CN101825435A - 一种全光纤位移测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种全光纤位移测量方法及装置。该装置包括双频正交线偏振光源、保偏光纤耦合器、光纤偏振器、光电检测器、显微聚焦透镜、反射镜和示波器等。被测物体反射光和反射镜反射光混合后形成拍频信号与基准光产生的拍频信号，两路信号相减后得到位移信息。本发明采用双频激光光源和外差干涉输出，不受光强波动影响，输出为交流信号，可以采用交流放大器放大信号，避免直流偏移等问题，同时采用全光纤结构，不易受环境等外界条件的影响，测量精度高，适用于工厂车间等恶劣环境。

Description

一种全光纤位移测量方法及装置

所属领域

本发明涉及激光干涉测量领域，特指一种全光纤位移测量方法及装置，能在工厂车间等恶劣环境下使用。

背景技术

在构建本构关系、物态方程和进行激光冲击强化、激光冲击成形和层裂等研究时，获取材料在高应变率载荷作用下的各种动态响应特性是关键研究问题。考虑到埋入式传感器会对被测对象的性质及产生的冲击波等产生干扰，一般采用光学的方法进行精密的非接触式实时测量。

申请号为CN200510022172.X的中国专利“一种全光纤位移干涉仪”通过光学探头照明被测样品的表面并返回信号光，信号光和机内的激光产生拍频干涉，从而检测样品位移随时间的变化过程，申请号为CN200810046202.4的中国专利“紧凑型全光纤位移干涉仪”，改进了前者的探头，采用APC陶瓷插针，结构更为紧凑。两个发明均采用全光纤结构，因此降低了测量过程中外界光路的干扰产生的波动。但是当被测物体不发生运动时，全光纤激光器位移干涉系统的输出为直流信号，极易产生直流漂移的损失；同时采用单频激光，输出极易受到光源波动的影响，相干光的光强匹配相对困难，系统稳定性不强。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种全光纤位移测量方法和装置，不但较好实现了干涉测量的匹配条件，而且具有高精度、高信噪比、稳定可靠等特性，从而扩大位移测量方法的使用范围。

本发明提供的全光纤位移测量方法采用全光纤结构，光源输出为双频正交线偏振光，通过保偏光纤耦合器分成两束光，一束光通过光纤偏振器和光电检测器接收后形成基准光，产生拍频信号；另一束光被测物体反射和反射镜反射，两反射光混合后形成拍频信号，这两个拍频信号进行相减后可得被测试的位移信息。其具体步骤为：

1)双频正交线偏振光源通过保偏光纤耦合器A分成两路光；

2)一路光经光纤偏振器A和光电检测器A输入示波器的输入端A；

3)另一路光经保偏光纤耦合器B分成两路光束，一路通过显微聚焦透镜A聚焦于被测物体上，并反射回光纤耦合器B；另一路通过显微聚焦透镜聚B焦于反射镜上，并反射回光纤耦合器B；

4)通过光纤耦合器B的反射光经光纤偏振器B和光电检测器B输入示波器的另一输入端B：

5)将示波器的两路输入信号相减，即得到被测物体的位移数据。

实施本发明方法的装置包括双频正交线偏振光源、保偏光纤耦合器、光纤偏振器、光电检测器、显微聚焦透镜、反射镜、示波器；所述双频正交线偏振光源通过保偏光纤与保偏光纤耦合器A的端口A相连，保偏光纤耦合器A的端口B通过保偏光纤依次与光纤偏振器A和光电检测器A连接，并将光电检测器A的输出端接入示波器的输入端A；保偏光纤耦合器A的端口C通过保偏光纤接入保偏光纤耦合器B的端口D，保偏光纤耦合器B的端口E通过保偏光纤与显微聚焦透镜A聚焦于被测物体上，其中聚焦于被测物体的光纤头和被测物体表面分别处于显微聚焦透镜A的物象共轭面上，保偏光纤耦合器B的端口F通过保偏光纤与显微聚焦透镜聚B焦于反射镜上；保偏光纤耦合器B的端口G通过保偏光纤与光纤偏振器B和光电检测器B连接，并将光电检测器B的输出端接入示波器的输入端B。

作为上述全光纤位移测量装置的一种优选方案是保偏光纤耦合器A为1x2的保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器B为2x2的保偏光纤耦合器。

