CN109870120A - 一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统 - Google Patents

一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统 Download PDF

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陈畅
王珊珊
汪之国
罗晖
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Abstract

本发明属于激光偏振测量技术领域，公开了一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统。该系统包含探测光路和参考光路。探测光路由激光器、线偏振片、λ/2波片、偏振分光镜和平衡探测器组成，参考光路由激光器、线偏振片、偏振分光镜和平衡探测器组成。两光路的差别在于参考光路不含λ/2波片，以消除环境因素带来的误差。λ/2波片固联在待测转体上，转体转动时引起λ/2波片转动，从而改变探测激光的线偏振方向。探测激光经过λ/2波片和偏振分光镜分束后，由平衡探测器检测探测激光的两束光的光强，通过平衡探测器探测到的光强变化信息来监测待测物体的角位移。本系统设计结构简单，易于应用，灵敏度高而且响应十分迅速。

Description

一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统
技术领域：
本发明属于激光偏振测量技术领域，涉及一种消除测量误差的角位移测量系统，特别涉及一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统。
背景技术：
转体角位移的测量是一种很重要的工程技术。现有的测量角位移的方法有两种，一种是使用嵌入式角位移传感器，一种是基于电磁信号处理的精密测量系统。嵌入式角位移传感器主要用在大型齿轮的角位移精密测量，但是由于安装和机械加工的原因，这类角位移传感器在使用过程中会存在误差，并且误差修正的过程存在一定的局限性，使其在工业应用方面具有一定的局限性；基于电磁信号处理的精密测量系统包括电磁探头、信号处理电路、控制器、通信器及上位机等，所涉及的设备对电磁环境的要求较高，并且使用原理复杂，使其不能广泛应用。因此，需要寻找一种结构更简单、更易于应用的高灵敏微小角位移监测系统。
发明内容：
为了解决上述问题，本发明基于激光偏振方向测量方法，提出了一种基于激光偏振测量的转体微小角位移监测系统。
本发明提供的技术方案是：
一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统，如图1所示，所述系统包括：激光器a 1、激光器b 2、线偏振片3、1/2-波片4、固联硬杆5、待测转体6、反射镜7、偏振分光镜a 8、偏振分光镜b 9、平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11、平衡探测器2的光敏面a 12、平衡探测器2的光敏面b 13、信号采集及处理系统14、数码表15。
所述基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统的光路由两路光组成，一路探测激光、即探测光路，一路参考激光、即参考光路。
所述1/2波片4通过固联硬杆5固联在待测转体6上，待测转体6转动的角位移转换为1/2波片4的光轴方向的角度改变量。
所述平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11、平衡探测器2的光敏面a 12、平衡探测器2的光敏面b 13用于测量输入光功率。
所述探测激光由激光器a 1发出，然后经过线偏振片3后变为偏振方向固定的线偏振光；然后探测激光经过1/2波片4，并且1/2波片4的转动引起探测激光线偏振方向的偏转；探测激光再经过反射镜7反射后，进入偏振分光镜a 8，被偏振分光镜a 8分为两束偏振方向互相垂直的两束光，光强分别为I1和I2，如图2所示；然后，用平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11探测这两束光的光强I1和I2，平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11将探测到的光信号转换为电压信号，信号采集及处理系统14将采集到的电压信号进行计算处理就可以得到转体角位移。
所述参考激光由激光器b 2发出，参考光路与探测光路区别在于参考光路不经过与待测转体6固联的1/2波片4。参考光路用于与探测光路的角位移测量结果进行做差，进而消除共模误差，达到消除环境变化、波片参数改变等噪声因素引起的测量误差。
所述信号采集及处理系统14对光路信号的处理过程为：
如果待测转体6发生角位移α，将带动1/2波片4转动一个微小角α，则探测激光的偏振方向E发生微小旋转角θ1＝2α，进而变为E’，如图3所示，导致偏振分光镜a 8分出的两束光的光强比值发生改变，两束光的光强I1’和I2’分别由平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11探测得到，其中θ1与探测光强信息I1’和I2’的函数关系为：
即通过探测I1’和I2’,可以测出激光线偏振方向的微小旋转角θ1。
