CN1147702C - 全光纤位移测量仪 - Google Patents

Abstract

一种全光纤位移测量仪，包括两个被调制的原光源。两原光源发射的调制光束经过全光纤连接的三个环形器和两个光纤耦合器分别到达参考反射元件和被测物体。由参考反射元件和被测物体反射回来的光束在光纤耦合器中产生干涉。光电转换元件将接收到的干涉信号转换为电信号，一路经过数模转换器送到计算机。另一路经过反馈控制电路分别送到第一驱动电源和第二驱动电源。本发明与在先技术相比，本发明采用了光热光频调制，采用了全光纤代替在先技术中的透镜、分束器等光学元件，所以，本发明体积小，重量轻，结构紧凑，抗干扰能力强，测量精度高，测量范围由在先技术的数百纳米扩大到厘米量级。

Description

全光纤位移测量仪

技术领域：

本发明是一种全光纤位移测量仪，特别是涉及到全光纤光热双波长正弦调制半导体激光干涉仪的结构。

背景技术：

由于半导体激光器(以下简称为LD)波长的温度稳定性得到较好的解决，半导体激光干涉仪正在被广泛地研究开发。LD除体积小、用电省、价格低外，一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD的注入电流来实现。通过调制注入电流，很容易实现干涉信号的相位调制，从而实现位移、距离、面形等参数较高精度的测量。但是在调制LD的注入电流时其输出光强同时被调制，这造成一定的测量误差。为降低作为光源的LD的输出光强被调制引起的测量误差，发明人王向朝等提供了一种光频光热调制半导体激光干涉仪(参见在先技术[1]王向朝，王学锋，钱锋，“用半导体激光器的微小位移干涉测量仪，”中国专利申请号：99 1 13908.9)。在此干涉仪中，采用了光热技术调制光源波长，使得输出光强被调制的幅度很小，大大提高了测量精度。遗憾的是此干涉仪位移的测量范围小于半个波长，仅为数百纳米量级，不能满足大范围位移测量的要求。为了扩大测量范围，发明人王向朝等又提供了利用这种干涉仪的测量方法(参见在先技术[2]王向朝，王学锋，钱锋，“物体位移的纳米精度的测量方法”，中国专利申请号：00 1 19556.5)，是对上述干涉测量结果的修正，使得在保持纳米测量精度的条件下，测量范围扩大到厘米量级。但是，这种修正对采样频率的要求很高，由于数据采集卡的采样频率有限，因而限制了此干涉仪测量范围的进一步提高。

发明内容：

本发明的全光纤位移测量仪，其结构如图1所示。包括：带有第一驱动电源20的第一调制光源19通过光纤和第一环形器3的第一端口a₁相连。第一环形器3的第二端口b₁通过光纤连接到带有第一直流电源1的第一原光源2上，第一环形器3的第三端口c₁通过光纤和第一耦合器9的第一端口a’连接。带有第二驱动电源6的第二调制光源7通过光纤与第二环形器8的第一端口a₂相连，第二环形器8的第二端口b₂经过光纤与带有第二直流电源4的第二原光源5连接，第二环形器8的第三端口c₂通过光纤和第一耦合器9的第二端口b’相连接。第一耦合器9的第三端口c’通过光纤连接到第三环形器10的第一端口a₃，第三环形器10的第二端口b₃经过光纤连接到第二耦合器11的第三端口c”，第二耦合器11的第二端口b”和第一端口a”通过光纤分别连接到参考反射元件12和准直器14。在准直器14的出射光光路上置放被测物体13。第三环形器10的第三端口c₃通过光纤通到光电转换元件15上。光电转换元件15的输出一路与连接到第一驱动电源20和第二驱动电源6的反馈控制电路18相连，另一路与连接有计算机17的模数转换器16相连。

