ES2263292T3 - Metodo para mejorar mediciones mediante interferometro de laser. - Google Patents

Abstract

Un método para mejorar la exactitud de mediciones realizadas con el interferómetro de láser (1, 2) y especialmente para mejorar la exactitud de mediciones de distancia, caracterizado porque la velocidad del sonido (5) se mide cuando recorre la misma trayectoria que la trayectoria del rayo láser (3) y de manera simultánea con la medición de distancia realizada mediante el interferómetro de láser, cuando se determina el efecto de los factores sobre toda la trayectoria del rayo láser del interferómetro de láser, los cuales en su conjunto afectan la velocidad del sonido y el índice de refracción del aire, es decir temperatura del aire, presión del aire, humedad relativa y concentración de gases, el valor de distancia indicado mediante el interferómetro de láser en tiempo real se utiliza en los cálculos, si es necesario, se hacen correcciones teniendo en cuenta los efectos de presión del aire, humedad relativa, concentración de gases, gradientes de temperatura y viento, y utilizando el valor obtenido para calcular una corrección, la cual depende de los factores descritos anteriormente y es proporcional al índice de refracción del aire, al valor de medición, y especialmente al valor de la medición de longitud.

Description

Método para mejorar mediciones mediante interferómetro de láser.

El objeto de esta invención es proporcionar un método para mejorar la exactitud de mediciones, en particular mediciones de distancia, realizadas cuando se usa un interferómetro de láser.

Cuando se precisa medir la exactitud se requiere, por ejemplo en la ingeniería industrial, utilizar los interferómetros de láser en medición de la distancia debido a que son más exactos que otros métodos. Sin embargo, la exactitud del interferómetro de láser depende de diversos factores, tales como la dependencia de la longitud de onda del rayo láser sobre el índice de refracción del medio. Debido a que las mediciones de distancia realizadas que utilizan interferómetros de láser se basan en la longitud de onda de luz, es esencial conocer el índice de refracción del medio para obtener resultados suficientemente exactos. En la práctica, el medio en estas mediciones es aire cuyo índice de refracción se encuentra en función de la presión del aire, temperatura, humedad y concentración de gases tales como dióxido de carbono. La temperatura del aire cambia significativamente debido a los movimientos rápidos y constantes de masas de aire provocados por diferencias de temperatura entre los diversos puntos en la región de medición y debido a efectos aerodinámicos. Debido a los cambios en la temperatura del aire, la temperatura transitoria integral a lo largo de la trayectoria del rayo láser del interferómetro de láser no se puede medir de manera exacta con los termómetros conocidos actualmente que se utilizan en interferómetros de
láser.

En equipo de interferómetro de láser disponible comercialmente el índice de refracción del aire se determina midiendo las cantidades anteriormente citadas en el aire y calculando entonces sus efectos sobre la longitud de onda. Con este fin, el equipo disponible actualmente incorpora detectores para medir la temperatura del aire, presión, y algunas veces también la humedad. Típicamente, existen de uno a tres termómetros para la medición de la temperatura del aire.

Los termómetros del aire que se utilizan actualmente en los interferómetros de láser se basan en el fenómeno de que la temperatura del detector sea la misma que la temperatura del aire ambiente. Estos termómetros permiten solamente la medición de temperaturas en puntos únicos contiguos a la trayectoria del rayo láser. Estos termómetros no pueden medir temperaturas en cada punto a lo largo de toda la trayectoria del rayo láser, como se requiere realmente. Otra desventaja es que, debido a demoras en los tiempos de respuesta en los detectores de temperatura conocidos actualmente de los interferómetros de láser, los resultados de medición siempre están por detrás de la temperatura instantánea real en cada punto de medición. En consecuencia, estos dispositivos permiten solamente medir valores de temperatura integrales en puntos de medición particulares durante un período de medición específico, no permiten la medición de temperaturas transitorias que cambian constantemente. La aplicación de métodos de medición que permiten solamente la medición de valores de temperatura en puntos únicos y con un largo período de repuesta y la consideración de valores resultantes como la temperatura instantánea integral a lo largo de toda la trayectoria del rayo láser, dan por resultado un error el cual es el más significativo entre los componentes de errores que afectan la exactitud de mediciones de interferómetro de láser.

El objeto de esta invención es proporcionar un método y equipo el cual soluciona el problema anterior. Además, esta invención proporciona un método para corregir los resultados de medición del interferómetro de láser, teniendo en cuenta los cambios transitorios en temperatura del aire a lo largo de toda la trayectoria del rayo láser.

