CN114001661B - 一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法，针对静态及动态微位移量及其派生物理量的检测。通过光栅耦合将高精度光干涉检测方法引入高度集成的传感结构中。利用集成的可驱动光栅根据需要灵活精确地对输出干涉光信号附加相位调制，同时又配置集成应变传感单元检测实际的附加相位调制用于校正。检测方法中通过控制光栅位移给输出干涉光信号精确附加所需相位调制，采用解决光干涉型传感技术静态工作点问题的传感信号解调方法，相比于现有光栅干涉型传感器通常采用的近似线性解调方法，提高了微位移检测的稳定性与准确性。本发明实现了集成化微位移检测及其光干涉信号的高性能解调，尤其适用于工作条件复杂的高精度便携式检测设备。

Description

一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法
技术领域
本发明涉及测量领域，特别是涉及一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法。
背景技术
光学检测方法利用光波特性可以实现高性能的传感功能，其中光干涉型检测方法将响应待测量产生的光相位变化转化为相位差调制的光强变化，既利用了光相位调制方法的高灵敏度优势，又采用较成熟的光强信号检测，尤其适合高精度传感技术的发展。面向当前智能传感器在便携设备中的广泛应用需求，除高性能之外，小型化、集成化也成为基于光学检测方法的传感器的重要发展方向。
目前光干涉型传感技术一个实用化关键问题是光干涉信号的高性能解调，若对干涉光传感信号采用简单的近似线性解调，其静态工作点处于最佳位置时可以获得最高的灵敏度、线性度和动态范围，但静态工作点一旦受到环境因素或传感器内部因素干扰发生偏移，则会严重降低检测性能。现有解决方法从调整静态工作点和设计较复杂解调方法以消除静态工作点影响两个方向出发，但都至少需要配置高要求的激光光源、复杂的检测光路、复杂的传感结构、或者较大的信号处理运算中的一项。针对长距离分布式光纤传感等较大设备应用，以上条件需求容易满足，但并不适合小型化、集成化、智能化的传感技术应用需求。因此，针对当前高性能光干涉型传感技术的小型化、集成化应用需求，急需一种能够实现光干涉信号高性能解调的集成化微位移传感结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法，能够实现集成化微位移检测及其光干涉信号的高性能解调。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光干涉型集成微位移传感结构由上至下依次包括：被测层、集成光栅层和光电检测层；
所述集成光栅层，与所述被测层构成FP干涉腔；
所述被测层包括敏感结构和反光膜，所述反光膜贴附于所述敏感结构的下表面；所述反光膜为所述FP干涉腔的一个反射平面；所述敏感结构用于将外部待测量转化为垂直方向的待测微位移；
所述集成光栅层包括第二支撑构件、可驱动光栅和集成应变传感单元；所述可驱动光栅连接在所述第二支撑构件上；所述集成应变传感单元设置在所述可驱动光栅上；
所述可驱动光栅包括光栅、连接梁和驱动臂；所述光栅设置在所述反光膜的正下方且所述光栅与所述反光膜平行；所述光栅为所述FP干涉腔的另一个反射平面；所述光栅通过所述连接梁固定在所述驱动臂的一端上；所述驱动臂的另一端固定在所述第二支撑构件内表面上边缘；所述驱动臂受控产生弯曲形变使得所述光栅产生垂直位移，以使所述FP干涉腔的腔长发生可控改变，用于光干涉信号解调；
所述集成应变传感单元，设置在所述驱动臂上，用于检测所述光栅产生的所述垂直位移；
所述光电检测层包括光源和光探测器；所述光源射出的光线经过所述光栅透出后入射到所述反光膜；所述光探测器用于接收输出干涉光信号并根据所述输出干涉光信号的光强输出电流信号；所述输出干涉光信号为所述反光膜反射的光信号从所述光栅透出后与光源发射的直接被所述光栅反射的光信号发生干涉得到的干涉光信号。
可选的，所述被测层还包括第一支撑构件，所述第一支撑构件用于支撑所述敏感结构。
可选的，所述敏感结构、所述第一支撑构件与所述可驱动光栅构成FP干涉腔体。
可选的，所述光电检测层还包括基板；所述光源和所述光探测器固定在所述基板上。
可选的，所述可驱动光栅、所述第二支撑构件与所述基板构成腔体。
一种光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，包括：
步骤1：根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号；
步骤2：将所述驱动信号输入所述驱动臂使所述光栅产生垂直位移；
步骤3：所述集成应变传感单元检测所述垂直位移，得到垂直位移测量值；
步骤4：根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正；
步骤5：对所述光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量。
