CN109029273A - 一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法 - Google Patents

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王雅宁
李孟委
王志斌
解琨阳
赵宏波
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Abstract

本发明涉及位移测量技术领域，更具体而言，涉及一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，通过纳米光栅直接反射后的0级衍射光与经过反射镜后反射回的0级衍射光干涉信号来测量，实现入射光与检测光共光路；采用探测0级衍射光的方法，提高光能利用率和光电探测灵敏度；并且结合光纤环形器实现入射光与检测光共光路的方法，实现方便，请可有效消除杂散光的影响；结合在光栅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，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。

Description

一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法
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，涉及一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法。
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，尤其是在高精度陀螺和加速度计方面，迫切需要能实现高精度、高灵敏度的位移测量系统。其中光栅检测法具有精度高、体积小、重量轻等优点，被广泛应用，光栅位移传感器主要有两大类，一类是基于双光栅的莫尔条纹检测原理，另一类是基于单光栅加反射结构的光栅衍射原理及干涉原理，单光栅结构被应用到位移传感器和加速度传感器中，主要工作原理是光垂直入射光栅，光栅的反射光的1级衍射光与光栅透射后被反射镜反射再经过光栅的1级衍射光干涉，并且干涉光的强度与光栅与反射镜的具体有关，进而测出位移。但是该结构入射光与探测1级光部共路，因此激光、光栅和探测器位置摆放要求比较严，且容易有0级光的干扰，并且1级衍射效率较低，进而影响测量精度；另外目前为了提高这个系统的灵敏度和精度，采用调谐结合锁相放大提高精度，并且为消除光源光强的波动，外加多个探测器实时修正光源光强波动对测量的影响，以上的方法实现比较复杂、且体积较大、装配难度大，且由于不同探测器响应不一致问题，导致测量精度提高有限。
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环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，针对现有现有光栅位移传感器采用1级衍射光的衍射效率低，无法消除探测器不一致对测量的影响等问题导致测量精度低，传感器装置结构复杂、体积大等问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：包括激光器、光纤环形器、光电探测器、光纤准直及收集器、纳米光栅、压电陶瓷位移调制器和反射镜组成，所述激光器发出的光通过环形器，经过光纤准直及收集器，入射到纳米光栅，其中一部分反射后衍射，另一部分透射后衍射的0级射入反射镜，反射镜反射后的光经过纳米光栅衍射的0级与直接纳米光栅反射后衍射的0级同时经过光栅准直及收集器干涉，干涉光强被光电探测器探测，经过结算获得位移量d，有利于光路对准，且减小系统体积，并且0级的衍射效率远大于1级衍射效率，可提高光电探测的灵敏度。
进一步地，所述压电陶瓷位移调制器沿z轴方向高频正弦调制。
进一步地，所述光纤准直及收集器中的透镜采用平面-双曲面透镜，实现较好的准直。
进一步地，所述光纤准直及收集器的前端加了一段遮光筒，用于避免-1级和1级衍射光对0级检测光的干涉，提高测量精度。
进一步地，所述激光经过整个系统到达光电探测器3的调制干涉信号为：
式中，Iin为入射激光经环形器和光学准直器到达纳米光栅的原始光强，λ为激光波长，d0sin(2πft)为压电陶瓷位移调制器的调制位移，d0为压电陶瓷调制器的调制位移幅值，d0可通过压电陶瓷位移调制器的驱动电压实现调节，f为压电陶瓷位移调制器的调制频率，t为时间，d为被测位移，n(t)为噪声。
进一步地，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为压电陶瓷调制器调制位移幅值。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明涉及一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，通过纳米光栅直接反射后的0级衍射光与经过反射镜后反射回的0级衍射光干涉信号来测量，实现入射光与检测光共光路；采用探测0级衍射光的方法，提高光能利用率和光电探测灵敏度；并且结合光纤环形器实现入射光与检测光共光路的方法，实现方便，请可有效消除杂散光的影响；结合在光栅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，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。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移传感器示意图；
图2为压电陶瓷结构；
图3为光纤准直及收集系统；
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；
图5为反正切强度与位移的对应关系。
图中：1为激光器、2为光纤环形器、3为光电探测器、4为光纤准直及收集器、5为纳米光栅、6为压电陶瓷位移调制器、7为反射镜。
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1-5所示，一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：包括激光器1、光纤环形器2、光电探测器3、光纤准直及收集器4、纳米光栅5、压电陶瓷位移调制器6和反射镜7组成，所述激光器1发出的光通过环形器2，经过光纤准直及收集器4，入射到纳米光栅5，其中一部分反射后衍射，另一部分透射后衍射的0级射入反射镜7，反射镜7反射后的光经过纳米光栅5衍射的0级与直接纳米光栅5反射后衍射的0级同时经过光栅准直及收集器4干涉，干涉光强被光电探测器3探测，经过结算获得位移量d。所述压电陶瓷位移调制器6沿z轴方向高频正弦调制。所述光纤准直及收集器4中的透镜采用平面-双曲面透镜，且光纤准直及收集器4的前端加了一段遮光筒。
在本实施例中，检测位移的是通过纳米光栅5直接反射后的0级衍射光与经过反射镜7后反射回的0级衍射光干涉信号来测量，这样可实现入射光与检测光共光路。较传统1级检测，有利于光路对准，且减小系统体积，并且0级的衍射效率远大于1级衍射效率，可提高光电探测的灵敏度。
在本实施例中，光纤环形器2主要解决入射光与检测光共光路无法探测的问题，入射光经过环形器2入射到光栅位移检测系统，反射回的光由经过环形器进入光电探测器。
在本实施例中，由于入射光的平行度直接影响纳米光栅5检测位移的精度，因此加了光纤准直及收集器4，其中光纤准直及收集器4中的透镜采用平面-双曲面透镜，实现较好的准直，且光纤准直及收集器4的前端加了一段遮光筒，用于避免-1级和1级衍射光对0级检测光的干涉，提高测量精度。
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。
具体分析如下：
所述激光经过整个系统到达光电探测器3的调制干涉信号为：
式(1)中，Iin为入射激光经环形器2和光学准直器4到达纳米光栅的原始光强，λ为激光波长，d0sin(2πft)为压电陶瓷位移调制器6的调制位移，d0为压电陶瓷调制器4的调制位移幅值，d0可通过压电陶瓷位移调制器6的驱动电压实现调节，f为压电陶瓷位移调制器6的调制频率，t为时间，d为被测位移，n(t)为噪声。
式(1)按第一类Bessel函数展宽得：
Jx为x阶Bessel函数。
压电陶瓷位移调制器6驱动频率f为参考信号，根据式(2)锁相一倍频1f＝1kHz和二倍频2f＝2kHz信号幅值可得：
式(3)与式(4)相除可得被测位移d:
由(5)式可知，I1f和I2f位移可通过数字锁相获得，d0可通过压电陶瓷位移调制器6电压获得，激光波长λ可知，进而和可知，具体各参数可根据时间应用具体选择。
由上述推导可知，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，并且由式(5)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。
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 (6)