El objeto de esta invención se puede lograr utilizando un método cuyos aspectos distintivos se describen en las reivindicaciones.

El método de acuerdo con esta invención consiste en determinar los valores de temperatura del aire a lo largo de toda la trayectoria del rayo láser del interferómetro de láser midiendo la velocidad del sonido que recorre la misma trayectoria, y que utiliza el valor obtenido para calcular la corrección que depende de la temperatura del aire con relación al valor medido, particularmente a las mediciones de distancia. La expresión "la misma trayectoria" quiere decir en este documento que las ondas de sonido y las ondas de luz de láser parten desde el mismo punto o, en la práctica, desde puntos cercanos uno a otro, y llegan al mismo punto o, en la práctica, a puntos cercanos uno de otro, y que estas ondas hacen el recorrido simultáneamente. La corrección con relación al resultado de medición de interferómetro de láser, particularmente el resultado de medición de distancia, se puede calcular a partir del valor de temperatura del aire. Este método facilita una imagen exacta de las características de aire transitorias que afectan la exactitud del interferómetro de láser.

En una realización de acuerdo con esta invención, la velocidad del sonido se mide utilizando el valor de longitud o distancia medido de manera simultánea empleando un interferómetro de láser. Cuando se utiliza el método de acuerdo con esta invención, la exactitud de las mediciones realizadas utilizando un interferómetro de láser se mejora considerablemente. El método que se describe se puede aplicar a interferómetros de láser disponibles comercialmente sin alteraciones o modificaciones y el equipo de acuerdo con esta invención se puede también instalar en ellos. Además, el método y equipo son sencillos y poco costosos de materializar, también el equipo es poco costoso de producir y utilizar.

Esta invención se basa en el fenómeno de que el índice de refracción del medio (en la práctica, aire) conocido a partir de la teoría de onda de luz, que afecta la longitud de onda del rayo láser, y la velocidad del sonido en el aire, conocida a partir de la teoría de la acústica, dependen ambos de los mismos factores, es decir, presión del aire, temperatura, humedad y concentración de dióxido de carbono, y por lo tanto son comparables de ese modo uno con otro de una manera conocida. Una ventaja adicional consiste en que las ondas de sonido no interfieren con el rayo de luz de láser transmitido mediante el interferómetro de láser y es posible que las ondas de sonido y el rayo láser recorran la misma trayectoria de manera simultánea. De este modo, los cambios transitorios en características del aire tienen el mismo efecto sobre las ondas de sonido y el rayo láser dado. Debido a que el efecto relativo de un cambio en temperatura del aire, es más de 1.000 veces más fuerte sobre la velocidad del sonido en el aire que sobre el índice de refracción del aire, es posible lograr mediciones muy precisas.

El método de acuerdo con esta invención propone que la determinación de la corrección con respecto al resultado de medición de longitud, que depende de la temperatura del aire a lo largo de la trayectoria del rayo láser y que se obtiene con el interferómetro de láser, se basa en el hecho de que cuando la onda de sonido recorre la misma trayectoria que el rayo láser a través del aire, la temperatura del aire instantánea en cada punto a lo largo de la trayectoria afecta la velocidad de la onda de sonido. El tiempo que invierte la onda de sonido para su recorrido a través del aire es inversamente proporcional a la temperatura instantánea integral a lo largo de la trayectoria de la onda de sonido. Además de la temperatura del aire, la velocidad del sonido en el aire depende de otros factores, cuyo efecto es diez o cientos de veces más pequeño que el efecto de la temperatura del aire. Estos factores afectan de manera relativamente uniforme sobre las condiciones del aire en toda la región, a diferencia de la temperatura del aire que cambia de manera significativa de punto a punto y varía con el tiempo. Estos factores incluyen humedad del aire, presión y concentraciones de diferentes gases tales como dióxido de carbono.

Una ventaja adicional que se proporciona por el método de medición de la invención consiste en que el tiempo de respuesta es cero en cada punto de la trayectoria del rayo láser y la medición de toda la trayectoria del rayo láser dura sólo el tiempo que la onda de sonido tarda en recorrer la trayectoria. Esta es la diferencia esencial y la ventaja abrumadora en el principio del método propuesto comparado con los termómetros de aire más lentos que se utilizan actualmente en los interferómetros de láser.