可选的，根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号，具体包括：
采用光干涉信号解调的相位生成载波解调方法，设定附加相位载波调制信号Ccos(ω0t)，其中C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率；
根据
Figure BDA0003337883420000031
计算对应光栅垂直位移，其中λ为激光光源波长，Sg(t)为垂直位移；
根据所述垂直位移，计算所述可驱动光栅中各驱动臂所需弯曲变形；
根据所述驱动臂的驱动原理及驱动特性，计算所述各驱动臂的电压或电流驱动信号。
可选的，所述相位生成载波解调方法，具体包括：
利用附加设定相位载波调制信号Ccos(ω0t)的干涉光光强信号
Figure BDA0003337883420000032
对干涉光信号进行解调，其中，C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure BDA0003337883420000041
为初始腔长对应的初始干涉相位，
Figure BDA0003337883420000042
为待测微位移对应的待测干涉相位。
可选的，根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正，具体包括：
根据所述垂直位移测量值，计算所述光栅产生所述垂直位移的实际附加相位载波调制信号
Figure BDA0003337883420000043
得到Cp和
Figure BDA0003337883420000044
其中，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure BDA0003337883420000045
为实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率；
Cp和
Figure BDA0003337883420000046
代入所述相位生成载波解调方法的解调算法，用于校正实际附加相位载波调制信号与设定附加相位载波调制信号中参数的偏差，以使用准确的载波参数进行解调运算；
可选的，对所述光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量，具体包括：
所述光探测器将输出干涉光光强转化为电流信号；
根据所述相位生成载波解调方法，通过所述输出干涉光光强信号
Figure BDA0003337883420000047
计算得到待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000048
根据所述待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000049
通过
Figure BDA00033378834200000410
计算得到待测微位移量；
其中，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure BDA00033378834200000411
为初始腔长对应的初始干涉相位，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure BDA00033378834200000412
为实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率，
Figure BDA00033378834200000413
为待测微位移对应的待测干涉相位，Sm(t)为待测微位移量，λ为激光光源波长。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构，通过光栅耦合将高精度光干涉检测方法引入高度集成的传感结构中；其中，光干涉型集成微位移传感结构中的关键模块是集成光栅层，利用集成的可驱动光栅便于根据需要灵活精确地对输出干涉光信号附加可控相位调制，又配置集成应变传感单元检测实际的附加相位调制用于校正，继而采用适合解决光干涉型传感技术静态工作点问题的高性能传感信号解调方法；相比于现有光栅干涉型传感器通常采用的近似线性解调方法，可以大大提高检测的稳定性与准确性，同时实现集成化微位移检测及其光干涉信号的高性能解调，尤其适用于工作条件复杂的高精度便携式检测设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光干涉型集成微位移传感结构剖视图；
图2为光干涉型集成微位移传感结构中的集成光栅层结构俯视图；
图3为光干涉型集成微位移传感结构的检测方法步骤图；
图4为光干涉型集成微位移传感结构的检测方法一种实施例的工作流程图。
符号说明：
FP干涉腔-6，光路腔室-7，驱动臂-8，连接梁-9，光栅-10，敏感结构-11，反光膜-12，被测层支撑环-13，激光光源-14，光探测器-15，光电检测层基板-16，集成光栅层支撑环-17，集成应变传感单元-18。
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。