上面所说的第一调制光源19、第一原光源2、第二调制光源7和第二原光源5均是半导体激光器(也称激光二极管，简称为LD)。

所说的第一驱动电源20提供直流、正弦交流信号与反馈信号给第一调制光源19。

所说的第二驱动电源6提供直流、正弦交流信号与反馈信号给第二调制光源7。

所说的第一环形器3，第二环形器8和第三环形器10均是用来实现光线的单向传输的光纤环形器，或者按其功能也可以用光隔离器和光耦合器的组合来实现。

所说的第一耦合器9，第二耦合器11均是用来实现光束的合路、分路的光纤耦合器。

所说的参考反射元件12是指使得入射光按一定反射率原路返回的光学元件。其反射率与被测物体13的反射率相近。如出射面为平面并镀有增反膜的光纤准直器。

所说的光电转换元件15是光电二极管，或是光电池等。

如上述图1所示的结构，带有第一驱动电源20的第一调制光源19发出的光通过光纤入射到第一环形器3的第一端口a₁，从第一环形器3的第二端口b₁出射的光经过光纤入射到带有第一直流电源1的第一原光源2，使其波长被正弦调制。出射的调制光入射到第一环形器3的第二端口b₁，从第一环形器3的第三端口c₁出射，通过光纤进入到第一耦合器9的第一端口a’。带有第二驱动电源6的第二调制光源7发出的光通过光纤入射到第二环形器8的第一端口a₂，从第二环形器8的第二端口b₂出射的光经过光纤入射到带有第二直流电源4的第二原光源5，使其波长被正弦调制。调制光入射到第二环形器8的第二端口b₂，从第二环形器8的第三端口c₂出射，通过光纤进入到第一耦合器9的第二端口b’。来自第一耦合器9的第一端口a’和第二端口b’的光经过耦合，从第一耦合器9的第三端口c’出射。出射光经过光纤进入第三环形器10的第一端口a₃，从第三环形器10的第二端口b₃射出。出射光经过光纤入射到第二耦合器11的第三端口c”，从第二耦合器11的第二端口b”出射的光通过光纤入射到参考反射元件12。从第二耦合器11的第一端口a”出射的光通过端面镀有增透膜的准直器14入射到被测物体13。参考反射元件12和被测物体13的反射光分别入射到第二耦合器11的第二端口b”和第一端口a”，两束反射光在第二耦合器11中干涉，光从第二耦合器11的第三端口c”出射，通过光纤入射到第三环形器10的第二端口b₃，从第三环形器10的第三端口c₃射出。出射光通过光纤照射到光电转换元件15。光电转换元件15输出两路电信号，其中一路电信号经反馈控制电路18反馈到第一驱动电源20和第二驱动电源6。另一路电信号经过模数转换器16转换成数字信号后进入计算机17，再经过计算机17的数据处理与运算，最后显示测量结果。

具体的描述是：当光电转换元件15检测到的干涉信号

S(t)＝S₁(t)+S₂(t)＝cos[z₁ cos(ω_c1t+θ₁)+α₁]+cos[z₂ cos(ω_c2t+θ₂)+α₂]，  (1)其中S₁(t)、S₂(t)分别为第一原光源2与第二原光源5产生的干涉信号。z₁、z₂分别为干涉信号S₁(t)、S₂(t)相位调制的振幅，ω_c1，ω_c2分别为第一原光源2和第二原光源5的正弦相位调制的频率，t为时间，θ₁、θ₂分别为第一原光源2和第二原光源5正弦相位调制的初始相位，α₁、α₂分别为被测物体13引入到干涉信号S₁(t)、S₂(t)中的相位变化。

               α₁＝2πΔl/λ₁                     (2)

               α₂＝2πΔl/λ₂                     (3)

其中，λ₁、λ₂分别为第一原光源2和第二原光源5的中心波长，Δl为测量干涉两臂的光程差。

由式(2)、(3)可得α₁与α₂的差为

               Δα＝2πΔl/λ_e                     (4)

其中

               λ_e＝λ₁λ₂/(λ₁-λ₂)           (5)

为合成波长。对式(1)进行傅立叶变换求得α₁和α₂值。由式(4)干涉两臂可得光程差

               Δl＝(α₁-α₂)λ_e/2π。            (6)

如果物体沿光轴由位置一移动到位置二，测得的光程差分别为Δl₁、Δl₂，则被测物体13的位移

               d＝(Δl₂-Δl₁)/2                    (7)

由于第一原光源2与第二原光源5的驱动电源均为直流电源，两光源的波长均为光热调制，因此伴随波长调制产生的光源光强波动与直接注入电流调制波长相比大大下降。α₁和α₂的测量精度大大提高。由式(7)可知，位移的测量精度大大提高。由式(5)可知，选择第一原光源2与第二原光源5中心波长接近的光源，合成波长λ_e的数值将很大，因此位移的测量范围可以很大。若采用波长分别为785nm和780nm的LD，合成波长λ_e为122.46μm，位移的测量范围扩大到61.23μm。若采用波长分别为1552.12nm和1552.22nm的LD，位移的测量范围扩大到12.05mm。与在先技术[1]相比，测量范围大大扩展了。同时，与在先技术[2]相比，本发明实际的测量范围仅与使用的LD的波长有关，不受采样频率限制，扩大了仪器的适用范围。

