CN103115573A

CN103115573A - 位移测量方法

Info

Publication number: CN103115573A
Application number: CN2013100357052A
Authority: CN
Inventors: 张书练; 牛海莎; 谈宜东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: CN103115573B

Abstract

本发明提供一种位移测量方法，包括以下步骤：提供一位移测量系统，所述位移测量系统包括一激光器以及一数据采集及处理单元，所述激光器输出的激光分成具有位相差的o光、e光分量；所述数据采集及处理单元将所述o光的光强信号转换为电压信号V_o，将所述e光的光强信号转换为电压信号V_e，并求取o光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线V_t，其中V_t=V_o+V_e；判定方向：对信号V_t求差分Δ(V_t)，并计算I，其中I=Δ(V_t)×(V_o-V_e)，当I值大于0时，判定位移的方向为第一方向；当I值小于0时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。

Description

位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种位移测量方法，尤其是涉及对位移实现实时判断方向的测量方法。

背景技术

纳米测量是纳米科学发展的基础，而纳米科学主要是研究、发现和加工结构尺寸小于100纳米的材料、器件和系统，以获得所需要的功能和性能，并已经在材料、化学、生物、能源和医药卫生等领域得到广泛应用。随着纳米时代的到来，对纳米尺度的产品进行检测的需求日益增大，同时也对纳米测量技术提出了更高的要求。纳米测量需要在毫米级的测量范围内达到纳米级的分辨率，同时需要综合考虑环境条件、系统复杂程度及溯源性等方面的要求。

纳米测量技术按照量程、分辨率和测量不确定度的标准，可以分为两大类：一类是激光干涉仪技术，其特点是量程大，可达几十米，但对小于半个光波长的位移需要用电子鉴相等细分方法来实现；另一类是差拍法布里-珀罗（Fabry-Perot，F-P）干涉仪技术、X射线干涉仪技术、光学+X射线干涉仪技术、频率测量技术和光频梳技术等，他们的特点是分辨率和测量不确定度低，可达亚纳米甚至皮米量级。然而激光干涉仪技术由于电子噪声等非线性误差的影响，半波长以内的位移测量并不可靠，因此难以满足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀罗干涉仪技术等的量程小，一般在微米量级，限制了其应用范围。

基于激光回馈的位移测量方法具有结构简单、自准直和性价比高的优点。然而，传统的利用激光回馈测量位移的测量方法中，利用高、低等光强点进行计数实现计算位移的大小，而无法实现实时判定位移的方向。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种能够实时判断方向的位移测量方法。

一种位移测量方法，包括以下步骤：提供一位移测量系统，所述位移测量系统包括一激光器以及一数据采集及处理单元，所述激光器输出的激光分成具有位相差的o光、e光分量；所述数据采集及处理单元将所述o光的光强信号转换为电压信号V_o，将所述e光的光强信号转换为电压信号V_e，并求取o光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线V_t，其中，V_t=V_o+V_e；判定方向：将某一时间点采集到的信号V_o1及V_e1进行加和得到V_t1，于该时间点之后相邻的一个时间点采集到的信号V_o2及V_e2进行加和得到V_t2，将所述V_t1与V_t2进行作差，得到差分值Δ(V_t)，即，Δ(V_t)=V_t2－V_t1，并计算I，其中，I=Δ(V_t)×(V_o-V_e)，当I值大于0时，判定位移的方向为第一方向；当I值小于0时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。

与现有技术相比较，本发明提供的位移测量方法，利用了两束正交偏振激光光强信号的总输出光强的变化趋势和两束正交偏振激光的大小关系，实现了实时判向，因此方法更加简单，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例提供的位移测量系统的结构示意图。