本发明的目的是提供一种光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法，能够实现集成化微位移检测及其光干涉信号的高性能解调。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种光干涉型集成微位移传感结构由上至下依次包括：被测层、集成光栅层和光电检测层；集成光栅层与被测层形成FP干涉腔6。
被测层包括敏感结构11和反光膜12，反光膜12贴附于敏感结构11的下表面；反光膜12为FP干涉腔6的一个反射平面；敏感结构11用于将外部待测量转化为垂直方向的待测微位移。
具体的，被测层还包括第一支撑构件。
进一步的，第一支撑构件为被测层支撑环13；敏感结构11用于直接感应外部被测量，并将其转化为敏感结构11下表面的垂直方向待测位移，敏感结构11的具体形状可针对外部被测量的检测效果进行优化选择，检测声波振动信号可采用平薄膜结构，检测加速度可采用梁连接质量块结构；反光膜12位于敏感结构11下表面并朝向集成光栅层，反光膜12在敏感结构11下表面的位置优先选择敏感结构11感应外部被测量产生位移最大的位置；被测层支撑环13与敏感结构11固定连接并能够支撑敏感结构11，被测层支撑环13使敏感结构11悬空可以自由变形并产生垂直方向待测位移；被测层支撑环13下表面固定于集成光栅层上。
更进一步的，敏感结构11下表面自身具有很好的光反射性能，可以不设置反光膜12，敏感结构11的下表面为FP干涉腔6的一个反射平面。
如图2所示，集成光栅层包括第二支撑构件、可驱动光栅和集成应变传感单元18；可驱动光栅连接在第二支撑构件上；集成应变传感单元18设置在可驱动光栅上。
具体的第一支撑构件、敏感结构11与可驱动光栅构成FP干涉腔6；可驱动光栅包括光栅10、连接梁9和驱动臂8；光栅10设置在反光膜12的正下方且光栅10与反光膜12平行，光栅10为FP干涉腔6的另一个反射平面；光栅10通过连接梁9固定在驱动臂8的一端上；驱动臂8的另一端固定在第二支撑构件内部边缘；驱动臂8受控产生弯曲形变使得光栅10产生垂直位移，以使FP干涉腔6的腔长发生可控改变，用于光干涉信号解调；集成应变传感单元18设置在驱动臂8上，用于检测光栅10产生的垂直位移。
进一步的，第二支撑构件为集成光栅层支撑环17；光栅10内的条纹结构可根据材料和制造工艺条件进行选择。
作为本实施例的一种实施方式，光栅10采用不透光基底中制作镂空条纹结构。
作为本实施例的一种实施方式，光栅10采用透光良好的基底上表面制作反光性薄膜条纹结构。
作为本实施例的一种实施方式，光栅10采用透光良好的基底上表面制作凹槽条纹结构。
光栅10位于可驱动光栅的中央；光栅10边缘经连接梁9和驱动臂8相连接，连接梁9起缓冲作用避免光栅10条纹变形；连接梁9根据效果优化可进行多种形状选择。
作为本实施例的一种实施方式，连接梁9为弹簧形。
作为本实施例的一种实施方式，连接梁9为梯形。
驱动臂8根部固定在集成光栅层支撑环17内表面上边缘，另一端经连接梁9连接光栅10边缘；外加驱动信号输入驱动臂8使其产生弯曲变形，带动光栅10平面产生可控垂直方向位移；驱动臂8的数量不小于3；工作时，驱动臂8同步弯曲变形使光栅10平面保持平行；驱动臂8采用的具体材料和结构可以根据采用的驱动原理进行选择。
作为本实施例的一种实施方式，采用电热式驱动原理，驱动臂8采用双晶片结构。
作为本实施例的一种实施方式，采用压电式驱动原理，驱动臂8采用压电晶体材料。
集成应变传感单元18设置于各驱动臂8表面，用于检测驱动臂8变形来表征产生的光栅10位移；集成应变传感单元18可根据采用的应变传感原理进行选择。
作为本实施例的一种实施方式，集成应变传感单元18为电阻应变式传感单元。
作为本实施例的一种实施方式，集成应变传感单元18为压阻式传感单元。
可驱动光栅通过其驱动臂8与集成光栅层支撑环17固定连接，集成光栅层支撑环17使可驱动光栅悬空可以自由变形及位移；集成光栅层支撑环17下表面固定于光电检测层上；连接驱动臂8和集成应变传感单元18的电路经集成光栅层支撑环17引出。
更进一步的，光栅10外边缘形状可以为方形或其它多边形或圆形；驱动臂8形状可以为梯形或其它合理形状。
光电检测层包括光源和光探测器15；光源射出的光线经过光栅10透出后入射到反光膜12；光探测器15用于接收输出干涉光信号并根据输出干涉光信号的光强输出电流信号；输出干涉光信号为反光膜12反射的光信号从光栅10透出后与光源发射的直接被光栅10反射的光信号发生干涉得到的干涉光信号。
具体的，光电检测层还包括基板；光源和光探测器15固定在基板上；第二支撑构件、可驱动光栅和基板构成腔室。
进一步的，基板为光电检测层基板16；腔室为光路腔室7；光源为激光光源14；激光光源14固定在光电检测层基板16上，位于光栅10正下方并朝向光栅10，提供单模激光入射到光栅10；光探测器15固定在光电检测层基板16上，具体位置由可接收到所需输出干涉光确定；光探测器15适用波长须与激光光源14匹配；连接激光光源14和光探测器15的电路经光电检测层基板16引出。