本发明与在先技术相比：

1.与在先技术[1]相比，本发明的全光纤位移测量仪采用了双原光源干涉测量结构，使得测量范围从原来的数百纳米扩大到现在的厘米量级。

2.与在先技术[2]相比，本发明的全光纤位移测量仪采用光热光频调制，使得原光源光强被调制带来的测量误差降低，测量精度得以提高。

3.与在先技术[2]相比，本发明的全光纤位移测量仪采用了双原光源干涉测量结构。该结构同数据采集卡的采样频率无关，从而使得本发明测量仪的测量范围进一步扩大。

4.与在先技术[1，2]相比，本发明的全光纤位移测量仪全光纤化，采用了光纤、光纤环形器和光纤耦合器等光纤器件替代了在先技术中的透镜、偏振分束器、分束器等体光学器件，使得本发明的测量仪体积小、重量轻、结构紧凑、抗干扰能力强。同时，由于照射到被测物体上的光斑尺寸很小，因此本发明还可用于微小物体位移的测量。

附图说明：

图1为本发明的全光纤位移测量仪的结构示意图。

具体实施方式：

如图1所示的结构中，第一原光源2和第二原光源5分别采用波长为λ₁＝785nm和λ₂＝790nm的半导体激光器，第一调制光源19、第二调制光源7均采用波长为780nm的半导体激光器。第一环形器3、第二环形器8、第三环形器10均为三端口光纤环形器。第一耦合器9、第二耦合器11都是三端口光纤耦合器。

通过反馈控制电路18和第一驱动电源20、第二驱动电源6，分别控制第一调制光源19、第二调制光源7的输出光强变化，此变化作用于第一原光源2、第二原光源5。经过光热正弦调制的第一原光源2和第二原光源5的输出光束λ₁、λ₂分别经过第一环形器3、第二环形器8，由第一耦合器9耦合到第三环形器10。此光束通过第三环形器10后由第二耦合器11分成两束。其中一束入射到参考反射元件12，另一束由光纤准直透镜作为准直器14准直后入射到被测物体13。被测物体13和参考反射元件12反射的探测光束和参考光束经过第二耦合器11后，通过第三环形器10至光电转换元件15。光电转换元件15将接收到的探测光束和参考光束所形成的干涉信号转换成电信号。此电信号一部分送到反馈控制电路18，通过第一驱动电源20与第二驱动电源6改变第一调制光源19与第二调制光源7的输出光强，使得第一原光源2与第二原光源5产生一个波长变化，以消除原光源波长的温度漂移及机械振动引起的测量误差。光电转换元件15输出电信号的另一部分由模数转换器16转换成数字信号后输入到计算机17中，进行数据处理。上述的合成波长λ_e＝124.03μm，位移的测量范围为62.015μm。

当第一原光源2和第二原光源5分别采用波长为λ₁＝780nm和λ₂＝780.1nm时，合成波长λ_e＝6084.78μm，位移的测量范围扩大到3.042mm。

Claims (3)

1.一种全光纤位移测量仪，包括：

<1>有带第一直流电源(1)的第一原光源(2)和带第二直流电源(4)的第二原光源(5)，有光电转换器件(15)输出的一路经过模数转换器(16)连到计算机(17)上，被测物体(13)之前置有准直器(14)；

其特征在于：

<2>有带第一驱动电源(20)的第一调制光源(19)通过光纤与第一环形器(3)的第一端口(a₁)相连，上述第一原光源(2)通过光纤与第一环形器(3)的第二端口(b₁)相连，第一环形器(3)的第三端口(c₁)通过光纤与第一耦合器(9)的第一端口(a’)相连；

<3>有带第二驱动电源(6)的第二调制光源(7)通过光纤与第二环形器(8)的第一端口(a₂)相连，上述第二原光源(5)通过光纤与第二环形器(8)的第二端口(b₂)相连，第二环形器(8)的第三端口(c₂)通过光纤与第一耦合器(9)的第二端口(b’)相连；

<4>第一耦合器(9)的第三端口(c’)通过光纤与第三环形器(10)的第一端口(a₃)相连，第三环形器(10)的第二端口(b₃)通过光纤与第二耦合器(11)的第三端口(c”)相连，第二耦合器(11)的第二端口(b”)通过光纤与参考反射元件(12)相连，第二耦合器(11)的第一端口(a”)通过光纤与置放在被测物体(13)前的准直器(14)相连；

<5>第三环形器(10)的第三端口(c₃)通过光纤通到光电转换器件(15)上，光电转换器件(15)的输出一路与连接到第一驱动电源(20)和第二驱动电源(6)的反馈控制电路(18)相连，另一路与连接有计算机(17)的模数转换器(16)相连。

2.根据权利要求1所述的全光纤位移测量仪，其特征在于所说的第一原光源(2)、第二原光源(5)、第一调制光源(19)和第二调制光源(7)均是半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的全光纤位移测量仪，其特征在于所说的第一环形器(3)，第二环形器(8)和第三环形器(10)是光纤环形器，或者是光隔离器和光耦合器的组合。

Images