CN108151871A - 一种激光干涉法信号提取系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉法信号提取系统，机械振子与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子位移的变化将引起反射光强的变化，通过光电探测器将机械振子位移的信号转变为电压信号，电压信号将分为两路，第一路经过信号放大采集单元后被放大并进行数据采集，再送入电脑内做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子的振动状态，第二路信号作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，所述的噪声隔离单元位于PID控制单元的输入端前面，避免PID控制单元的噪声进入到信号放大采集部分中。本发明能够将工作点始终锁定在干涉曲线的斜率最大点,并解决外界干扰引起的光干涉腔距离变化引起干扰问题。

Description

一种激光干涉法信号提取系统

技术领域

本发明涉及信号读取与稳定系统技术领域，尤其涉及一种激光干涉法信号提取系统。

背景技术

基于微纳机械振子的力探测具有很高的局部空间响应和灵敏度，这使它成为测量微纳尺度小样品的理想工具，推动了相关科学问题更深入的研究。在进行磁性或表面测量时，信号反映在机械振子共振频率的变化上，比如扭矩测磁学测量小尺寸的磁性样品，原子力显微镜采用交流模式进行测量等。微纳米量级的机械振子的振动位移只有皮米（pm）量级，测量如此小的位移对测量仪器提出了较高的要求。

目前主流用于测量微纳机械振子位移的方法有电容耦合，磁感应和光纤干涉这3种。而光纤干涉法是被认为灵敏度最高，对测试样品影响最小的一种方法。就激光干涉法来说，目前常用的做法是激光器连接光纤耦合器，然后通过微透镜将光聚焦到机械振子上，机械振子与光纤前端组成光干涉腔，光纤前端反射的光与机械振子反射的光发生干涉，干涉信号通过光纤耦合器用光电探测器测量，然后进行数据采集与处理。通过调节激光的波长，将光纤干涉信号的工作点设置在干涉信号斜率最大处，这时的位移信号也大，测量效果达到最好。

在实际的测量中情况并非如此理想，比如在进行扭矩磁测量的过程中，磁场由小到大的扫场过程中，由磁性样品引起的扭矩会改变，悬臂梁会受到扭矩而变弯，这会引起光干涉腔长度的变化，之前设定好的工作点会发生变化。这带来的影响是会减小机械振子振动信号的信噪比，有时还会丢失信号。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种激光干涉法信号提取系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光干涉法信号提取系统，包括有激光器、激光器电源、PID控制单元、光电探测器、信号放大采集单元、噪声隔离单元和电脑，所述的激光器电源输出电流到激光器，激光器发出的激光干涉信号形成后，经过光纤耦合器将激光功率衰减100倍，然后通过微透镜聚焦于机械振子振动位移最大位置，光纤端面与机械振子表面形成光腔，机械振子与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子位移的变化将引起反射光强的变化，通过光电探测器将机械振子位移的信号转变为电压信号，电压信号将分为两路，第一路经过信号放大采集单元后被放大并进行数据采集，再送入电脑内做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子的振动状态，第二路信号作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，所述的噪声隔离单元位于PID控制单元的输入端前面，避免PID控制单元的噪声进入到信号放大采集部分中。

所述的激光器电源为电流源，电流范围为0-100mA,所述的激光器采用波长为1550nm的单模激光器，所述的光纤耦合器采用99：1的衰减比，所述的光电探测器的型号为Newport1550。

所述的PID控制单元包括有有源低通滤波器、FPGA芯片和温控单元，光电探测器的第二路信号经过有源低通滤波器之后作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，进入光电探测器的干涉信号强度随腔长或激光波长是正弦关系，将PID控制程序写入FPGA芯片中，经过有源低通滤波器之后的信号被FPGA芯片的一个模拟输入通道采集，然后经FPGA芯片处理后，输出值经由FPGA的模拟输出端口去控制温控单元的调制端口，温控单元再去控制激光器的温度。

所述的温控单元为TEC200温控仪，所述的FPGA芯片的型号为PXIe7854R。

所述的噪声隔离单元包括有依次连接的电压跟随器和无源低通滤波器，所述的电压跟随器是由数个晶体管组成的集成电路，输入和输出间的连接是由多个PN结和寄生电容电感组成，输出端的噪声和干扰信号耦合到输入端并影响测量信号，降低信噪比。在电压跟随器的输出端加入无源低通滤波器，隔离能够返回到信号传输部分的噪声与干扰。

所述的信号放大采集单元包括依次连接的电压放大器和数据采集卡。

所述的电压放大器采用SR560，放大倍率为10，所述的数据采集卡的型号为PXIe6361。

激光干涉信号形成后，经过光纤耦合器进入光电探测器，其输出的电信号分为两路，一路是提供机械振子振动信息的信号，这一路通过放大器，然后经数据采集卡进入电脑；另一路是反映激光干涉状态的信号。这一路先通过一个低通滤波器，低通滤波器输出的信号作为PID控制器的输入，PID控制器的输出控制激光器的波长，通过调节激光波长，控制工作点在需要的位置。