作为本实施例的一种实施方式，光探测器15个数为1个或多个；当光探测器15为多个时，光探测器15用于检测光栅10不同衍射级的输出干涉光。
作为本实施例的一种实施方式，光干涉型集成微位移传感结构是采用MEMS(微机电系统)工艺实现的整体集成结构，各结构层可以选用硅基底或玻璃基底等材料。
作为本实施例的一种实施方式，光干涉型集成微位移传感结构是组装集成结构，各结构层可以选用金属、聚合物或玻璃等材料。
本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构的检测原理为：敏感结构11下表面与光栅10平面构成FP干涉腔6的两个反射平面，敏感结构11感应外部待测量产生的下表面待测微位移改变FP干涉腔6腔长，激光光源14产生单模激光入射到光栅10，一部分光透射进入FP干涉腔6，经敏感结构11下表面反射后返回光栅10，与之前直接在光栅10处反射的光发生干涉，形成光栅10各衍射级的输出干涉光，输出干涉光的光强由FP干涉腔6腔长调制，由光探测器15检测输出干涉光并对所得光强信号进行解调可得到敏感结构11下表面待测微位移，进一步结合敏感结构11响应特性实现外部待测量的检测。
另外，本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构的检测原理中关键在于，控制可驱动光栅使光栅10产生可控垂直位移，对FP干涉腔6腔长附加可控调制，对输出干涉光光强信号附加可控相位调制，以用于对输出干涉光信号的解调，同时结合集成应变传感单元18检测光栅10的实际位移以进行实时校正。
具体的，敏感结构11下表面与光栅10平面的垂直距离为FP干涉腔6的腔长L，光电检测层中的激光光源14产生的单模激光垂直入射FP干涉腔6，得到的输出干涉光光强I(t)受FP干涉腔6的腔长L(t)调制，如下所示：
Figure BDA0003337883420000091
其中，A为直流量，B为干涉信号幅值，λ为入射激光波长。
当被测量作用于被测层中敏感结构使其下表面产生待测微位移Sm(t)，FP干涉腔6的腔长L(t)为：
L(t)＝Sm(t)+L0；
其中，L0为初始腔长，Sm(t)为待测微位移。
输出干涉光光强I(t)为：
Figure BDA0003337883420000092
Figure BDA0003337883420000093
其中，
Figure BDA0003337883420000101
为待测微位移对应的待测干涉相位，
Figure BDA0003337883420000102
为初始腔长对应的初始干涉相位；则根据得到的输出干涉光光强信号可以解调得到待测干涉相位，并进一步得到待测微位移量Sm(t)。
当光栅10受控产生垂直位移Sg(t)时，该垂直位移给FP干涉腔6腔长引入附加腔长变化后FP干涉腔6的腔长为：
L(t)＝Sg(t)+Sm(t)+L0；其中，L0为初始腔长，Sm(t)为待测微位移量。
相应给输出干涉光光强信号引入了附加相位
Figure BDA0003337883420000103
使得输出干涉光光强变为：
Figure BDA0003337883420000104
由此结合设定的可控的附加相位
Figure BDA0003337883420000105
可以实施更稳定更精确的光干涉信号解调方法以得到待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000106
和待测微位移量Sm(t)，如相位生成载波解调方法等。
如图3所示，本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构的检测方法包括：
步骤1：根据设定附加相位调制信号计算可驱动光栅的驱动信号；具体包括：
采用光干涉信号解调的相位生成载波解调方法，设定附加相位载波调制信号Ccos(ω0t)，其中，C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率。
根据
Figure BDA0003337883420000107
计算对应光栅垂直位移，其中λ为激光光源波长，Sg(t)为垂直位移。
根据垂直位移计算可驱动光栅中各驱动臂所需弯曲变形。
根据驱动臂的驱动原理及驱动特性，计算各驱动臂的电压或电流驱动信号。
进一步的，所采用的相位生成载波解调方法产生引入设定相位载波调制信号Ccos(ω0t)的干涉光光强信号
Figure BDA0003337883420000108
用于干涉信号解调，其中I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure BDA0003337883420000109
为初始腔长对应的初始干涉相位，
Figure BDA00033378834200001010
为待测微位移对应的待测干涉相位，C为设定附加相位载波调制深度。
更进一步的，其中具体计算在计算机或微处理器中进行，输出的数字控制信号控制匹配驱动臂的驱动电路输出电压或电流驱动信号。
步骤2：将驱动信号输入驱动臂使光栅产生垂直位移。
具体的，将产生的驱动信号输入可驱动光栅中各驱动臂，控制各驱动臂弯曲变形使连接的光栅产生垂直方向位移，以提供附加相位调制。
