CN116045817B - 一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法,包括:测量模块用于获取环路数据,振荡模块用于获取振荡频率数据;获取第一环路振荡频率数据和光延时线的固定移动距离数据;基于所述固定移动距离数据获取光延时线移动后的第二环路振荡频率数据;对所述固定移动距离数据、第一环路振荡频率数据和第二环路振荡频率数据进行计算分析,得到环路腔长数据;获取目标移动后的第三环路振荡频率数据,对所述环路腔长数据和第三环路振荡频率数据进行分析计算,得到目标移动前后环路腔长的变化数据,对变化数据进行分析计算,得到目标位移数据。本发明通过将被测位移作为光电谐振腔环路的一部分,利用光电振荡器的特性,提高了测量精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域,特别是涉及一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法。
背景技术
长度量是最基本的物理量之一,随着人类认识、探索世界过程的不断深入,长度量的测量与计量在纳米测量、超精密加工、材料科学、航空航天、生物学、微电子行业等领域中具有广泛应用。建立纳米计量标准是当代计量领域在发展纳米测量技术上最重要、最基础的课题。纳米测量技术可实现百nm至0.1nm分辨率下的物体尺寸测量,是解决许多高精度、高分辨率问题的重要支撑,是研究纳米科技领域的重要基础。
纳米测量的方法目前可以分为两大类:非光学方法和光学方法。其中非光学方法包括:扫描探针显微镜法,电感测微法和电容测微法等。这些方法具有显著的优点,如高分辨率、高精度、低功耗和对温度依赖性弱。然而,非光学方法的微位移测量范围只有几十纳米到微米量级。
相比之下,光学方法实现微位移测量具有精度高、分辨力高、体积小、抗干扰性强、成本低、工作环境要求低、使用方便等优点,因此具备更大的应用潜力。目前光学类方法主要有迈克尔逊干涉仪,光栅干涉仪和法布里珀罗Fabry-Perot,F-P干涉仪。其中迈克尔逊干涉仪和光栅干涉仪本质上都属于干涉仪结构,都具有独立的参考臂和测量臂,测量值实际上是参考光路和测量光路的差,要达到nm或亚nm的测量精度,就必须保证参考光程稳定在nm或亚nm级别。
尽管F-P干涉仪不存在分离的参考臂和测量臂,将参考光路完全置于系统测量内部,消除了参考臂的不稳定性对测量精度的影响。但是,F-P腔体之间的多次反射将对测量结果带来非线性误差。
光学方法中基于光电振荡器Optoelectronic oscillator,OEO的微位移测量系统近年来受到了国内外学者们的极大关注。OEO因其高频谱纯度、低相位噪声以及腔长和频率之间的对应关系为微位移测量提供了新的方向。将待测距离作为OEO腔长的一部分,目标的位移信息将会转化成OEO振荡频率的变化,最终利用OEO的积累放大特性实现高精度的微位移测量。但是,目前基于OEO的微位移测量系统仍然存在独立的参考臂和测量臂,同样地会给测量结果带来误差。
以上微位移传感器都存在着测量精度低,装置复杂,步骤繁琐,对测量环境要求高等问题中的一项或多项,不能适用于在所有场景中对物体微位移的快速测量。
为了满足当下微位移传感器高精度、非接触、高频率和广泛的适应性的重要发展方向,发展高精度的非接触测量方法是解决测量领域许多现存问题的必然途径。基于上述缺陷和不足,本领域亟需对现有的微位移测量装置做出进一步的改进设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法,以解决上述现有技术存在的问题。
一方面为实现上述目的,本发明提供了一种基于光电振荡器的微位移测量装置,包括:
测量模块和振荡模块;
其中,所述测量模块用于获取环路数据,包括:第一激光器、第二激光器、磁光开关、马赫-曾德尔电光调制器、环形器和光滤波器;
所述振荡模块用于获取振荡频率数据,包括:光延时线、光电探测器、电放大器、电带通滤波器、功分器和频率计。
可选的,在所述测量模块中,所述第一激光器的输出端与所述磁光开关的第一输入端连接,所述第二激光器的输出端与所述磁光开关的第二输入端连接,所述磁光开关的输出端与所述马赫-曾德尔电光调制器的第一输入端连接,所述马赫-曾德尔电光调制器的输出端与所述环形器的第一端口连接,所述环形器的第二端口与所述光滤波器的输入端连接。
