CN1042414A

CN1042414A - 非接触式激光调频光纤位移测量仪

Info

Publication number: CN1042414A
Application number: CN 88107425
Authority: CN
Inventors: 田芊; 徐左; 李达成; 谢巍
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1988-11-03
Filing date: 1988-11-03
Publication date: 1990-05-23
Also published as: CN1013304B

Abstract

一种非接触式激光调频光纤位移测量仪，属于机械精密测量领域，特别是属于对位移量、振动的精密测量。本发明采用半导体激光光源，光束经锯齿波调制，由光纤传输，通过参考光与探测光的相位比较得到位移量。本发明体积小、重量轻，线性动态范围大，可抗电磁干扰和抗振动，精度达0.04μm，可用于静态或动态测量。测量结果可数字化处理，便于与计算机联网。

Description

本发明属于机械精密测量的技术领域，特别是属于对位移量、振动的精密测量。

精密测量位移的方法目前分为电学测量法和光学测量法两大类。电学测量法广泛使用的是电感测量仪，其原理如图1所示，电感测头[1]调至被测物表面[9]，当被测物有位移变化，测头带动磁芯[2]在垂直方向移动，使线圈[3]的电感值发生变化，从而测出位移量的大小，这种方法只能实现接触测量，即测头和工件必须接触，这样不能适用于某些易燃、易爆或具有柔软表面的工件测量。此测量方法非线性度较大、精度较低，例如，西德Mill公司生产的电感测位移计，精度为10^-3，测量范围为0～2mm以内。光学测量可提高精度和进行非接触测量，目前广泛采用的一种临界角法如图2所示。由半导体激光器[4]发出的光束经透镜[1]变成平行光束通过临界角棱镜[6]和物镜[7]变成会聚光束射到被测工件上。被测工件放在物镜的焦点B处为测量起始点，反射回来的光通过临界角棱镜[6]发生全反射，被光电探测器[8]接收，其光斑如图中B所示，形成左右两半部分光强相等的信号。当被测件位移发生变化，即处于离焦位置A或C处，形成左右两半部分光强不等的信号，则探测器上接收到对应不同位置的光强差信号，再转换成位移量的大小。这种方法的分辨率可以达到0.001μm，但测量范围很窄，多用于精密定位和工件的粗糙度测量，且要求工作的表面是随机均匀表面，不适用一般的机加工表面的测量。

为克服上述测量方法的不足，提高测量精度，扩大量程范围，本发明提出一种新型非接触式激光调频光纤位移测量仪。该测量仪由半导体激光器[4]、激光调频电源[10]、耦合透镜[11]、光纤[12]、定向耦合器[13]、光纤测头[14]、光电检测器[20]等部件所组成。测量原理简述如下，由激光调频电源使半导体激光器发出的一束调频的激光经耦合透镜进入光纤，再由光纤定向耦合器分成探测光[15]和解调参考光[16]，探测光从光纤头端面射出，出射光射到被测物上被反射回测头，它与原探测光在测头端面产生的部门反射光形成干涉。这两束反射光有一个被测距离为l的光程差（或有一相对时延τ）由光电探测器接收，然后利用相位比较测出位相变化，从而得到位移量。

本发明的测试仪的功能与已有技术两种测试仪的功能比较如下：

附图简要说明：

图1为电感位移测量仪原理结构图

图2为光学方法测量位移方案示意图

图3为本发明提供的非接触式激光调频光纤位移测量仪示意图

其中：[1]电感测头;[2]磁芯;[3]线圈;[4]半导体激光器;[5]透镜;[6]临界角棱镜;[7]物镜;[8]光电探测器;[9]被测物;[10]激光调制电源;[11]耦合透镜;[12]光纤;[13]光纤定向耦合器;[14]测头;[15]探测光信号;[16]解调参考光信号;[17]干涉光信号;[18]除法器;[19]滤波器;[20]位相检测器;[21]记数显示器;[22]计算机接口;[23]温控系统。

本发明的一种最佳实施方案如图3所示。半导体激光器[4]为激光光源，锯齿波调制电源[10]提供半导体激光器偏置电流，并再选加一锯齿波调制电流。对半导体激光器[4]进行频率调制后，可发出波频率ω_c变化与调制电流成正比的一束激光。经自聚焦透镜[11]耦合后进入光纤[12]，再由光纤定向耦合器[13]分成探测光和解调参考光[16]。探测光经由光纤和在光纤头上装有准直透镜的测头[14]射出，出射光射到被测物[9]上被反射回测头，它与原探测光在测头端面产生的部分反射光形成干涉，这两束反射光有一个等于被测距离l的光程差，（或有一相对时延τ）。该干涉光[17]再经定向耦合器[13]，由光电探测器[8]接收产生拍频信号，由光纤定向耦合器分出的解调参考光[16]也由另一个光电探测器[8]接收，将拍频信号与光电探测器接收的参考光信号一起送入除法器[18]处理后，可消除原光源锯齿波调制，再经由窄带滤波器[19]可得到拍频频率为ω_s，位相变化ω_c的外差信号I（t）＝Acos（ω_ot+ω_cτ）。然后再利用相位检测器[20]比较测出位相ω_cτ的变化，从而得到位移量。从相位检测器输出的信号可输入记数显示器[21]显示出结果，并可通过计算机接口[22]输入到计算机[24]中进行数据实时处理。为保证半导体激光器工作稳定，本实施例还采用温控系统[23]。稳定半导体激光器的光波频率，温控系统由半导体致冷器、热敏元件和控温电路组成。激光调制电源也可采用正弦波调制，本实施例采用锯齿波调制线性范围大且解调方法简便。位相检测可采用条纹记数和相位比较，本实施例采用相位比较方法可大大提高测量精度。本发明采用光纤传输光束，并且形成干涉光信号的传感光与参考光是经同一光纤输入到光电探测器，可避免外界电磁及振动对光束的干扰而使测量值准确可靠。光纤测头也可根据被测工作的特点选用不同参数的聚焦透镜。

本实施例测量范围大于2mm，测量精度为0.04μ，测振动的响应频率小于10KHz。

Claims

1、一种非接触式激光调频光纤位移测量仪，其特征在于由半导体激光器[4]、激光调制电源[10]、耦合透镜[11]、光纤[12]、光纤定向耦合器[13]、光电探测器[8]、位相检测器[20]所组成。

2、如权利要求1所述的位移测量仪，其特征在于所说的激光调制电源[10]为锯齿波调制电源，耦合透镜[11]为自聚焦耦合透镜，光纤出射端装有准直透镜的测头[14]，还包括有温控系统[23]用以稳定激光频率，记数显示器[21]用以显示结果，并通过计算机接口[22]输入到计算机[24]进行数据实时处理。