步骤3：集成应变传感单元检测垂直位移，得到垂直位移测量值。
具体的，集成应变传感单元18直接感应所在驱动臂8表面应变，结合后续匹配传感信号调理电路和A/D转换获得对应数字信号输入计算机或微处理器中，根据具体的可驱动光栅结构计算得到光栅实际垂直位移测量值。
步骤4：根据垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对设定附加相位调制信号进行校正；具体包括：
根据垂直位移测量值计算光栅产生垂直位移的实际附加相位载波调制信号
Figure BDA0003337883420000111
得到Cp和
Figure BDA0003337883420000112
其中，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure BDA0003337883420000113
实际附加相位载波初相位。
Cp和
Figure BDA0003337883420000114
代入相位生成载波解调方法的解调算法，用于校正实际附加相位载波调制深度Cp与设定附加相位载波调制深度C的偏差，同时校正实际附加相位载波调制信号与设定附加相位载波调制信号之间的相位差
Figure BDA0003337883420000115
以使用准确的载波参数进行解调运算；Cp为实际附加相位载波调制深度，C为设定附加相位载波调制深度，
Figure BDA0003337883420000116
为实际附加相位载波初相位。
作为本实施例的步骤4的一种实施方法，根据垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对设定附加相位调制信号进行校正；具体还包括：
根据实际位移计算光栅产生实际位移的实际附加相位载波调制信号
Figure BDA0003337883420000117
得到Cp和
Figure BDA0003337883420000118
其中，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure BDA0003337883420000119
实际附加相位载波初相位。
根据实际附加相位载波调制深度Cp与设定附加相位载波调制深度C的偏差，以及实际附加相位载波调制信号与设定附加相位载波调制信号之间的相位差
Figure BDA00033378834200001110
调整可驱动光栅的驱动信号，使实际附加相位载波调制信号与设定附加相位载波调制信号相同；Cp为实际附加相位载波调制深度，C为设定附加相位载波调制深度，
Figure BDA00033378834200001111
为实际附加相位载波初相位。
作为本实施例的步骤4的该实施方法的工作流程图如图4所示，具体如下所述：
步骤101：获得一个光干涉型集成微位移传感结构。
步骤102：根据设定相位调制产生可驱动光栅驱动信号。
步骤103：驱动信号输入可驱动光栅使光栅产生垂直位移。
步骤104：集成应变传感单元实时检测光栅实际位移。
步骤105：判断光栅实际位移与设定附加位移是否相等；若否，则执行步骤106；若是，则执行步骤107。
步骤106：根据光栅实际位移调整可驱动光栅驱动信号，跳转至步骤103。
步骤107：传感结构感应外部待测量，激光光源发出入射单模激光，光探测器检测输出干涉光。
步骤108：对干涉光信号进行解调得到敏感结构待测微位移量。
本实施例的该实施方法根据光栅实际位移与设定附加位移的偏差调整可驱动光栅的驱动信号，直到实际位移与设定附加位移相等，通过对干涉光信号进行解调，从而得到待测微位移量。
步骤5：对光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量；具体包括：
光探测器将输出干涉光光强转化为电流信号。
根据相位生成载波解调方法，通过输出干涉光光强信号
Figure BDA0003337883420000121
计算得到待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000122
根据待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000123
通过
Figure BDA0003337883420000124
计算得到待测微位移量Sm(t)。
其中，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure BDA0003337883420000125
为初始腔长对应的初始干涉相位，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure BDA0003337883420000126
实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率，
Figure BDA0003337883420000127
为待测微位移对应的待测干涉相位，Sm(t)为待测微位移量，λ为激光光源波长。