图2为本发明实施例所述猫眼逆反器沿第一方向移动时两束正交的偏振光及总输出光强的变化规律。

图3为本发明实施例所述猫眼逆反器沿第二方向移动时两束正交的偏振光及总输出光强的变化规律。

图4为本发明实施例所述不足八分之一波长的细分计数的细分示意图。

主要元件符号说明

可移动测杆	1
		猫眼逆反镜	2
双折射元件	3
		增透窗片	4
增益管	5
		输出镜	6
偏振分光片	7
		第一光电探测器	8
第二光电探测器	9
		电压放大电路	10
第一模拟/数字转换器	11
		第二模拟/数字转换器	12
主控芯片	13
		显示装置	14
激光器	100
		数据采集及处理单元	200

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的位移测量方法。

请一并参阅图1、图2及图3，本发明实施例提供一种位移测量方法，所述位移测量方法包括以下步骤：

S1，提供一位移测量系统，所述位移测量系统包括一激光器100以及一数据采集及处理单元200，所述激光器100输出的激光分成具有位相差的o光、e光分量；

S2，所述数据采集及处理单元200将所述o光的光强信号转换为电压信号V_o，将所述e光的光强信号转换为电压信号V_e，并求取o光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线V_t，其中，V_t=V_o+V_e；

S3，判定方向：将某一时间点采集到的信号V_o1及V_e1进行加和得到V_t1，于该时间点之后相邻的一个时间点采集到的信号V_o2及V_e2进行加和得到V_t2，将所述V_t1与V_t2进行作差，得到差分值Δ(V_t)，即，Δ(V_t)=V_t2－V_t1，并计算I，其中，I=Δ(V_t)×(V_o-V_e)，当I值大于0时，判定位移的方向为第一方向；当I值小于0时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。

在步骤S1中，所述激光器100，用于输出双频激光；可选择为气体激光器、固体激光器、或半导体激光器等。本实施例中，所述激光器100为一氦氖激光器，所输出的激光波长为632.8nm。所述激光器100包括一猫眼逆反镜2，一双折射元件3、一增透窗片4、一增益管5以及一输出镜6。所述猫眼逆反镜2的一端与一可移动测杆1相连，所述可移动测杆1与一待测位移的物体相连。所述猫眼逆反镜2、双折射元件3、增益管5以及输出镜6可通过一支撑架(图未标)固定。所述猫眼逆反镜2、双折射元件3、增透窗片4、增益管5以及输出镜6沿所述激光器100输出激光的轴线依次共轴设置。所述双折射元件3用于产生频率分裂，使所述激光器100输出双频激光。具体的，通过调整双折射元件3与激光的轴线的夹角，使得频率分裂量等于二分之一纵模间隔。所述双折射元件3位于所述猫眼逆反镜2与所述增透窗片4之间，且与所述猫眼逆反镜2及所述增透窗片4间隔设置。

所述数据采集及处理单元200用以接收从所述激光器100输出镜6输出的干涉激光，并进行数据处理及计算脉冲数。所述数据采集及处理单元200包括一偏振分光片7、一第一光电探测器8、一第二光电探测器9、一电压放大电路10、一第一模拟/数字转换器11、一第二模拟/数字转换器12、一主控芯片13以及一显示装置14。所述偏振分光片7靠近所述激光器100的输出镜6设置，以接收从激光器100中输出镜6输出的激光，并将输出的激光在空间分成两路具有位相差的o光、e光分量。所述o光与e光的偏振方向相互垂直。所述数据采集及处理单元200中所述第一光电探测器8、第二光电探测器9用以分别探测由偏振分光片7输出的o光和e光分量，并将其分别转换为两路电信号。所述电压放大电路10与所述第一光电探测器8以及第二光电探测器9电连接，并对两路电信号进行电流/电压转换、放大及滤波处理。所述第一模拟/数字转换器11和第二模拟/数字转换器12以恒定的采样频率采集输入的模拟信号，并将所述采集的模拟信号值转化为二进制数字信号输入主控芯片13，得到分别对应于o光及e光的功率调谐曲线V_o及V_e。所述o光及e光的功率调谐曲线的形状均为类余弦曲线，该o光及e光的功率调谐曲线中的周期为一个半外腔正交偏振双频激光器波长λ。由于所述双折射元件3的作用，所述功率调谐曲线V_o及V_e具有一定的相位差。

