CN108050941A - 一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器及其位移检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器及其位移检测方法,该光纤位移传感器包括单模调频连续波激光器和至少一路光纤位移传感系统；光纤位移传感系统包括光学环行器、光纤准直器、部分反射镜、合作反射镜和光电探测器；单模调频连续波激光器通过单模光纤或者光纤耦合器与光学环行器的入射端口相连，光学环行器的相邻出射端口通过单模光纤与光纤准直器相连，光学环行器的第三端口与光电探测器相连，光纤准直器后设置部分反射镜，部分反射镜后设置合作反射镜，合作反射镜与附着于待测目标物体表面并与其一起移动。该光纤位移传感器可以在数厘米以上的大量程范围内，获得<10nm的测量精度，实现大动态范围的精密光纤位移传感测量。

Description

一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器及其位移检测方法
技术领域
本发明涉及位移传感技术领域，具体涉及一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器。
背景技术
位移传感在科研、工业以及军事领域都是极为重要的计量测试技术。光学位移传感技术由于精度高、非接触、不受电磁干扰的特点，尤其受到重视。其中，光纤位移传感技术更是具有体积小、重量轻、结构紧凑、形式灵活的优点。目前，已经有多种光纤位移传感技术见诸报道，主要包括两类，一种是强度调制型光纤位移传感器，一种是激光干涉型光纤位移传感器。强度调制型光纤位移传感器在探测方法和信号处理上更为简单，但是存在精度低、稳定性差、响应非线性、测量范围小的缺点。采用传统光学零拍干涉技术的激光干涉式光纤位移传感器可以实现非常高的测量精度，不过其测量精度依赖于激光波长的稳定性，并且由于干涉信号为静态信号存在条纹计数困难的问题，很难获得大动态范围的高精度位移传感。
发明内容
本申请提供一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器及其位移检测方法，解决现有技术中存在的问题。
本发明的技术方案如下：
一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器,包括单模调频连续波激光器和与所述单模调频连续波激光器连接的至少一路光纤位移传感系统；所述的光纤位移传感系统包括光学环行器、光纤准直器、部分反射镜、合作反射镜和光电探测器；所述单模调频连续波激光器通过单模光纤或者光纤耦合器与光学环行器的入射端口相连，光学环行器的相邻出射端口通过单模光纤与光纤准直器相连，光学环行器的第三端口与光电探测器相连，光纤准直器后设置部分反射镜，部分反射镜后设置合作反射镜，合作反射镜附着于待测目标物体表面并与其一起移动。
进一步的，所述单模调频连续波激光器通过单模光纤或者光纤耦合器与光学环行器的入射端口熔接或者通过法兰连接。
进一步的，所述部分反射镜通过胶黏或者机械固定的方式附于光纤准直器的出射端面。
进一步的，在所述光纤准直器的出射镜面镀有部分反射部分透射光学薄膜材料，构成所述的部分反射镜。
进一步的，所述的光纤准直器选用格林透镜(G-lens)光纤准直器、球面透镜(C-lens)光纤准直器或非球面光纤准直器。
进一步的，所述合作反射镜选用部分反射镜或全反射镜。
进一步的，所述合作反射镜为全反射镜时，选用介质反射镜或金属反射镜。
根据上面所说的光纤位移传感器，其位移检测方法如下：单模调频连续波激光器发射的调频连续波由单模光纤或者光纤耦合器耦合至光学环行器的入射端口，由光学环行器的相邻出射端口输出，然后通过光纤准直器耦合输出，一部分出射光被部分反射镜反射，另一部分出射光由部分反射镜透射并照射在随待测目标物体移动的合作反射镜的镜面上，合作反射镜将光线反射使其返回部分反射镜并与部分反射镜的反射光叠加干涉，形成拍频信号，拍频信号由光纤准直器耦合回单模光纤，并入射至光学环行器，由光学环行器的第三端口出射，并通过单模光纤耦合至光电探测器转换为电信号，通过对该电信号的处理分析，可以得到目标物体的位移信息。
本发明的有益效果如下：