此外，给激光光源14提供稳定电源使其发出入射单模激光，由光探测器15检测输出干涉光，光探测器15将输出干涉光光强转化为电流信号；光探测器15产生的电流信号结合后续匹配信号调理电路和A/D转换获得对应数字信号输入计算机或微处理器中。
具体的，检测的输出干涉光光强受到传感结构中由敏感结构下表面和光栅10构成的FP干涉腔6腔长调制，FP干涉腔6腔长变化包含敏感结构感应外部待测量产生的待测微位移量以及驱动光栅产生的可控垂直位移量。
另外，根据相位生成载波解调方法，采用微分交叉相乘算法或反正切算法等通用算法直接对输出干涉光光强信号
Figure BDA0003337883420000131
进行解调得到待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000132
在光干涉型集成微位移传感结构中，待测微位移对应的待测干涉相位
Figure BDA0003337883420000133
对应敏感结构下表面的待测微位移量
Figure BDA0003337883420000134
其中，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure BDA0003337883420000135
为初始腔长对应的初始干涉相位，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure BDA0003337883420000136
实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率，
Figure BDA0003337883420000137
为待测微位移对应的待测干涉相位，Sm(t)为待测微位移量，λ为激光光源波长。
本发明还公开了如下技术效果：
相对于现有技术，本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构及其检测方法可在提高传感结构集成度的同时实现高性能光干涉信号解调，既可以满足小型化、集成化、低成本的应用需求，又可以获得高稳定性高准确度的传感性能，尤其适用于工作条件复杂的高精度便携式检测设备。
本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构基于光栅干涉型检测结构，可以通过光栅耦合将高精度光干涉检测方法引入高度集成的传感结构中。然后本发明传感结构中的关键模块集成光栅层结构，利用集成的可驱动光栅便于根据需要灵活精确地对输出干涉光信号附加可控相位调制，同时又配置集成应变传感单元检测实际的附加相位调制用于校正，以集成化的传感结构满足高性能光干涉信号解调方法的需求。
本发明提供的光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，利用集成光栅层关键模块，通过控制光栅位移给输出干涉光信号精确附加所需相位调制，采用适合解决光干涉型传感技术静态工作点问题的传感信号解调方法，相比于现有光栅干涉型传感器通常采用的近似线性解调方法，可以大大提高检测的稳定性与准确性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述光干涉型集成微位移传感结构由上至下依次包括：被测层、集成光栅层和光电检测层；
所述集成光栅层，与所述被测层构成FP干涉腔；
所述被测层包括敏感结构和反光膜，所述反光膜贴附于所述敏感结构的下表面；所述反光膜为所述FP干涉腔的一个反射平面；所述敏感结构用于将外部待测量转化为垂直方向的待测微位移；
所述集成光栅层包括第二支撑构件、可驱动光栅和集成应变传感单元；所述可驱动光栅连接在所述第二支撑构件上；所述集成应变传感单元设置在所述可驱动光栅上；
所述可驱动光栅包括光栅、连接梁和驱动臂；所述光栅设置在所述反光膜的正下方且所述光栅与所述反光膜平行；所述光栅为所述FP干涉腔的另一个反射平面；所述光栅通过所述连接梁固定在所述驱动臂的一端上；所述驱动臂的另一端固定在所述第二支撑构件内表面上边缘；所述驱动臂受控产生弯曲形变使得所述光栅产生垂直位移，以使所述FP干涉腔的腔长发生可控改变，用于光干涉信号解调；
所述集成应变传感单元，设置在所述驱动臂上，用于检测所述光栅产生的所述垂直位移；
所述光电检测层包括光源和光探测器；所述光源射出的光线经过所述光栅透出后入射到所述反光膜；所述光探测器用于接收输出干涉光信号并根据所述输出干涉光信号的光强输出电流信号；所述输出干涉光信号为所述反光膜反射的光信号从所述光栅透出后与光源发射的直接被所述光栅反射的光信号发生干涉得到的干涉光信号；
所述光电检测层还包括基板；所述光源和所述光探测器固定在所述基板上。
2.根据权利要求1所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述被测层还包括第一支撑构件，所述第一支撑构件用于支撑所述敏感结构。
3.根据权利要求2所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述敏感结构、所述第一支撑构件与所述可驱动光栅构成FP干涉腔体。