En una realización preferible de esta invención, los transmisores y receptores de sonido están localizados en el interferómetro de láser o en su proximidad de manera que la trayectoria y el eje del rayo láser y las ondas de sonido están tan cerca como sea posible una de otra y las ondas de sonido realizan el recorrido en paralelo y simétricamente con respecto al rayo láser. De esta forma se reducen los errores de medición.

La invención se describirá ahora con más detalle haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que la figura 1 muestra un diagrama de bloque de un instrumento que materializa el método de la invención,

las figuras 2 y 3 ilustran algunas realizaciones del método en forma de diagramas,

La figura 1 ilustra los elementos ópticos 1 y 2 del interferómetro de láser en los que el primero 1 (sobre el lado del interferómetro de láser) incorpora una fuente de luz y un divisor de haz/interferómetro, y el segundo 2 incorpora un retrorreflector. Las cubiertas fijas están unidas a los elementos ópticos, en las cuales están instalados los transmisores/receptores de sonido 4a, 4b, 4c, 4d. Cada transmisor/receptor puede transmitir o recibir ondas de sonido. El equipo incorpora también detectores de humedad 6, un detector de presión del aire 7, un analizador de gas 8 así como una unidad de control y cálculo 9. El interferómetro de láser 1 transmite el rayo láser 3 y los transmisores 4 transmiten ondas de sonido 5.

Los transmisores/receptores 4 están dispuestos en pares de manera que los ejes 5 de las ondas de sonido transmitidas mediante los transmisores/receptores son simétricos alrededor del rayo láser 3, los ejes pueden estar, por ejemplo, encima y por debajo del haz, y a la izquierda y derecha del haz. La instalación simétrica en pares simplifica los cálculos realizados posteriormente de acuerdo con el método. El número de pares de transmisor/receptor se pueden hacer a la medida en aplicaciones diferentes de esta invención. Por ejemplo, las figuras 2 y 3 muestran 4 y 6 pares, respectivamente.

Una realización de acuerdo con esta invención no requiere propiedades de alineamiento direccional especiales para los transmisores/receptores. Sin embargo, los tranasmisores/receptores modernos, en los que el intervalo de ángulo del haz es sólo unos cuantos grados (por ejemplo 5 a 8 grados), proporcionan mejor restricción contra la interferencia de ruido y se pueden utilizar en mayores distancias. Esto es importante en mediciones prácticas, por ejemplo bajo condiciones de fábrica.

La frecuencia de sonido que se utiliza no está limitada a ningún valor específico pero se han obtenido en la práctica los mejores resultados con frecuencias ultrasónicas, por ejemplo 50 a 100 kHz, debido a su tolerancia en contra de la interferencia. Cuando la distancia que se va a medir (es decir, la distancia entre el interferómetro 1 y el retroreflector 2) cambia, la distancia entre cada transmisor/receptor 4 cambia de manera correspondiente. La unidad de control y cálculo 9 recibe un valor exacto sobre la distancia que se va a medir desde el interferómetro de láser 1.

La velocidad del sonido se mide simultáneamente con la medición del interferómetro de láser. La velocidad del sonido se puede medir de varias maneras; una de las alternativas posibles se describe a continuación.

La velocidad del sonido se mide constantemente en ciclos de repetición que comprenden las siguientes etapas:

la unidad de control y cálculo 9 transmite un paquete de ondas de sonido vía el transmisor 4a en el interferómetro de láser (esta invención no limita el número de oscilaciones en cada paquete; por ejemplo, es adecuado de 5 a 20 oscilaciones). Estas ondas de sonido 5 hacen el recorrido por encima del rayo láser 3. Después de una demora conocida, el receptor 4b sobre el lado opuesto (lado del retroreflector) del interferómetro de láser detecta las ondas de sonido que llegan, y el tiempo requerido por el sonido para realizar el recorrido se registra mediante la unidad de control y cálculo. La unidad de control y cálculo transmite el paquete de ondas de sonido de nuevo vía el transmisor 4b al receptor 4a. Estas ondas de sonido 5 se propagan con un eje por encima del rayo láser 3. Después de una demora conocida el receptor 4a detecta las ondas de sonido que llegan y se registra el tiempo necesario para que el sonido haga el recorrido mediante la unidad de control y cálculo. Las mediciones del tiempo en ambas direcciones es un requisito previo para la eliminación completa del efecto del viento cuando se calcula la velocidad del sonido. Después de la medición descrita anteriormente, se lleva a cabo una medición similar utilizando los transmisores/receptores opuestos localizados de manera simétrica con respecto al rayo láser 3. En otras palabras, se mide el tiempo que se requiere para que el sonido haga el recorrido desde el transmisor 4c al receptor 4d y de nuevo desde el transmisor 4d al receptor 4c, cuando las ondas de sonido se propagan ahora con un eje por debajo del rayo láser 3. Las mediciones simétricas realizadas inmediatamente sobre los lados opuestos del rayo láser aseguran que el tiempo medido que necesita al sonido para realizar el recorrido a lo largo de la trayectoria del rayo láser 3, se corresponde en mayor grado con el tiempo de recorrido real, y que se eliminan las diferencias en temperatura del aire en la dirección transversal al rayo láser.