1.本发明极大的降低了测试激光在光路中的损耗，提高激光能量的利用效率，消除了反馈光对光源的影响，显著提高了调频连续波激光干涉信号的信噪比，可以在数厘米以上的大量程范围内，获得<10nm的测量精度，实现大动态范围的精密光纤位移传感测量。
2.本发明构成了全光纤式的调频连续波激光干涉光纤位移传感光路，其结构紧凑，性能稳定。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是位移传感测量过程中，拍频信号初相位偏移量与待测目标位移之间的关系图。
图3是本发明实施例2的结构示意图。
图中，1-单模调频连续波激光器，2-光学环行器，3-光纤准直器，4-部分反射镜，5-合作反射镜，6-光电探测器，7-光纤耦合器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明调频连续波激光干涉光纤位移传感器包括单模调频连续波激光器1和与所述单模调频连续波激光器连接的至少一路光纤位移传感系统；光纤位移传感系统包括光学环行器2、光纤准直器3、部分反射镜4、合作反射镜5和光电探测器6；所述单模调频连续波激光器1通过单模光纤或者光纤耦合器7与光学环行器2的入射端口相连，光学环行器2的相邻出射端口通过单模光纤与光纤准直器3相连，光学环行器2的第三端口与光电探测器6相连，光纤准直器3后设置部分反射镜4，部分反射镜4后设置合作反射镜5，合作反射镜5与待测目标物体一起移动。
本发明调频连续波激光干涉光纤位移传感器的基本原理是：利用调频连续波激光干涉技术，可以自然产生一个动态拍频信号，利用该动态信号初相位与物体相对位移量之间的线性关系，可以实现对物体相对位移量的测量。这种光纤位移传感器具备测量精度高、可辨别位移方向、测量动态范围大等优点，因此基于调频连续波激光干涉的光纤位移传感器测量精度、动态范围均高于传统激光干涉式光纤位移传感器。
下面介绍本发明的几种实施例：
实施例1：
如图1所示，实施例1提供一种单路形制的调频连续波激光干涉光纤位移传感器，即单模调频连续波激光器仅连接一路光纤位移传感系统；具体的说：单模调频连续波激光器1通过单模光纤与光学环行器2的一个端口连接，在本实施例中，它们通过熔接的方式连接；但在在其他实施例中，它们也可以使用法兰连接。
光学环行器2的相邻出射端口通过单模光纤与光纤准直器3的尾纤连接，光学环行器2的第三端口通过单模光纤与光电探测器6的尾纤连接。
部分反射镜4设置在光纤准直器后端，本实施例中，部分反射镜4作为独立器件置于光纤准直器3之后；但在在其他实施例中，部分反射镜4也可通过胶黏或者机械固定的方式附于光纤准直器3的出射端面外，或者通过在光纤准直器3出射端面镀设部分反射部分透射光学薄膜材料，实现部分反射镜4的功能。
通过电流调制的方式，使用单模调频连续波激光器1发射频率线性调制的调频连续波激光，该激光通过光纤耦合至光学环行器的一个输入端口，从光学环行器2的相邻出射端口输出，输出后的光经由单模光纤入射至光纤准直器3，由光纤准直器3经过部分反射镜4，部分光被反射，作为参考光，部分光透射后，照射至附于待测移动物体表面的合作反射镜5并被反射，作为信号光，信号光原路返回，在部分反射镜4反射面上参考光叠加干涉，形成拍频信号，拍频信号由光纤准直器3耦合回光纤光路，并由光学环行器2的原出射端口入射，由光学环行器2的第三端口出射，被光电探测器6接收并转换为电信号。
假定参考光平均光强为I1，信号光平均光强为I2，则拍频信号光强
其中，I0＝I1+I2，V为拍频信号的对比度，并且Δν为光学频率调制宽度，νm为调制信号的频率，c为光速，t为时间，λ0为光波在真空中的波长，νb为拍频信号频率，φb0为拍频信号初相位。OPD为参考光与信号光的光程差，显然
对于该调频连续波激光干涉位移传感器，光程差OPD＝2nd，显然，拍频信号的初相位可以写为
n为空气折射率(n≈1)，d为部分反射镜4反射面与附于目标移动物体表面的合作反射镜[5]反射面之间的间距。当目标移动物体带动部分反射镜5移动δd的距离时，初相位的φb0偏移量为
有
拍频信号由光学环行器2原出射端口入射，并从光学环行器2的第三端口输出，经由光纤耦合至光电探测器6，转化为电信号。通过测量初相位的偏移量δφb0即可计算出目标移动物体的相对位移量δd，如图2所示。