环境变化导致参考光路激光的偏振方向E发生微小旋转角θ2，经过偏振分光镜b 9分出的两束光的光强比值发生改变，两束光的光强I3’和I4’分别由平衡探测器2的光敏面a12、平衡探测器2的光敏面b 13探测得到，其中θ2与探测光强信息I3’和I4’的函数关系为：
由探测光路测出偏振旋转角θ1，由参考光路测出偏振旋转角θ2，则实际待测转体角位移α为：
信号采集处理系统14将得到的转体角位移α测量结果显示在数码表15上，进而完成测量过程。
作为本发明的进一步改进，所述线偏振片3由二向色性材料制成，通过对光波中偏振方向与偏振片透光轴方向垂直的正交偏振分量的强烈吸收和对光波中偏振方向与偏振片透光轴方向平行的平行偏振分量的高透过率，实现将自然光转换为线偏振光。
作为本发明的进一步改进，所述偏振分光镜a 8和偏振分光镜b 9由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，通过改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，以获得两束分开的线偏振光。
作为本发明的进一步改进，所述1/2波片4是由单轴晶体切割成的，波片光轴平行于波片表面，通过1/2波片4使偏振光的两个相互垂直的、沿同一方向传播的线偏振分量之间产生π的相位差，用于调节入射线偏振光的偏振方向。
本发明可用于测量物体转动的角位移，在物体发生角位移时能迅速、灵敏地监测到。在现有实验条件下，测量精度达到0.01°。使用的激光功率稳定性、光学元件的性能决定了测量精度；因此提高激光器和光学元件质量后，测量精度还可以进一步提高。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
本套测量装置所包含的激光发生设备、探测光路、平衡探测器、数据处理系统为常用设备，搭建过程方便易行。系统设计结构简单，易于应用，并且光学检测手段能保证高灵敏度而且响应迅速。
附图说明：
图1转体微小角位移监测系统装置；
图2为偏振分光镜的分光作用示意图；
图3为激光偏振方向旋转微小角度示意图。
附图标号：
1-激光器a；2-激光器b；3-线偏振片；4-1/2波片；5-固联硬杆；6-待测转体；7-反射镜；8-偏振分光镜a；9-偏振分光镜b；10-平衡探测器1的光敏面a；11-平衡探测器1的光敏面b；12-平衡探测器2的光敏面a；13-平衡探测器2的光敏面b；14-信号采集及处理系统；15-数码表。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统，如图1所示，所述系统包括：激光器a 1、激光器b 2、线偏振片3、1/2-波片4、固联硬杆5、待测转体6、反射镜7、偏振分光镜a 8、偏振分光镜b 9、平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11、平衡探测器2的光敏面a 12、平衡探测器2的光敏面b 13、信号采集及处理系统14、数码表15。
所述基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统的光路由两路光组成，一路探测激光、即探测光路，一路参考激光、即参考光路。
所述1/2波片4通过固联硬杆5固联在待测转体6上，待测转体6转动的角位移转换为1/2波片4的光轴方向的角度改变量。
所述平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11、平衡探测器2的光敏面a 12、平衡探测器2的光敏面b 13用于测量输入光功率。
所述探测激光由激光器a 1发出，然后经过线偏振片3后变为偏振方向固定的线偏振光；然后探测激光经过1/2波片4，并且1/2波片4的转动引起探测激光线偏振方向的偏转；探测激光再经过反射镜7反射后，进入偏振分光镜a 8，被偏振分光镜a 8分为两束偏振方向互相垂直的两束光，光强分别为I1和I2，如图2所示；然后，用平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11探测这两束光的光强I1和I2，平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11将探测到的光信号转换为电压信号，信号采集及处理系统14将采集到的电压信号进行计算处理就可以得到转体角位移。
所述参考激光由激光器b 2发出，参考光路与探测光路区别在于参考光路不经过与待测转体6固联的1/2波片4。参考光路用于与探测光路的角位移测量结果进行做差，进而消除共模误差，达到消除环境变化、波片参数改变等噪声因素引起的测量误差。
所述信号采集及处理系统14对光路信号的处理过程为：
如果待测转体6发生角位移α，将带动1/2波片4转动一个微小角α，则探测激光的偏振方向E发生微小旋转角θ1＝2α，进而变为E’，如图3所示，导致偏振分光镜a 8分出的两束光的光强比值发生改变，两束光的光强I1’和I2’分别由平衡探测器1的光敏面a 10、平衡探测器1的光敏面b 11探测得到，其中θ1与探测光强信息I1’和I2’的函数关系为：
即通过探测I1’和I2’,可以测出激光线偏振方向的微小旋转角θ1。
环境变化导致参考光路激光的偏振方向E发生微小旋转角θ2，经过偏振分光镜b 9分出的两束光的光强比值发生改变，两束光的光强I3’和I4’分别由平衡探测器2的光敏面a12、平衡探测器2的光敏面b 13探测得到，其中θ2与探测光强信息I3’和I4’的函数关系为：