4.根据权利要求1所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述可驱动光栅、所述第二支撑构件与所述基板构成腔体。
5.一种光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，基于权利要求1-4任意一项所述的光干涉型集成微位移传感结构，其特征在于，所述光干涉型集成微位移传感结构的检测方法包括：
步骤1：根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号；
步骤2：将所述驱动信号输入所述驱动臂使所述光栅产生垂直位移；
步骤3：所述集成应变传感单元检测所述垂直位移，得到垂直位移测量值；
步骤4：根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正；
步骤5：对所述光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量。
6.根据权利要求5所述的光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，其特征在于，所述步骤1：根据设定附加相位调制信号计算所述可驱动光栅的驱动信号，具体包括：
采用光干涉信号解调的相位生成载波解调方法，设定附加相位载波调制信号Ccos(ω0t)，其中，C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率；
根据
Figure FDA0003631629870000021
计算对应光栅垂直位移；其中，λ为激光光源波长，Sg(t)为垂直位移；
根据所述垂直位移，计算所述可驱动光栅中各驱动臂所需弯曲变形；
根据所述驱动臂的驱动原理及驱动特性，计算所述各驱动臂的电压或电流驱动信号。
7.根据权利要求6所述的光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，其特征在于，所述相位生成载波解调方法，具体包括：
利用附加设定相位载波调制信号Ccos(ω0t)的干涉光光强信号
Figure FDA0003631629870000031
对干涉光信号进行解调，其中，C为设定附加相位载波调制深度，ω0为载波角频率，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure FDA0003631629870000032
为初始腔长对应的初始干涉相位，
Figure FDA0003631629870000033
为待测微位移对应的待测干涉相位。
8.根据权利要求5所述的光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，其特征在于，所述步骤4：根据所述垂直位移测量值计算实际附加相位调制信号并对所述设定附加相位调制信号进行校正，具体包括：
根据所述垂直位移测量值，计算所述光栅产生所述垂直位移的实际附加相位载波调制信号
Figure FDA0003631629870000034
得到Cp和
Figure FDA0003631629870000035
其中，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure FDA0003631629870000036
为实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率；
Cp和
Figure FDA0003631629870000037
代入所述相位生成载波解调方法的解调算法，用于校正实际附加相位载波调制信号与设定附加相位载波调制信号中参数的偏差，以使用准确的载波参数进行解调运算。
9.根据权利要求8所述的光干涉型集成微位移传感结构的检测方法，其特征在于，所述步骤5：对所述光探测器检测得到的输出干涉光光强信号进行解调得到待测微位移量，具体包括：
所述光探测器将输出干涉光光强转化为电流信号；
根据所述相位生成载波解调方法，通过所述输出干涉光光强信号
Figure FDA0003631629870000038
计算得到待测微位移对应的待测干涉相位
Figure FDA0003631629870000039
根据所述待测微位移对应的待测干涉相位
Figure FDA00036316298700000310
通过
Figure FDA00036316298700000311
计算得到待测微位移量；
其中，I(t)为输出干涉光光强信号，A为直流量，B为干涉信号幅值，
Figure FDA00036316298700000312
为初始腔长对应的初始干涉相位，Cp为实际附加相位载波调制深度，
Figure FDA00036316298700000313
为实际附加相位载波初相位，ω0为载波角频率，
Figure FDA0003631629870000041
为待测微位移对应的待测干涉相位，Sm(t)为待测微位移量，λ为激光光源波长。
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