需要说明的是，在本实施例中，光学环行器2使用的是3端口环行器，在其他实施例中，光学环行器2也可以使用4端口环行器。光纤准直器3可以使用现有的格林透镜(G-lens)光纤准直器、球面透镜(C-lens)光纤准直器或者非球面光纤准直器的一种。提供信号光的合作反射镜[5]可以是部分反射镜，也可以是全反射镜，可以是介质反射镜，也可以是金属反射镜，该合作反射镜需要附于被测移动物体表面并随其一起移动。部分反射镜4和合作反射镜5均需要与光纤准直器3出射的激光方向严格垂直，以保证反射的参考光和信号光能够以最大功率通过光纤准直器3耦合回原光纤光路。
实施例2：
与实施例1不同的是，本实施例中，提供一种两路形式的调频连续波激光干涉光纤位移传感器，参见图3，单模调频连续波激光器1连接两路光纤位移传感系统，具体的说，单模调频连续波激光器1通过1×2光纤耦合器7分别连接两路光纤位移传感系统，这两路中每一路光纤位移传感系统的设置方式和工作原理与单路光纤位移传感系统相同。
单模调频连续波激光器1输出的激光功率由1×2光纤耦合器7平均非配给两路调频连续波激光干涉光纤位移传感器使用，两路光纤位移传感系统分别独立对目标物体的位移进行测量,可以同时实现对两个独立运动物体运动的位移测量，也可以实现对同一物体在二维空间中运动位移量的测量。
本领域人员可以在上述两种形制的基础之上，可以进一步拓展位移传感系统的数目，比如设置三路以及多路位移传感系统，三路以及多路位移传感系统的拓展方式与两路光纤位移传感系统的扩展方式相似，只是将1×2光纤耦合器7用1×3或1×N光纤耦合器7替换，各路以与单路调频连续波激光光纤位移传感器相同。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，包括单模调频连续波激光器和与所述单模调频连续波激光器连接的至少一路光纤位移传感系统；所述的光纤位移传感系统包括光学环行器、光纤准直器、部分反射镜、合作反射镜和光电探测器；所述单模调频连续波激光器通过单模光纤或者光纤耦合器与光学环行器的入射端口相连，光学环行器的相邻出射端口通过单模光纤与光纤准直器相连，光学环行器的第三端口与光电探测器相连，光纤准直器后设置部分反射镜，部分反射镜后设置合作反射镜，合作反射镜与附着于待测目标物体表面并与其一起移动。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，所述单模调频连续波激光器通过单模光纤或者光纤耦合器与光学环行器的入射端口熔接或者通过法兰连接。
3.根据权利要求2所述的调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，所述部分反射镜通过胶黏或者机械固定的方式附于光纤准直器的出射端面。
4.根据权利要求2所述的调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，在所述光纤准直器的出射镜面镀有部分反射部分透射光学薄膜材料，构成所述的部分反射镜。
5.根据权利要求3或4所述的调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，所述的光纤准直器选用格林透镜(G-lens)光纤准直器、球面透镜(C-lens)光纤准直器或非球面光纤准直器。
6.根据权利要求5所述的调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，所述合作反射镜选用部分反射镜或全反射镜。
7.根据权利要求6所述的调频连续波激光干涉光纤位移传感器,其特征在于，所述合作反射镜为全反射镜时，选用介质反射镜或金属反射镜。
8.根据权利要求1所述光纤位移传感器的位移检测方法，其特征在于，单模调频连续波激光器发射的调频连续波由单模光纤或者光纤耦合器耦合至光学环行器的入射端口，由光学环行器的相邻出射端口输出，然后通过光纤准直器耦合输出，一部分出射光被部分反射镜反射，另一部分出射光由部分反射镜透射并照射在随待测目标物体移动的合作反射镜的镜面上，合作反射镜将光束反射使其返回部分反射镜并与部分反射镜的反射光叠加干涉，形成拍频信号，拍频信号由光纤准直器耦合回单模光纤，并入射至光学环行器，由光学环行器的第三端口出射，并通过单模光纤耦合至光电探测器转换为电信号，通过对该电信号的处理分析，可以得到目标物体的位移信息。
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