1.一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：包括激光器(1)、光纤环形器(2)、光电探测器(3)、光纤准直及收集器(4)、纳米光栅(5)、压电陶瓷位移调制器(6)和反射镜(7)组成，所述激光器(1)发出的光通过环形器(2)，经过光纤准直及收集器(4)，入射到纳米光栅(5)，其中一部分反射后衍射，另一部分透射后衍射的0级射入反射镜(7)，反射镜(7)反射后的光经过纳米光栅(5)衍射的0级与直接纳米光栅(5)反射后衍射的0级同时经过光栅准直及收集器(4)干涉，干涉光强被光电探测器(3)探测，经过结算获得位移量d。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：所述压电陶瓷位移调制器(6)沿z轴方向高频正弦调制。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：所述光纤准直及收集器(4)中的透镜采用平面-双曲面透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：所述光纤准直及收集器(4)的前端加了一段遮光筒。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，其特征在于：所述激光经过整个系统到达光电探测器3的调制干涉信号为：
式中，Iin为入射激光经环形器(2)和光学准直器(4)到达纳米光栅的原始光强，λ为激光波长，d0sin(2πft)为压电陶瓷位移调制器(6)的调制位移，d0为压电陶瓷调制器(4)的调制位移幅值，d0可通过压电陶瓷位移调制器(6)的驱动电压实现调节，f为压电陶瓷位移调制器(6)的调制频率，t为时间，d为被测位移，n(t)为噪声。
6.根据权利要求1所述的一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法，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(6)调制位移幅值。
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