在步骤S2中，所述主控芯片13对电压放大电路10输出的o光及e光的功率调谐曲线进行加和，得到总功率调谐曲线V_t。由于所述功率调谐曲线V_o及V_e的形状为类余弦曲线，该总功率调谐曲线V_t的形状也为类余弦曲线。

在柱光激光器中，激光的频率变化和腔长改变满足以下关系式：

Figure 2013100357052100002DEST_PATH_IMAGE001

(1)

式中，v为激光频率，l为腔长。

通过频率分裂和模竞争，使功率调谐曲线中任一个纵模间隔(Δ)范围平均分成四等份。随着腔长的改变量的加剧，纵模间隔(Δ=c/2l)也随之改变，因为出光带宽基本保持不变，因而得到两种不同形式的功率调谐曲线。由于本实施例中，所述HeNe激光器为一正交偏振的双频激光器，故该两种不同形式的功率调谐曲线为o光和e光形成的功率调谐曲线。该o光和e光的功率调谐曲线之间存在高等光强点H和低等光强点L，其中，该高等光强点H处V_H=V_o=V_e，该低等光强点L处V_L=V_o=V_e，且V_H＞V_L。

在步骤S3中，第一模拟/数字转换器及第二模拟/数字转化器以恒定的采样频率采集信号，将某一时间采集到的信号V_o1及V_e1进行加和得到V_t1，于该时间点之后相邻的一个时间点采集到的信号V_o2及V_e2进行加和得到V_t2，将所述V_t1与V_t2进行作差，得到所述差分值Δ(V_t)，即，Δ(V_t)=V_t2－V_t1。定义猫眼逆反镜2远离双折射元件3移动的方向为一第一方向，猫眼逆反镜2靠近双折射元件3移动的方向为一第二方向，即，第一方向与第二方向相反。在总功率调谐曲线V_t中，当V_t处于上升段时，有V_o＞V_e；当V_t处于下升段时，有V_e＞V_o。通过对离散数字信号V_t求差分Δ(V_t)，当V_t处于上升段时，有Δ(V_t)＞0；当V_t处于下升段时，有Δ(V_t)＜0。定义一数值I，I=Δ(V_t)×(V_o-V_e)，本实施例中，当猫眼逆反镜2沿第一方向移动时，恒有I＞0；当猫眼逆反镜2沿第二方向移动时，恒有I＜0。故，可以通过所述数值I是否大于0，来判断位移的方向。

可以理解，也可以定义猫眼逆反镜2靠近双折射元件3移动的方向为第一方向，猫眼逆反镜2远离双折射元件3移动的方向为第二方向，此时，当猫眼逆反镜2沿第一方向移动时，恒有I＜0；当猫眼逆反镜2沿第二方向移动时，恒有I＞0。

进一步，本发明实施例所述位移测量方法还包括位移的大小的测量，具体包括以下步骤：

S4，计大数：在V_t的一个变化周期内(λ/2)，比较V_o与V_e的大小，并舍弃其中较小的值，保留其中较大的值，所述V_o与V_e的保留值形成一“M”形信号，信号处理单元11记录以下四个点为特殊计数点：低等光强点V_L、V_o的最大值V_omax、高等光强点V_H、及V_e的最大值V_emax，其中，V_L＜V_H，所述四个特殊计数点均分所述V_t的一个变化周期，当激光器每输出所述四个特殊计数点中任意一个特殊计数点，位移计数N增加1；

S5，建表：将所述“M”形信号归一化，横坐标为位移，纵坐标为相对电压的无量纲数值，得到位移与相对电压的对应关系表；

S6，查表计小数：通过步骤S5中所述位移与相对电压的对应关系表，获得每一采样点对应的精确位移x；

S7，加和：计算位移量S，其中，S=(λ/8)×N+x，λ为半外腔正交偏振双频激光器波长，N为步骤S4得到的位移计数值，x为步骤S6得到的精确位移。

在步骤S4中，由于o光和e光形成的功率调谐曲线具有一定的相位差，即在同一时间点采集到的V_o与V_e的数值可能不同。所述o光和e光形成的功率调谐曲线中，任何相邻的两个高等光强点之间的距离为一纵模间隔，对应的腔长变化为：