作为上述全光纤位移测量装置的进一步改进是，在保偏光纤耦合器A和保偏光纤耦合器B之间接入光纤隔离器，能防止反射信号干扰。

作为上述全光纤位移测量装置的另一种改进是，分别在光纤偏振器和光电检测器之间接入光纤滤波器，能有效滤除信号噪声。

本发明的优点是(1)由于采用全光纤结构，不受使用条件中气流等环境影响，测量精度高；(2)由于采用双频激光光源，输出信号为差信号，因此输出不受光强波动影响；(3)由于采用外差干涉方式，输出为交流信号，能够避免直流偏移问题，同时可以采用交流放大器放大信号，提高测试精度和稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1全光纤位移测量装置形式一结构示意图。

图2全光纤位移测量装置形式二结构示意图。

图3全光纤位移测量装置形式三结构示意图。

图中，1双频正交线偏振光源，2保偏光纤耦合器A，3保偏光纤耦合器B，4显微聚焦透镜A，5被测物体，6显微聚焦透镜B，7反射镜，8光纤偏振器A，9光纤偏振器B，10光电检测器A，11光电检测器B，12示波器，13光纤隔离器，14光纤滤波器A，15光纤滤波器B，121输入端A，122输入端B，201端口A，202端口B，203端口C，301端口D，302端口E，303端口F，304端口G

具体实施方式

图1给出了全光纤位移测量装置的示意图。

全光纤位移测量装置包括：双频正交线偏振光源1、保偏光纤耦合器A2、保偏光纤耦合器B3、显微聚焦透镜A4、显微聚焦透镜B6、反射镜7、光纤偏振器A8、光纤偏振器B9、光电检测器A10、光电检测器B11、示波器12；所述双频正交线偏振光源1通过保偏光纤与保偏光纤耦合器A2的端口A201，保偏光纤耦合器A2的端口B202通过保偏光纤依次与光纤偏振器A8和光电检测器A10连接，并将光电检测器A10的输出端接入示波器12的输入端A121；保偏光纤耦合器A2的端口203通过保偏光纤接入保偏光纤耦合器B3的端口D301，保偏光纤耦合器B3的端口E302通过保偏光纤与显微聚焦透镜A4聚焦于被测物体上，其中聚焦于被测物体5的光纤头和被测物体表面分别处于显微聚焦透镜A4的物象共轭面上，端口F303通过保偏光纤与显微聚焦透镜B6聚焦于反射镜7上；保偏光纤耦合器B3的端口6304通过保偏光纤依次与光纤偏振器B9和光电检测器B11连接，并将光电检测器B11的输出端接入示波器12的输入端A122；示波器12对输入端A121和输入端B122的信号相减，即得到被测物体5的位移数据。

输入光为不同频率振动方向互相垂直的线偏振光，设υ₁垂直于纸面，υ₂平行于纸面。经过1x2保偏光纤耦合器A2后分为两束光：一路通过光纤偏振器A8后，旋转偏振角度，当偏振角度为45°时，两个偏振方向进行投影形成新的同向线偏振光，并产生“拍”，根据马吕斯定理，其拍频等于两个光频之差，即Δυ＝υ₁-υ₂。该拍频信号进入光电检测器A10后转换为交流电信号输入示波器12的输入端A121。另一路光从端口D301进入2x2保偏光纤耦合器B3后再分为两路光束：端口E302出射的光束经过显微聚焦透镜A4后照射到被测物体5，使光纤头和被测表面分别处于显微聚焦透镜A4的物象共轭面上，然后反射回探测光纤。当被测物体以速度V运动时(移动或振动或两者相加)，由于多普勒效应，由被测物体表面返回的光束光频发生变化，频移为

其中λ为光源的波长。端口F303出射光束经过显微聚焦透镜B6入射到静止的反射镜7，形成另一束反射光束，两束光束再通过保偏光纤耦合器B3后进入光纤偏振器B9，旋转偏振角度，当偏振角度为45°时，两个偏振方向进行投影形成新的同向线偏振光，产生拍频信号Δυ′＝υ₁-υ₂±Δυ₀，进入光电检测器B11转换为交流电信号，由输入端B122输入示波器12。由于输出的信号为交流信号，可以有效避免了直流信号容易产生直流漂移，同时可以采用光纤放大器放大传输信号。

以端口A121的信号为基准，在示波器12内对两路拍频信号的相减操作，可以获得差频信息，

设在被测对象移动的时间内，由差频信息引起的条纹亮暗变化次数为N，则

$N={\∫}_0^t({\mathrm{\Δ\υ}}^{\′}-\mathrm{\Δ\υ})\mathrm{dt}={\∫}_0^t\frac{2V}{\mathrm{\λ}}\mathrm{dt}=\frac{2}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^t\mathrm{Vdt}=\frac{2}{\mathrm{\λ}}L,$

