит от зеркала-расщепителя до фотоприемника строго определенный путь. Измерительный луч идет к отражателю, установленному на перемещающемся суппорте станка, а затем возвращается и попадает в фотоприемник. Предположим, что в какой-то момент времени оба луча-опорный и измерительный-встретились в фотоприемнике в одинаковой фазе. Значит, в этот момент фотоприемник зарегистрирует максимум интенсивности света. Но вот суппорт сдвигается-тут

Оптическая схема лазерного интерферометра, с помощью которого можно контролировать перемещения обрабатываемой на станке детали: 1 — лазер, 2 - полупрозрачное зеркало, расщепляющее исходный лазерный луч на опорный луч А и измерительный луч В,3 — неподвижно закрепленное полностью отражающее зеркало, 4 — уголковый отражатель, установленный на перемещающейся детали, 5 — фотоприемник, 6 — электронное устройство обработки данных. Световые лучи, отраженные зеркалом 3 и отражателем 4, встречаются в фотоприемнике 5. Регистрируемая фотоприемником интенсивность света зависит от разности фаз этих лучей, т. е. от разности AL путей Lи и L0, проходимых рассматриваемыми лучами (см. правую часть рисунка). При изменении AL на Х/2 (X — длина волны излучения) интенсивность света в фотоприемнике изменяется от максимальной до минимальной. Предположим, что при некотором перемещении уголкового отражателя максимумы (и минимумы) интенсивности света в фотоприемнике сменились N раз. Это означает, что деталь переместилась на расстояние X/V/2. Число N подсчитывает электронное устройство

же изменяется длина пути, проходимого измерительным лучом от расщепителя до фотоприемника. Как только этот путь изменится на половину длины световой волны, интерференция лучей в фотоприемнике будет происходить уже не в фазе, а в противофазе - фотоприемник зарегистрирует темноту.

Еще на половину длины волны изменился путь измерительного луча-и в фотоприемнике снова светло; очередная половина длины волны-опять темно. И так далее: светло, темно, светло, темно... Остается лишь позаботиться, чтобы некое электронное устройство подсчитывало, сколько раз происходила смена света и темноты-и тогда можно узнать, сколько длин волн укладывается на том или ином перемещении суппорта. Таким образом, перемещения суппорта измеряются здесь в длинах волны света!
На практике лазерный интерферометр работает обычно в комплексе с устройством программного управления станком. Поэтому одновременно с контролем перемещений суппорта возможна автоматическая коррекция этих перемещений. Такая коррекция нужна, чтобы скомпенсировать погрешности, связанные, например, с неточностью установки заготовки на столе или с износом режущего инструмента в процессе работы станка.
Лазерный анемометр. Одна из основных задач аэродинамики и гидродинамики-исследование картины обтекания тел быстрым потоком газа или жидкости. Необходимо уметь экспериментально определять модуль и направление скорости потока газа (жидкости) в разных точках потока. Обычно для определения скорости газа вносят в исследуемую область потока так называемую трубку Пито-прибор, измеряющий давление газа в данной точке. Применяют также термоанемометры, позволяющие судить о скорости потока по интенсивности теплоотдачи проволоки, нагреваемой электрическим током (слово «анемометр» происходит от греческого «анемос», что означает «ветер»; анемометр - измеритель ветра или, как принято понимать,-измеритель скорости воздушного потока). В обоих методах в поток вносится зонд (в виде трубки Пито или нагретой проволоки), который возмущает поток. В этом большой недостаток данных методов.
Более интересен метод, в котором используется рассеяние лазерного излучения частицами, вводимыми 60
в поток газа или жидкости. Дело в том, что в результате рассеяния на движущихся частицах свет изменяет свою частоту. Это изменение пропорционально скорости потока. Оно зависит также от угла между направлением исходного (нерассеянного) светового пучка и направлением скорости потока: пропорционально косинусу этого угла.
Опишем одну из схем лазерного анемометра. Луч от гелий-неонового лазера расщепляется на два луча, которые направляются в точку наблюдения (в точку, где измеряется скорость потока) под разными углами к направлению потока. Фотоприемник улавливает только то излучение, которое рассеялось в точке на-

Схема лазерного анемометра, использующего гелий-неоновый лазер мощностью примерно 10 мВт (1 — лазер, 2 — фотоприемник, 3 - поток) . Исходный лазерный луч преобразуется системой зеркал в два взаимно пересекающихся луча (лучи Л и В), точкой пересечения лучей (точка О) является та точка потока, в которой требуется измерить скорость. Фотоприемник улавливает только ту часть излучения, рассеянного в точке О, которая распространяется перпендикулярно направлению потока. Улавливаемое фотоприемником излучение содержит две рассеянные волны: одна возникает в результате рассеяния светового пучка А, другая — пучка В. Первая имеет частоту ^i=y(1 — sin (а/2) (u/v) ], вторая — частоту v2 -v [1 + sin (а/2) (и/и) ], где v — частота лазерного излучения, v — скорость света в потоке, U — скорость потока в точке О, а — угол между пучками Ли В. Рассматриваемые световые волны интерферируют, в итоге фотоприемник регистрирует колебания интенсивности света, имеющие частоту, равную разности частот интерферирующих световых волн (так называемую частоту биений) : / = v2 — vx = 2v sin (a/2) (u/v). В соответствующем устройстве (оно не указано на рисунке) колебания световой интенсивности преобразуются в электрический сигнал, модулированный с частотой биений /. Измеряя частоту сигнала /, рассчитывают скорость и

блюдения. В этой точке пересекаются два исходных световых луча, поэтому фотоприемник улавливает две рассеянные волны. Рассеянные волны интерферируют; в результате фотоприемник регистрирует колебания интенсивности света, имеющие частоту, равную разности частот интерферирующих волн. По этой разности частот и вычисляют скорость потока в точке наблюдения.
Лазерные анемометры обладают рядом преимуществ. В процессе измерения они не вносят в поток каких-либо искажений; излучение лазера имеет в данном случае малую мощность и, следовательно, практически не нагревает поток. Очень широк диапазон измеряемых скоростей-от ничтожных скоростей порядка долей микрометра в секунду (с такой скоростью растут растения и движутся ледники) до скоростей порядка 10 км/с (такие скорости в десятки раз превышают скорость звука в воздухе). Для измерений характерна локальность: их можно выполнять в пределах области диаметром всего 10 мкм. Возможные температуры потока лежат в широком интервале-от температур криогенных жидкостей до температур горячей плазмы. Наконец, лазерный метод измерения скорости отличается высоким быстродействием, что позволяет исследовать быстропротекающие процессы в газах и жидкостях.
Благодаря всем этим достоинствам лазерные анемометры нашли уже сегодня очень широкое применение. Они используются при изучении особенностей конвекции жидкости, турбулентных течений в различных жидкостях и газах, ударных волн в сверхзвуковых газовых потоках. Их применяют также для исследования высокотемпературных потоков плазмы и сверх- охлажденных потоков криогенных жидкостей, при анализе движения крови по кровеносным сосудам и при изучении движения ледников. Лазерные анемометры с полным основанием могут быть названы универсальными измерителями скорости.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ЛАЗЕРНЫЙ ЛУЧ- УНИКАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ИНСТРУМЕНТ:

- Популярная физика -