由探测光路测出偏振旋转角θ1，由参考光路测出偏振旋转角θ2，则实际待测转体角位移α为：
信号采集处理系统14将得到的转体角位移α测量结果显示在数码表15上，进而完成测量过程。
作为本发明的进一步改进，所述线偏振片3由二向色性材料制成，通过对光波中偏振方向与偏振片透光轴方向垂直的正交偏振分量的强烈吸收和对光波中偏振方向与偏振片透光轴方向平行的平行偏振分量的高透过率，实现将自然光转换为线偏振光。
作为本发明的进一步改进，所述偏振分光镜a 8和偏振分光镜b 9由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，通过改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，以获得两束分开的线偏振光。
作为本发明的进一步改进，所述1/2波片4是由单轴晶体切割成的，波片光轴平行于波片表面，通过1/2波片4使偏振光的两个相互垂直的、沿同一方向传播的线偏振分量之间产生π的相位差，用于调节入射线偏振光的偏振方向。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统，其特征在于：
所述系统包括：激光器a(1)、激光器b(2)、线偏振片(3)、1/2-波片(4)、固联硬杆(5)、待测转体(6)、反射镜(7)、偏振分光镜a(8)、偏振分光镜b(9)、平衡探测器1的光敏面a(10)、平衡探测器1的光敏面b(11)、平衡探测器2的光敏面a(12)、平衡探测器2的光敏面b(13)、信号采集及处理系统(14)、数码表(15)；
所述基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统的光路由两路光组成，一路探测激光、即探测光路，一路参考激光、即参考光路；
所述1/2波片(4)通过固联硬杆(5)固联在待测转体(6)上，待测转体(6)转动的角位移转换为1/2波片(4)的光轴方向的角度改变量；
所述平衡探测器1的光敏面a(10)、平衡探测器1的光敏面b(11)、平衡探测器2的光敏面a(12)、平衡探测器2的光敏面b(13)用于测量输入光功率；
所述探测激光由激光器a(1)发出，然后经过线偏振片(3)后变为偏振方向固定的线偏振光；然后探测激光经过1/2波片(4)，并且1/2波片(4)的转动引起探测激光线偏振方向的偏转；探测激光再经过反射镜(7)反射后，进入偏振分光镜a(8)，被偏振分光镜a(8)分为两束偏振方向互相垂直的两束光，光强分别为I1和I2；然后，用平衡探测器1的光敏面a(10)、平衡探测器1的光敏面b(11)探测这两束光的光强I1和I2，平衡探测器1的光敏面a(10)、平衡探测器1的光敏面b(11)将探测到的光信号转换为电压信号，信号采集及处理系统(14)将采集到的电压信号进行计算处理就可以得到转体角位移；
所述参考激光由激光器b(2)发出，参考光路与探测光路区别在于参考光路不经过与待测转体(6)固联的1/2波片(4)；参考光路用于与探测光路的角位移测量结果进行做差，进而消除共模误差，达到消除环境变化、波片参数改变等噪声因素引起的测量误差；
所述信号采集及处理系统(14)对光路信号的处理过程为：
如果待测转体(6)发生角位移α，将带动1/2波片(4)转动一个微小角α，则探测激光的偏振方向E发生微小旋转角θ1＝2α，进而变为E’，导致偏振分光镜a(8)分出的两束光的光强比值发生改变，两束光的光强I1’和I2’分别由平衡探测器1的光敏面a(10)、平衡探测器1的光敏面b(11)探测得到，其中θ1与探测光强信息I1’和I2’的函数关系为：
即通过探测I1’和I2’,可以测出激光线偏振方向的微小旋转角θ1；
环境变化导致参考光路激光的偏振方向E发生微小旋转角θ2，经过偏振分光镜b(9)分出的两束光的光强比值发生改变，两束光的光强I3’和I4’分别由平衡探测器2的光敏面a(12)、平衡探测器2的光敏面b(13)探测得到，其中θ2与探测光强信息I3’和I4’的函数关系为：
由探测光路测出偏振旋转角θ1，由参考光路测出偏振旋转角θ2，则实际待测转体角位移α为：
最后，由信号采集处理系统(14)将得到的转体角位移α测量结果显示在数码表(15)上，进而完成测量过程。
2.一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统，其特征在于：所述线偏振片(3)由二向色性材料制成，通过对光波中偏振方向与偏振片透光轴方向垂直的正交偏振分量的强烈吸收和对光波中偏振方向与偏振片透光轴方向平行的平行偏振分量的高透过率，实现将自然光转换为线偏振光。
3.一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统，其特征在于：所述偏振分光镜a(8)和偏振分光镜b(9)由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，通过改变振动方向互相垂直的两束线偏振光的传播方向，以获得两束分开的线偏振光。
4.一种基于激光偏振测量的转体微小角位移高灵敏监测系统，其特征在于：所述1/2波片(4)是由单轴晶体切割成的，波片光轴平行于波片表面，通过1/2波片(4)使偏振光的两个相互垂直的、沿同一方向传播的线偏振分量之间产生π的相位差，用于调节入射线偏振光的偏振方向。
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