可选的,所述第一激光器用于输出参考环路光,所述第二激光器用于输出测量环路光,其中所述参考环路光与所述测量环路光的波长不同;
所述磁光开关用于控制参考环路光和测量环路光的载波时间;
所述光滤波器用于测量被测物体并获取环路数据;
所述环形器用于将环路数据输入到振荡模块。
可选的,在所述振荡模块中,所述光延时线的输入端与环形器的第三端口连接,所述光延时线的输出端与光电探测器的输入端连接;所述光电探测器的输出端与所述电放大器的输入端连接;所述电放大器的输出端与所述电带通滤波器的输入端连接;所述电带通滤波器的输出端与所述功分器的输入端连接;所述功分器的第一输出端与马赫-曾德尔电光调制器的第二输入端连接;所述功分器的第二输出端与频率计的输入端连接。
可选的,所述光电探测器用于光电转换;
所述电放大器用于放大电信号功率;
所述电带通滤波器用于选择振荡频率;
所述功分器与马赫-曾德尔电光调制器进行连接用于构成闭环光电环路;所述频率计用于收集环路振荡频率。
另一方面为实现上述目的,本发明提供了一种基于光电振荡器的微位移测量方法,包括:
获取第一环路振荡频率数据和光延时线的固定移动距离数据;基于所述固定移动距离数据获取光延时线移动后的第二环路振荡频率数据;
对所述固定移动距离数据、第一环路振荡频率数据和第二环路振荡频率数据进行计算分析,得到环路腔长数据;
获取目标移动后的第三环路振荡频率数据,对所述环路腔长数据、第一环路振荡频率数据和第三环路振荡频率数据进行分析计算,得到目标移动前后环路腔长的变化数据,对变化数据进行分析计算,得到目标位移数据。
可选的,获取环路腔长数据的过程包括:
获取腔长的变化数据ΔL0:
其中,L为OEO谐振腔的总长度,fosc为OEO腔长变化后的振荡频率;
环路腔长数据包括参考环路数据L参和测量环路数据L测,其中
获取参考环路数据L参的过程为:
获取测量环路数据L测的过程为:
其中,f1为参考环路的振荡频率,f2为测量环路的振荡频率;f1′为光延时线移动后参考环路的振荡频率,f2′为光延时线移动后测量环路的振荡频率。
可选的,获取目标位移数据的过程包括:
获取目标移动后环路腔长的变化数据,其中变化数据包括:参考环路的腔长变化数据ΔL参和测量环路的腔长变化数据ΔL测;
其中,获取参考环路的腔长变化数据ΔL参的过程为:
获取测量环路的腔长变化数据ΔL测的过程为:
其中,f1″为目标移动后参考环路的振荡频率,f2″为目标移动后测量环路的振荡频率;
获取目标位移数据ΔD:
本发明的技术效果为:
本发明通过光滤波器实现两个波长的分离,装置简单,易于实现并集成;通过待测目标位移前后OEO振荡频率的变化,实现对待测目标微位移的计算,由于OEO系统具有累计放大特性,因此该装置具有测量精度高、灵敏度高的特点;通过对OEO振荡频率的监测,能实现实时显示,实时测量;光滤波器和被测目标的共轴光路调节方式简单灵活;避免了传统微位移传感器中独立的参考臂和测量臂;引入的双环路OEO能够消除环境干扰,如温度漂移,振动等;本发明能够解决现有技术中独立参考臂和测量臂带来的测量误差问题,达到系统自校准的目的;同时本发明提供的技术方案,通过将被测位移作为光电谐振腔环路的一部分,利用光电振荡器的累计放大特性,提高了测量精度和灵敏度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
图1为本发明实施例中的装置原理图;
图2为本发明实施例中的方法流程图;
标号说明:1-第一激光器,2-第二激光器,3-磁光开关,4-马赫-曾德尔电光调制器,5-环形器,6-光滤波器,7-被测目标,8-光延时线,9-光电探测器,10-电放大器,11-电带通滤波器,12-功分器,13-频率计。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1-2所示,本实施例中提供一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法,包括:
