CN108680107A - 一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置及方法 - Google Patents

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李克武
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解琨阳
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Abstract

本发明涉及高精度位移测量技术领域，更具体而言，涉及一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，该装置无需波片，且在参考反射镜处添加压电陶瓷驱动器，使其进行正弦调制，通过锁相放大一倍和二倍频信号，实现位移的高精度和高灵敏度测量，消除了背景噪声及激光强度波动对测量的影响；该方法无需知道零光程差点、无需插值，只需采集

Description

一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置及方法
技术领域
本发明涉及高精度位移测量技术领域，更具体而言，涉及一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法。
背景技术
随着一些前沿科技的飞速发展，在制造、微电子、生物以及航空航天等领域，迫切需要能实现高精度、高灵敏度的位移测量系统。其中干涉测量法是目前阶段最主要的方法，迈克尔逊干涉位移传感器是最经典的光学干涉位移测量方法，核心部件是偏振分光棱镜，由于偏振分光棱镜分开的两束光的偏振方向互相正交，因此需要添加波片，结构复杂，且光能利用率低；并且采用直接探测干涉光强的方式，无法抑制背景和电路噪声，且无法消除由于激光光强波动导致的测量误差，因此测量精度和灵敏度无法进一步提高。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置及方法，解决现有技术中偏振分光棱镜位移测量中需添加波片，背景噪声和激光强度波动导致测量精度和灵敏度下降等问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置，该装置包括激光器、分光棱镜、反射镜、压电陶瓷调制器、反射镜、光电探测器、压电陶瓷驱动控制器、锁相放大电路；所述激光器出射激光，激光经分光棱镜被分为传播方向相互垂直的反射光和透射光两束光，其中反射光经反射镜反射入射分光棱镜后进入光电探测器，透射光经过压电陶瓷调制器被反射镜反射进入分光棱镜，经分光棱镜胶层反射后进入光电探测器；所述压电陶瓷驱动控制器用于具体控制压电陶瓷调制器沿z轴方向正弦调制，所述锁相放大电路用于接收和处理光电探测器和压电陶瓷驱动控制器信号。
所述分光棱镜、压电陶瓷调制器、反射镜通过胶固定在一起。
所述分光棱镜为非偏振分光棱镜，分成的两束光无需波片，可直接干涉。
所述锁相放大电路为一倍频信号放大和二倍频信号放大，通过锁相放大一倍和二倍频信号，实现位移的高精度和高灵敏度测量，消除了背景噪声及激光强度波动对测量的影响。
一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，该方法具体为激光器发出的光通过分光棱镜被分为传播方向相互垂直的反射和透射两束光，其中反射光经反射镜反射，另一束透射光经过压电陶瓷调制器被反射镜反射后经分光棱镜反射，这两束反射光再经过分光棱镜在光电探测器干涉，压电陶瓷驱动控制器用于具体控制压电陶瓷调制器沿z轴方向正弦调制，所述锁相放大电路以压电陶瓷驱动控制器的驱动频率信号和锁相光电探测器的干涉信号为参考，获得被测位移d。
所述位移测量的位移形式为反正切形式，可保证相同的线性灵敏度，消除传统迈克尔逊干涉信号正余弦某些位置灵敏度低的问题。
所述被测位移d通过下式获得：
式中，λ为激光波长，I1f为一倍频信号，I2f为二倍频信号，J1为1阶Bessel函数，J2为2阶Bessel函数，d0为压电陶瓷调制器的调制位移幅值。
所述压电陶瓷调制器的调制位移幅值d0可通过改变压电陶瓷调制器电压实现调节。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明提供一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置及方法，该装置无需波片，且在参考反射镜处添加压电陶瓷驱动器，使其进行正弦调制，通过锁相放大一倍和二倍频信号，实现位移的高精度和高灵敏度测量，消除了背景噪声及激光强度波动对测量的影响，该方法无需知道零光程差点、无需插值，只需采集时间长度的PEM调制干涉信号即可，与采样的起始点和结束点无关。通过锁相放大技术提高了位移测量精度；通过锁相一倍频信号和二倍频信号幅值，并进行相除可消除激光光强波动导致位移测量精度下降问题；位移形式为反正切，可保证相同的线性灵敏度，消除传统正余弦某些位置灵敏度低的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置示意图；
图2为压电陶瓷结构；
图3为调制后探测器获得的去直流干涉信号及一倍二倍频信号；
图4为调制后探测器获得的去直流干涉信号及一倍二倍频信号放大图；
图5为反正切强度与位移的对应关系。