微纳机械振子的共振频率一般在千Hz量级，而影响干涉信号工作点偏移的干扰频率一般在几Hz以内，所以可以用滤波加以区分。在进行PID控制前经过低通滤波正是为了达到此目的，而控制工作点的方法是对激光波长加以反馈控制。对于光干涉腔，固定光波长，改变腔的长度或固定腔长，改变光的波长都能得到正弦的干涉信号。所以控制光波长，通过PID控制激光波长可将干涉信号固定在干涉条纹的斜率最大点。

从光电探测器出来的信号是电压的模拟信号，这个信号质量直接决定测量效果，也就是信号信噪比的高低。对这个电压模拟信号进行传输时，应尽量减少导线长度，用屏蔽好的线材，使用差分方法传递信号可以保证信号的传输质量。但是光电探测器的输出信号被一分为二，而这两路信号又是彼此影响的，比如PID控制器和低通滤波器电路中的噪声和干扰会影响到机械振子振动信号的信噪比。在低通滤波器前经过一个电压跟随和无源低通滤波则可以隔离大部分干扰信号。当然也有部分极低频率的噪声和干扰进入到信号放大和采集仪器中，但是这部分极低频率的干扰与机械振子的振动频率相比相差甚远，对信号信噪比没有影响。

机械振子的振动信号由数据采集卡采集送入电脑，然后做傅里叶变换，在频谱上会出现机械振子的共振峰，共振峰与其频谱附近噪声的比值就是信噪比。整个系统所产生的背底噪声会影响频谱上信号的信噪比，其它一些干扰信号也会使共振峰附近出现多余的杂峰，使其在测量信号时引起误差。实际测量中干扰信号通常以50Hz频率的市电为主，通常在频谱上还包含50Hz倍频的干扰峰，这对测量非常不利。50Hz干扰信号来源于各种与测量信号相关仪器（比如，激光器电源，放大器，滤波器等）在使用220V，50Hz市电时引入。为了完全消除这种影响，我们将激光器电源，光电探测器，电压跟随器，电压放大器采用电池供电，对噪声和干扰的实际抑制效果明显。

本发明的优点是：本发明能够将工作点始终锁定在干涉曲线的斜率最大点,并解决外界干扰引起的光干涉腔距离变化引起干扰问题，对于增加信号分路引起的额外干扰，使用了隔离措施来解决，而且在与信号相关的光产生、光电转换和信号放大等环节采用电池供电方法可极大提高系统读出信号的信噪比。

附图说明

图1是整个系统结构示意图。

图2是利用NIFPGA搭建的PID控制部分的示意图。

图3是信号隔离部分的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种激光干涉法信号提取系统，包括有激光器1、激光器电源2、PID控制单元3、光电探测器4、信号放大采集单元5、噪声隔离单元6和电脑7，所述的激光器电源2输出电流到激光器1，激光器1发出的激光干涉信号形成后，经过光纤耦合器8将激光功率衰减100倍，然后通过微透镜9聚焦于机械振子10振动位移最大位置，光纤端面与机械振子10表面形成光腔，机械振子10与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子10位移的变化将引起反射光强的变化，通过光电探测器4将机械振子位移的信号转变为电压信号，电压信号将分为两路，第一路经过信号放大采集单元5后被放大并进行数据采集，再送入电脑7内做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子10的振动状态，第二路信号作为PID控制单元3的输入，控制激光干涉工作点，所述的噪声隔离单元6位于PID控制单元3的输入端前面，避免PID控制单元3的噪声进入到信号放大采集单元5中。

所述的激光器电源2为电流源，电流范围为0-100mA,所述的激光器1采用波长为1550nm的单模激光器，所述的光纤耦合器8采用99：1的衰减比，所述的光电探测器4的型号为Newport1550。

所述的PID控制单元3包括有有源低通滤波器11、FPGA芯片12和温控单元13，光电探测器4的第二路信号经过有源低通滤波器11之后作为PID控制单元3的输入，控制激光干涉工作点，进入光电探测器4的干涉信号强度随腔长或激光波长是正弦关系，将PID控制程序写入FPGA芯片12中，经过有源低通滤波器11之后的信号被FPGA芯片12的一个模拟输入通道采集，然后经FPGA芯片12处理后，输出值经由FPGA的模拟输出端口去控制温控单元的调制端口，温控单元13再去控制激光器1的温度。

所述的温控单元13为TEC200温控仪，所述的FPGA芯片12的型号为PXIe7854R。

所述的噪声隔离单元6包括有依次连接的电压跟随器14和无源低通滤波器15，所述的电压跟随器14是由数个晶体管组成的集成电路，输入和输出间的连接是由多个PN结和寄生电容电感组成，输出端的噪声和干扰信号耦合到输入端并影响测量信号，降低信噪比。在电压跟随器14的输出端加入无源低通滤波器15，隔离能够返回到信号传输部分的噪声与干扰。