Figure 2013100357052100002DEST_PATH_IMAGE002

(2)

式中，c为光速。

从式(2)中，可以知道，频率每改变一个纵模间隔(周期)，腔长改变λ/2，即相当于所述猫眼逆反镜移动λ/2的距离。所述低等光强点V_L、V_o的最大值V_omax、高等光强点V_H、及V_e的最大值V_emax这四个特殊计数点将所述V_t的一个变化周期均分为四等份，即相邻的两个特殊计数点之间对应λ/8的位移。当激光器每输出上述四个特殊计数点中的任意一个特殊计数点，位移计数N增加1，相当于位移的大小增加λ/8。

在步骤S5中，当位移的大小增加量小于λ/8时，通过步骤S4的计大数无法得到精确数值，因此，需要进一步的细分。

在所述o光和e光的功率调谐曲线中，选取一个周期(λ/2)的信号进行细分，优选地，取所述o光和e光的功率调谐曲线线性度大于99%对应的数据点。具体的，数据采集及处理单元200以恒定的采样频率采集所述电压放大电路10输出的信号V_o和V_e，所述o光和e光形成的功率调谐曲线的横坐标为位移，纵坐标为电压。而在实际测量时，电压的数值受多个因素的影响而有变化。如图4所示，为采用HeNe激光器获得的“M”形信号的细分图。HeNe激光器发出的激光的波长为632.8nm。选取一个周期(λ/2)的信号即选取一个线性度较好的“M”形信号，所述“M”形信号保留Q个有效电压值(Q为自然数)，并对“M”形信号采用该采样周期的最大、最小值进行归一化，横坐标代表位移，纵坐标代表相对电压的无量纲数值，得到位移与相对电压的一一对应表，其中q_n及q_n+1表示相邻的两个电压点，S表示q_n点的位移量，S+ds表示q_n+1点的位移量。具体的，纵坐标为相对电压的无量纲数值是指纵坐标的最小值为0，最大值为1，即将所述“M”形信号中最大值看成数值“1”。列表table：

相对电压

0

…

q_n

q_n+1

…

Q

对应位移

0

…

S

S+ds

…

λ/2

在步骤S6中，通过查表table获得每一采样点的精确位移。表table中的细分程度和模拟/数字转换器对电压大小的分辨率决定了所述精确位移x的分辨率。由于所述o光和e光的功率调谐曲线为类余弦曲线，因而在曲线的λ/4的波段内，中间段的斜率(变化率)较大，底部和顶部的斜率较小。为了得到较精确的表table，可在变化率较大的点之间，通过插值法继续得到中间位移点对应的相对电压值。该表table的“相对位移”通过直接采样得到的数值为等差数列，通过插值法得到的数值为非等差数列。通过对表table中变化率较大的点进行进一步的细分，可以进一步的提高位移x的分辨率。本实施例中，所述模拟/数字转换器对应电压的分辨率为3毫伏，通过插值法得到的信号斜率最大处的分辨率可达1纳米。

o光和e光的光强信号幅度在测量开始和结束时会产生一定变化，为避免引起查表的误差，表table中，“M”形信号采用该采样周期的最大、最小值归一化；测量信号采用相邻的前一周期最大、最小值归一化；第一个周期的测量信号采用预热结束时的最大、最小电压值归一化。归一化后的无量纲光强，形状及幅度总可以保持无明显变化，大大提高了测量的可靠性。

本发明利用了两束正交偏振激光光强信号的总输出光强的变化趋势和两束正交偏振激光的大小关系，实现了实时判向；而且通过对“M”形信号归一化，建立位移与相对电压的一一对应表，通过查表得到物体位移的纳米级测量分辨率。所述位移测量方法具有实时判向、分辨率高、方法简单等特点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种位移测量方法，包括以下步骤：