获取第一环路振荡频率数据和光延时线的固定移动距离数据;基于所述固定移动距离数据获取光延时线移动后的第二环路振荡频率数据;对所述固定移动距离数据、第一环路振荡频率数据和第二环路振荡频率数据进行计算分析,得到环路腔长数据;获取目标移动后的第三环路振荡频率数据,对所述环路腔长数据、第一环路振荡频率数据和第三环路振荡频率数据进行分析计算,得到目标移动前后环路腔长的变化数据,对变化数据进行分析计算,得到目标位移数据。
装置包括:第一激光器(1),第二激光器(2),一个磁光开关(3),一个马赫-曾德尔电光调制器(Mach-Zehnder modulator,MZM)(4),一个环形器(5),一个光滤波器(6),一个被测目标(7),一个光延时线(8),一个光电探测器(9),一个电放大器(10),一个电带通滤波器(11),一个功分器(12),一个频率计(13);
所述第一激光器(1)的输出端与磁光开关(3)的其中一个输入端连接;所述第二激光器(2)的输出端与磁光开关(3)的另一个输入端连接;所述磁光开关(3)的输出端与MZM(4)的输入端连接;所述MZM(4)的输出端与环形器(5)的第1端口连接;所述环形器(5)的第2端口与光滤波器(6)的输入端连接;所述光滤波器(6)的输出端作为本装置的发射端,入射到被测目标(7)的表面;所述环形器(5)的第3端口与光延时线(8)的输入端连接;所述光延时线(8)的输出端与光电探测器(9)的输入端连接;所述光电探测器(9)的输出端与电放大器(10)的输入端连接;所述电放大器(10)的输出端与电带通滤波器(11)的输入端连接;所述电带通滤波器(11)的输出端与功分器(12)的输入端连接;所述功分器(12)的第1输出端与MZM(4)的射频输入端连接;所述功分器(12)的第2输出端与频率计(13)的输入端连接;
打开第一激光器(1)和第二激光器(2),设置第一激光器(1)输出波长为λ1,设置第二激光器(2)输出波长为λ2;
第一激光器(1)和第二激光器(2)的输出端与磁光开关(3)的两个输入端连接;
磁光开关(3)的输出端与MZM(4)的输入端连接;
MZM(4)的输出端与环形器(5)的第1端口连接;
环形器(5)的第2端口与光滤波器(6)的输入端连接;
光滤波器(6)的输入端为光纤,输出端为自由空间光;
第一激光器(1)的输出波长为λ1的激光经过光滤波器(6)的表面原路返回至环形器(5)的第2端口;
第二激光器(2)的输出波长为λ2的激光经过光滤波器(6)将透射,形成空间光,发射到被测目标(7)的表面;
波长为λ2的激光经被测目标(7)反射回至光滤波器(6),进入光纤中,回到环形器(5)的第2端口;
返回至环形器(5)的第2端口的两束激光λ1和λ2从环形器(5)的第3端口输出;
环形器(5)的第3端口与光延时线(8)的输入端连接;
光延时线(8)的输出端与光电探测器(9)的输入端连接,光电探测器(9)将光信号转化为电信号;
光电探测器(9)的输出端与电放大器(10)的输入端连接,电放大器(10)用于放大电信号的功率;
电放大器(10)的输出端与电带通滤波器(11)的输入端连接,电带通滤波器(11)用于选择OEO系统的振荡频率;
电带通滤波器(11)的输出端与功分器(12)的输入端连接;
功分器(12)的第1输出端与MZM(4)的射频输入端连接,此时OEO整个光电环路形成闭环,OEO系统起振;
功分器(12)的第2输出端与频率计(13)的输入端连接,频率计(13)用于采集OEO系统输出的振荡频率;
设置磁光开关(3)切换的周期为t0,则OEO谐振腔中光载波为λ1和λ2的时间均为其中光载波为λ1时记为参考环路,光载波为λ2时记为测量环路;
频率计(13)采集参考环路的振荡频率,记为f1,频率计(13)采集测量环路的振荡频率,记为f2;
设置光延时线(8)移动固定距离,移动距离记为ΔL0;
频率计(13)采集光延时线(8)移动后OEO的振荡频率,其中光延时线(8)移动后参考环路的振荡频率记为:f1′,光延时线(8)移动后测量环路的振荡频率记为:f2′;
根据OEO振荡原理可知,腔长的变化ΔL0和振荡频率的变化Δf有如下表达式:其中,L为OEO谐振腔的总长度,fosc为OEO腔长变化后的振荡频率;
将频率计(13)采集到的振荡频率f1,f1′,f2,f2′,和已知参数ΔL0带入公式可得:/>分别获得参考环路的腔长L参和测量环路的腔长L测;
被测目标(7)位置移动未知参量微位移ΔD;