所述的信号放大采集单元5包括依次连接的电压放大器16和数据采集卡17。

所述的电压放大器16采用SR560，放大倍率为10，所述的数据采集卡17的型号为PXIe6361。

激光器电源2为自制的电流源，电流范围为0-100mA，激光器1采用的是波长为1550nm的单模激光器，并带有温度测量和温度控制功能，该激光器供电电流为40mA时，输出功率为1mW。光纤耦合器采用99:1的衰减比。光电探测器之后的电信号传输皆采用阻抗为50欧姆同轴线缆。光电探测器采用的型号是Newport1550，设置的放大倍率为1000。电压放大器采用SR560，未采用滤波，放大倍率为10。数据采集卡和FPGA采用NI公司的PXIe6361和PXIe7854R。低通滤波器是自制电路，截止频率为0.3Hz，放大5倍。隔离部分是电压跟随器加上无源低通滤波的形式。

整个系统工作原理如下：激光耦合器将激光功率衰减100倍，然后通过微透镜聚焦于机械振子振动位移最大位置。光纤端面与机械振子表面形成光腔，机械振子与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子位移的变化将引起反射光强的变化。通过光电探测器就能将机械振子位移的信号转变为电压信号。此处的电压信号将分为两路，一路经过电压放大之后进行数据采集，然后做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子的振动状态。经过低通滤波之后的另一路信号作为PID控制器的输入，控制激光干涉工作点。进入光电探测器的干涉信号强度随腔长或激光波长是正弦关系。如果控制腔长或波长使干涉强度正好停在正弦的斜率最大处，那么机械振子位移对应的电压转换效率将最高，测试信号的信噪比也将达到最大。具体做法是将PID控制程序写入FPGA中，用低通滤波器输出端作为PID控制器的输入，输出信号通过TEC200温控仪来控制激光器的温度，进而达到调节激光器波长的目的。当选择合适的P、I、D值将可以将工作点平稳的停留在正弦干涉信号的斜率最大点。

图2是隔离部分的电路示意。其目的是避免PID控制部分的噪声进入到信号放大和采集部分中。电压跟随器是单向传递信号的部件，可以起到隔离信号的作用。但是由运放组成的电压跟随器是由数个晶体管组成的集成电路，输入和输出间的连接是由多个PN结和寄生电容电感组成，输出端的噪声和干扰信号也可以耦合到输入端并影响测量信号，降低信噪比。在电压跟随器的输出端加入无源低通滤波的目的正是更进一步的隔离能够返回到信号传输部分的噪声与干扰。由于机械振子的共振频率一般都在2kHz以上，无源低通滤波器隔离了高频的干扰，所以在频谱上共振峰的信噪比得以提高。

图3是PID控制部分的原理示意。经过有源低通滤波器之后的信号被FPGA的一个模拟输入通道采集，然后经FPGA处理后，输出值经由FPGA的模拟输出端口去控制温控仪的调制端口，温控仪再去控制激光器的温度。由于激光器波长与温度比例相关，所以PID控制器的输出端直接就是控制了激光器的波长，可将直流信号锁定在正弦干涉信号的斜率最大。

Claims (6)

1.一种激光干涉法信号提取系统，其特征在于：包括有激光器、激光器电源、PID控制单元、光电探测器、信号放大采集单元、噪声隔离单元和电脑，所述的激光器电源输出电流到激光器，激光器发出的激光干涉信号形成后，经过光纤耦合器将激光功率衰减100倍，然后通过微透镜聚焦于机械振子振动位移最大位置，光纤端面与机械振子表面形成光腔，机械振子与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子位移的变化将引起反射光强的变化，通过光电探测器将机械振子位移的信号转变为电压信号，电压信号将分为两路，第一路经过信号放大采集单元后被放大并进行数据采集，再送入电脑内做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子的振动状态，第二路信号作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，所述的噪声隔离单元位于PID控制单元的输入端前面，避免PID控制单元的噪声进入到信号放大采集部分中。

2.根据权利要求1所述的一种激光干涉法信号提取系统，其特征在于：所述的激光器电源为电流源，电流范围为0-100mA,所述的激光器采用波长为1550nm的单模激光器，所述的光纤耦合器采用99：1的衰减比。

3.根据权利要求1所述的一种激光干涉法信号提取系统，其特征在于：所述的PID控制单元包括有有源低通滤波器、FPGA芯片和温控单元，光电探测器的第二路信号经过有源低通滤波器之后作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，进入光电探测器的干涉信号强度随腔长或激光波长是正弦关系，将PID控制程序写入FPGA芯片中，经过有源低通滤波器之后的信号被FPGA芯片的一个模拟输入通道采集，然后经FPGA芯片处理后，输出值经由FPGA的模拟输出端口去控制温控单元的调制端口，温控单元再去控制激光器的温度。

4.根据权利要求1所述的一种激光干涉法信号提取系统，其特征在于：所述的噪声隔离单元包括有依次连接的电压跟随器和无源低通滤波器，所述的电压跟随器是由数个晶体管组成的集成电路，输入和输出间的连接是由多个PN结和寄生电容电感组成，输出端的噪声和干扰信号耦合到输入端并影响测量信号，降低信噪比。

5.在电压跟随器的输出端加入无源低通滤波器，隔离能够返回到信号传输部分的噪声与干扰。

6.根据权利要求1所述的一种激光干涉法信号提取系统，其特征在于：所述的信号放大采集单元包括依次连接的电压放大器和数据采集卡。