提供一位移测量系统，所述位移测量系统包括一激光器以及一数据采集及处理单元，所述激光器输出的激光分成具有位相差的o光、e光分量；

所述数据采集及处理单元将所述o光的光强信号转换为电压信号V_o，将所述e光的光强信号转换为电压信号V_e，并求取o光和e光的光强之和得到总功率调谐曲线V_t，其中，V_t=V_o+V_e；

判定方向：将某一时间点采集到的信号V_o1及V_e1进行加和得到V_t1，于该时间点之后相邻的一个时间点采集到的信号V_o2及V_e2进行加和得到V_t2，将所述V_t1与V_t2进行作差，得到差分值Δ(V_t)，即，Δ(V_t)=V_t2－V_t1，并计算I，其中，I=Δ(V_t)×(V_o-V_e)，当I值大于0时，判定位移的方向为第一方向；当I值小于0时，判定位移的方向为第二方向，所述第二方向与第一方向相反。

2.如权利要求1所述的位移测量方法，其特征在于，所述激光器包括一猫眼逆反镜、一双折射元件、一增透窗片、一增益管、以及一输出镜沿输出激光的轴线依次共轴设置，所述双折射元件设置于猫眼逆反镜与所述增透窗片之间，并分别与所述猫眼逆反镜及所述增透窗片间隔设置用以产生分频激光。

3.如权利要求2所述的位移测量方法，其特征在于，所述数据采集及处理单元包括一偏振分光片靠近所述输出镜设置以接收激光器输出的激光，并将激光分成o光及e光，一第一光电探测器及第二光电探测器与所述偏振分光片间隔设置以接收所述o光及e光并转换为两路电信号，一电压放大电路与所述第一光电探测器及第二光电探测器电连接并对两路电信号进行电流/电压转换及放大，一第一模拟/数字转换器及第二模拟/数字转换器处理得到分别对应于o光及e光的功率调谐曲线V_o及V_e，一主控芯片与所述第一模拟/数字转换器及第二模拟/数字转换器电连接以进行数据处理。

4.如权利要求1所述的位移测量方法，其特征在于，所述位移测量方法还包括位移的大小的测量，具体包括以下步骤：

(1)计大数：在V_t的一个变化周期内，比较V_o与V_e的大小，并舍弃其中较小的值，保留其中较大的值，所述V_o与V_e的保留值形成一“M”形信号，信号处理单元11记录以下四个点为特殊计数点：低等光强点V_L、V_o的最大值V_omax、高等光强点V_H、及V_e的最大值V_emax，其中，V_L＜V_H，所述四个特殊计数点均分所述V_t的一个变化周期，当激光器每输出所述四个特殊计数点中任意一个特殊计数点，位移计数N增加1;

(2)建表：将所述“M”形信号归一化，横坐标为位移，纵坐标为相对电压的无量纲数值，得到位移与相对电压的对应关系表;

(3)查表计小数：通过步骤(2)中所述位移与相对电压的对应关系表，获得每一采样点对应的精确位移x；

(4)加和：计算位移量S，其中，S=(λ/8)×N+x，λ为激光器的波长，N为步骤(1)得到的位移计数值，x为步骤(3)得到的精确位移。

5.如权利要求4所述的位移测量方法，其特征在于，在步骤(1)中所述激光器每输出所述四个特殊计数点中任意一个特殊计数点，位移的大小增加λ/8。

6.如权利要求4所述的位移测量方法，其特征在于，在步骤(2)中选取所述o光和e光的功率调谐曲线中线性度大于99%对应的“M”形信号进行归一化。

7.如权利要求6所述的位移测量方法，其特征在于，所述“M”形信号保留Q个有效电压值，并对“M”形信号采用该采样周期的最大、最小值进行归一化，其中Q为自然数。

8.如权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，所述“M”形信号各处的变化率不同，在变化率较大的点之间通过插值法继续得到中间位移点对应的相对电压值。

9.如权利要求4所述的位移测量方法，其特征在于，所述精确位移x的分辨率为1纳米。