频率计(13)采集被测目标(7)移动后OEO的振荡频率,其中被测目标(7)移动后参考环路的振荡频率记为:f1″,被测目标(7)移动后测量环路的振荡频率记为:f2″;将频率计(13)采集到的振荡频率f1,f1″,f2,f2″,和已知参数L参和L测代入公式可得: 分别获得参考环路的腔长变化ΔL参和测量环路的腔长变化ΔL测;根据装置原理图可知,/>将得到的参量ΔL参和ΔL测带入公式,可获得微位移参量ΔD。
以上所述,仅为本申请较佳的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于光电振荡器的微位移测量装置的测量方法,其特征在于,
所述测量装置包括:
测量模块和振荡模块;
其中,所述测量模块用于获取环路数据,包括:第一激光器、第二激光器、磁光开关、马赫-曾德尔电光调制器、环形器和光滤波器;
所述振荡模块用于获取振荡频率数据,包括:光延时线、光电探测器、电放大器、电带通滤波器、功分器和频率计;
在所述测量模块中,所述第一激光器的输出端与所述磁光开关的第一输入端连接,所述第二激光器的输出端与所述磁光开关的第二输入端连接,所述磁光开关的输出端与所述马赫-曾德尔电光调制器的第一输入端连接,所述马赫-曾德尔电光调制器的输出端与所述环形器的第一端口连接,所述环形器的第二端口与所述光滤波器的输入端连接;
所述第一激光器用于输出参考环路光,所述第二激光器用于输出测量环路光,其中所述参考环路光与所述测量环路光的波长不同;
所述磁光开关用于控制参考环路光和测量环路光的载波时间;
所述光滤波器用于测量被测物体并获取环路数据;
所述环形器用于将环路数据输入到振荡模块;
在所述振荡模块中,所述光延时线的输入端与环形器的第三端口连接,所述光延时线的输出端与光电探测器的输入端连接;所述光电探测器的输出端与所述电放大器的输入端连接;所述电放大器的输出端与所述电带通滤波器的输入端连接;所述电带通滤波器的输出端与所述功分器的输入端连接;所述功分器的第一输出端与马赫-曾德尔电光调制器的第二输入端连接;所述功分器的第二输出端与频率计的输入端连接;
所述光电探测器用于光电转换;
所述电放大器用于放大电信号功率;
所述电带通滤波器用于选择振荡频率;
所述功分器与马赫-曾德尔电光调制器进行连接用于构成闭环光电环路;所述频率计用于收集环路振荡频率;
所述测量方法包括:
获取第一环路振荡频率数据和光延时线的固定移动距离数据;基于所述固定移动距离数据获取光延时线移动后的第二环路振荡频率数据;
对所述固定移动距离数据、第一环路振荡频率数据和第二环路振荡频率数据进行计算分析,得到OEO谐振腔的总长度数据;
获取目标移动后的第三环路振荡频率数据,对所述OEO谐振腔的总长度数据、第一环路振荡频率数据和第三环路振荡频率数据进行分析计算,得到目标移动前后OEO谐振腔的总长度的变化数据,对变化数据进行分析计算,得到目标位移数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于光电振荡器的微位移测量装置的测量方法,其特征在于,
获取OEO谐振腔的总长度数据的过程包括:
获取OEO谐振腔的总长度的变化数据ΔL0:
其中,L为OEO谐振腔的总长度,fosc为OEO谐振腔的总长度变化后的振荡频率;
OEO谐振腔的总长度数据包括参考环路数据L参和测量环路数据L测,其中
获取参考环路数据L参的过程为:
获取测量环路数据L测的过程为:
其中,f1为参考环路的振荡频率,f2为测量环路的振荡频率;f1′为光延时线移动后参考环路的振荡频率,f2′为光延时线移动后测量环路的振荡频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于光电振荡器的微位移测量装置的测量方法,其特征在于,
获取目标位移数据的过程包括:
获取目标移动后OEO谐振腔的总长度的变化数据,其中变化数据包括:参考环路的腔长变化数据ΔL参和测量环路的腔长变化数据ΔL测;
其中,获取参考环路的腔长变化数据ΔL参的过程为:
获取测量环路的腔长变化数据ΔL测的过程为:
其中,f1″为目标移动后参考环路的振荡频率,f2″为目标移动后测量环路的振荡频率;
获取目标位移数据ΔD:
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