其中L为运动的距离，正负号表示方向，当被测对象向保偏光纤耦合器移动时，取值为负，反之为正。

在实施中，所有的光路均采用保偏光纤连接，光纤元器件之间的连接采用法兰盘或熔融连接。

作为全光纤位移测量装置的进一步改进，如图2所示在偏光纤耦合器A2和保偏光纤耦合器B3之间接入光纤隔离器13，可以防止反射信号干扰。

作为全光纤位移测量装置的另一个改进，如图3所示在光纤偏振器A8和光电检测器A10之间接入光纤滤波器A14；光纤偏振器B9和光电检测器B11之间接入光纤滤波器B15，从而能有效滤除信号噪声。

采用上述全光纤位移测量方法和装置，可以精确探测到激光冲击被测物体等位移轨迹，提高了测量的精度，降低了光源和外界环境对信号的影响，能稳定地在比较恶劣的环境下运行。

Claims (5)

1.一种全光纤位移测量方法，其特征在于：光源输出为双频正交线偏振光，通过保偏光纤耦合器分成两束光，一束光通过光纤偏振器和光电检测器接收后形成基准光，产生拍频信号；另一束光被测物体反射和反射镜反射，两反射光混合后形成拍频信号，这两个拍频信号进行相减后得到被测试的位移信息；其具体步骤为：

1)双频正交线偏振光源(1)通过保偏光纤耦合器A(2)分成两路光；

2)步骤1)中所述两路光中的一路光经光纤偏振器A(8)和光电检测器A(10)输入示波器(12)的输入端A(121)；

3)步骤1)中所述两路光中的另一路光经保偏光纤耦合器B(3)分成两路光束，一路光束通过显微聚焦透镜A(4)聚焦于被测物体上，并反射回光纤耦合器B(3)；另一路光束通过显微聚焦透镜B(6)聚焦于反射镜(7)上，并反射回光纤耦合器B(3)；

4)通过所述光纤耦合器B(3)的反射光经光纤偏振器B(9)和光电检测器B(11)输入示波器(12)的输入端B(122)；

5)将所述示波器(12)的两路输入信号相减，得到被测物体(5)的位移数据。

2.实施权利要求1所述一种全光纤位移测量方法的装置，包括光电检测器A(10)、光电检测器B(11)、示波器(12)，其特征在于：还包括双频正交线偏振光源(1)、保偏光纤耦合器A(2)、保偏光纤耦合器B(3)、光纤偏振器A(8)、光纤偏振器B(9)、显微聚焦透镜A(4)、显微聚焦透镜B(6)、反射镜(7)；所述双频正交线偏振光源(1)通过保偏光纤与保偏光纤耦合器A(2)的端口A(201)相连，保偏光纤耦合器A(2)的端口C(203)通过保偏光纤依次与光纤偏振器A(8)和光电检测器A(10)连接，并将光电检测器A(10)的输出端接入示波器(12)的输入端A(121)；所述保偏光纤耦合器A(2)的端口B(202)通过保偏光纤接入保偏光纤耦合器B(3)的端口D(301)，所述保偏光纤耦合器B(3)的端口E(302)连接保偏光纤，保偏光纤另一端的光纤头对准显微聚焦透镜A(4)，显微聚焦透镜A(4)的聚焦点落在被测物体(5)上；所述光纤头和被测物体(5)表面分别处于显微聚焦透镜A(4)的物象共轭面上；端口F(303)连接保偏光纤，保偏光纤另一端的光纤头对准显微聚焦透镜B(6)，显微聚焦透镜B(6)的聚焦点落在反射镜(7)上；保偏光纤耦合器B(3)的端口G(304)通过保偏光纤依次与光纤偏振器B(9)和光电检测器B(11)连接，并将光电检测器B(11)的输出端接入示波器(12)的输入端B(122)。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤位移测量装置，其特征是：所述保偏光纤耦合器A(2)为1×2的保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器B(3)为2×2的保偏光纤耦合器。

4.根据权利要求2或3所述一种全光纤位移测量装置，其特征是：所述保偏光纤耦合器A(2)和保偏光纤耦合器B(3)之间接入光纤隔离器(13)。

5.根据权利要求2或3所述一种全光纤位移测量装置，其特征是：所述光纤偏振器A(8)和光电检测器A(10)之间接入光纤滤波器A(14)；光纤偏振器B(9)和光电检测器B(11)之间接入光纤滤波器B(15)。

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