图中：1为激光器、2为分光棱镜、3为反射镜、4为压电陶瓷调制器、5为反射镜、6为光电探测器、7为压电陶瓷驱动控制器、8为锁相放大电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置，该装置包括激光器1、分光棱镜2、反射镜3、压电陶瓷调制器4、反射镜5、光电探测器6、压电陶瓷驱动控制器7、锁相放大电路8，所述分光棱镜2、压电陶瓷调制器4、反射镜5通过胶固定在一起。所述分光棱镜2为非偏振分光棱镜。所述锁相放大电路8为一倍频信号放大和二倍频信号放大。
一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，该方法具体为所述激光器1出射激光，激光经分光棱镜2被分为传播方向相互垂直的反射光和透射光两束光，其中反射光经反射镜3反射入射分光棱镜2后进入光电探测器6，透射光经过压电陶瓷调制器4被反射镜5反射进入分光棱镜2，经分光棱镜2胶层反射后进入光电探测器6；所述压电陶瓷驱动控制器7用于具体控制压电陶瓷调制器4沿z轴方向正弦调制，所述锁相放大电路8用于接收和处理光电探测器6和压电陶瓷驱动控制器7信号，所述压电陶瓷调制器4的调制位移幅值d0可通过改变压电陶瓷调制器4电压实现调节，这两束反射光再经过分光棱镜2在光电探测器6干涉，压电陶瓷驱动控制器7用于具体控制压电陶瓷调制器4沿z轴方向正弦调制，且锁相放大电路8以压电陶瓷驱动控制器7的驱动频率信号和锁相光电探测器6的干涉信号为参考，进而获得被测位移d。
激光经过整个系统到达光电探测器6的调制干涉信号为：
其中，Iin为入射激光原始光强，λ为激光波长，d0sin(2πft)为压电陶瓷调制器4的调制位移，d0为压电陶瓷调制器4的调制位移幅值，d0可通过压电陶瓷调制器4电压实现调节，f为压电陶瓷调制器4驱动频率，t为时间，d为被测位移，n(t)为噪声。
(1)式进一步展宽得：
(2)式按第一类Bessel函数展开可得：
其中Jx为x阶Bessel函数。
根据(3)式锁相一倍频1f＝1kHz和二倍频2f＝2kHz信号幅值可得：
(4)式与(5)式相除可得被测位移d:
由(6)式可知，I1f和I2f位移可通过数字锁相放大电路8获得，d0可通过压电陶瓷调制器4电压获得，激光波长λ可知，进而和可知。
通过一倍频信号I1f和二倍频信号I2f相除可消除激光光强Iin波动对测量的影响，同时通过锁相放大技术可有效消除噪声的影响，并且由(6)式可看出，位移d是反正切arctan的形式，可保证相同的线性灵敏度，进而提高综合精度和灵敏度。
在本实施例中，基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法的具体实施方式参数如下：
激光器波长：λ＝0.632μm；
压电陶瓷调制器的驱动频率：f＝1kHz；
压电陶瓷调制器调制位移幅值：d0＝0.13μm。
图3为调制后探测器获得的去直流干涉信号及一倍二倍频信号，图4为调制后探测器获得的去直流干涉信号及一倍二倍频信号放大图，图5为反正切强度与位移的对应关系。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置，其特征在于：该装置包括激光器(1)、分光棱镜(2)、反射镜(3)、压电陶瓷调制器(4)、反射镜(5)、光电探测器(6)、压电陶瓷驱动控制器(7)、锁相放大电路(8)；所述激光器(1)出射激光，激光经分光棱镜(2)被分为传播方向相互垂直的反射光和透射光两束光，其中反射光经反射镜(3)反射入射分光棱镜(2)后进入光电探测器(6)，透射光经过压电陶瓷调制器(4)被反射镜(5)反射进入分光棱镜(2)，经分光棱镜(2)胶层反射后进入光电探测器(6)；所述压电陶瓷驱动控制器(7)用于具体控制压电陶瓷调制器(4)沿z轴方向正弦调制，所述锁相放大电路(8)用于接收和处理光电探测器(6)和压电陶瓷驱动控制器(7)信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置，其特征在于：所述分光棱镜(2)、压电陶瓷调制器(4)、反射镜(5)通过胶固定在一起。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置，其特征在于：所述分光棱镜(2)为非偏振分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量装置，其特征在于：所述锁相放大电路(8)为一倍频信号放大和二倍频信号放大，通过锁相放大一倍和二倍频信号，实现棱镜位移的高精度和高灵敏度测量，消除了背景噪声及激光强度波动对测量的影响。
5.一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，其特征在于：所述锁相放大电路(8)以压电陶瓷驱动控制器(7)的驱动频率信号和锁相光电探测器(6)的干涉信号为参考，获得被测位移d。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，其特征在于，所述被测位移d通过下式获得：
式中，λ为激光波长，I1f为一倍频信号，I2f为二倍频信号，J1为1阶Bessel函数，J2为2阶Bessel函数，d0为压电陶瓷调制器(4)的调制位移幅值。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，其特征在于：所述压电陶瓷调制器(4)的调制位移幅值d0通过改变压电陶瓷调制器(4)电压实现调节。
8.根据权利要求5所述的一种基于数字锁相的高精度棱镜位移测量方法，其特征在于：所述位移d测量的位移形式为反正切形式。
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