Después que se ha medido el tiempo de la onda de sonido con un par opuesto transmisor/receptor que utiliza el método descrito anteriormente, se realiza una medición similar con los otros pares de transmisor/receptor. Si se utilizan cuatro pares de transmisor/receptor, las siguientes mediciones se realizan utilizando los pares a la izquierda y derecha del rayo láser. El diagrama de bloque ilustra dos o cuatro pares de transmisores/receptores, aunque el número de transmisores/receptores se puede hacer a la medida en diferentes realizaciones de esta invención.

Cuando se ha medido el tiempo de recorrido del sonido en ambas direcciones con todos los pares de transmisor/receptor, se repite el ciclo.

Mientras se están realizando las mediciones, la unidad de control y cálculo se alimenta en tiempo real con la siguiente información:

- distancia que presenta el interferómetro de láser 1.

- presión del aire que presenta el detector de
presión del aire 7.

- humedad del aire relativa que presentan los detectores de humedad 6.

- cuando se necesita información acerca de las concentraciones de gas en el aire en mediciones particularmente exactas, el analizador de gas 8 mide las concentraciones de dióxido de carbono y si es necesario de otros gases en el aire.

Basada en la información enumerada anteriormente, la unidad de control y cálculo 9 calcula primero la velocidad del sonido a lo largo de la trayectoria del rayo láser 3 y realiza los ajustes necesarios para los efectos de presión del aire, humedad relativa, concentraciones de gas, viento, y gradiente de temperatura, y calcula entonces el ajuste al estimado de la distancia original realizado por el interferómetro de láser, corrigiendo los errores sistemáticos del equipo y realizando el procesamiento estadístico requerido.

Las figuras 2 y 3 ilustran algunos ejemplos de la manera en la que se pueden localizar los transmisores/receptores de onda de sonido 4 de forma simétrica alrededor del rayo láser. En el centro de la cubierta 10, hay un orificio 11 en donde se localizan los elementos ópticos del interferómetro de láser. El orificio 11 es tal que no se perturba la operación normal de los elementos ópticos del interferómetro de
láser.

Claims (2)

1. Un método para mejorar la exactitud de mediciones realizadas con el interferómetro de láser (1, 2) y especialmente para mejorar la exactitud de mediciones de distancia, caracterizado porque la velocidad del sonido (5) se mide cuando recorre la misma trayectoria que la trayectoria del rayo láser (3) y de manera simultánea con la medición de distancia realizada mediante el interferómetro de láser, cuando se determina el efecto de los factores sobre toda la trayectoria del rayo láser del interferómetro de láser, los cuales en su conjunto afectan la velocidad del sonido y el índice de refracción del aire, es decir temperatura del aire, presión del aire, humedad relativa y concentración de gases, el valor de distancia indicado mediante el interferómetro de láser en tiempo real se utiliza en los cálculos, si es necesario, se hacen correcciones teniendo en cuenta los efectos de presión del aire, humedad relativa, concentración de gases, gradientes de temperatura y viento, y utilizando el valor obtenido para calcular una corrección, la cual depende de los factores descritos anteriormente y es proporcional al índice de refracción del aire, al valor de medición, y especialmente al valor de la medición de longitud.

2. El método según la reivindicación 1, caracterizado además porque los transmisores/receptores de sonido (4, 4a, 4b, 4c, 4d) están localizados en el interferómetro de láser (1, 2) o en su proximidad de manera que la trayectoria del recorrido y el eje del rayo láser (3) y las ondas de sonido (5) están tan cerca uno de otro como sea posible y que las ondas de sonido se propagan con ejes que están paralelos y simétricos con respecto al rayo láser.