CN116295151A - 一种声场式时栅直线位移传感系统 - Google Patents

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CN116295151A CN202310248125.5A CN202310248125A CN116295151A CN 116295151 A CN116295151 A CN 116295151A CN 202310248125 A CN202310248125 A CN 202310248125A CN 116295151 A CN116295151 A CN 116295151A
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向保康
白吉
吴明树
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Abstract

本发明公开了一种差频声场式时栅直线位移传感系统，包括激光光源、动尺、光电接收器和信号控制系统；动尺具有动尺声光晶体。激光光源、动尺、光电接收器从上至下布置，动尺能相对于光电接收器左右移动。信号控制系统包括信号产生及加载模块和信号处理模块，信号产生及加载模块生成直流激励信号I0驱动激光光源，生成频率为|f1‑f2|的参考信号输入至信号处理模块，产生与频率f1相关的超声驱动信号并通过超声换能器加载至动尺声光晶体。采用本发明能提高抗干扰性，同时减少对制造工艺的依赖。

Description

一种声场式时栅直线位移传感系统
技术领域
本发明属于精密测量领域，具体涉及一种声场式时栅直线位移传感系统。
背景技术
目前超精密大量程位移测量主要有：激光干涉仪和光栅干涉仪两种。因测量基准产生方式的不同，这两种测量方式，在实际应用过程中各有优缺点；概括起来为以下两点：(1)以光波波长为测量基准的激光干涉仪具备基准免刻划、精度高、量程大的优点，但因测量基准缺乏实体保护，其对环境要求高且难集成；(2)以栅距为测量基准的光栅干涉仪具备精度高、抗干扰强、易集成的优点，但因栅距采用机械刻划，对加工要求高，导致其制造难度和成本很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种声场式时栅直线位移传感系统，以提高抗干扰性，同时减少对制造工艺的依赖。
本发明所述的声场式时栅直线位移传感系统，包括激光光源、动尺、光电接收器和信号控制系统。动尺具有动尺声光晶体。激光光源位于动尺上方，光电接收器位于动尺下方，激光光源、光电接收器固定安装，动尺能相对于光电接收器左右移动。
信号控制系统包括信号产生及加载模块和信号处理模块，信号产生及加载模块与激光光源、信号处理模块连接，信号产生及加载模块通过超声换能器与动尺连接，光电接收器与信号处理模块连接；信号产生及加载模块生成激励信号i驱动激光光源输出光强交变的光信号，生成频率为|f1-f2|的参考信号输入至信号处理模块，产生与频率f1相关的超声驱动信号并通过超声换能器加载至动尺声光晶体。
当动尺相对于光电接收器移动时，所述光信号透过动尺声光晶体到达光电接收器，光电接收器将接收的光信号转换为电信号并输入至信号处理模块，信号处理模块将所述电信号(即光电接收器将接收的光信号转换得到的电信号)与所述参考信号进行处理，得到动尺相对于光电接收器移动的直线位移值。其中，i＝I0+Imsin(f2t)，0<|f1-f2|<min(f1,f2)，I0表示激励信号i中的直流电流分量，激励信号i的电流幅值为Im、电流频率为f2，min()表示取小运算，即min(f1,f2)表示取f1与f2中的较小值。
优选的，超声驱动信号有两种。
第一种超声驱动信号为信号产生及加载模块利用正弦调制信号U1对超声激励信号U′进行调制而得到的已调信号。超声驱动信号表示为：A1sin(f1t)[A0sin(f0t)+Um]。其中，超声激励信号U′、正弦调制信号U1都由信号产生及加载模块生成，U1＝A1sin(f1t)，U′＝A0sin(f0t)+Um，f1＜f0，f2＜f0，Um表示超声激励信号U′中的直流电压分量，超声激励信号U′的电压幅值为A0、电压频率为f0，正弦调制信号U1的电压幅值为A1、电压频率为f1。
第二种超声驱动信号为信号产生及加载模块生成的超声激励信号U′1。其中，U′1＝A1sin(f1t)+Um1，Um1表示超声激励信号U′1中的直流电压分量，超声激励信号U′1的电压幅值为A1、电压频率为f1。
优选的，所述光电接收器接收的光信号有两种。
光电接收器接收的第一种光信号为动尺声光晶体出射的+1级动尺衍射光，该+1级动尺衍射光由激光光源输出的光强交变的光信号入射至动尺声光晶体，经动尺声光晶体衍射而产生。
光电接收器接收的第二种光信号为动尺声光晶体出射的-1级动尺衍射光，该-1级动尺衍射光由激光光源输出的光强交变的光信号入射至动尺声光晶体，经动尺声光晶体衍射而产生。
优选的，信号处理模块将所述电信号与所述参考信号进行处理，得到动尺相对于光电接收器移动的直线位移值的方式为：信号处理模块对所述电信号进行带通滤波，得到电行波信号，再将电行波信号进行过零比较，得到与该电信号对应的频率为|f1-f2|的方波信号。将该方波信号与所述参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经转换得到动尺相对于光电接收器移动的直线位移值；其中，所述参考信号为方波信号。
优选的，所述频率f1、f2满足：|f1-f2|≤0.1min(f1,f2)。|f1-f2|的值越小，位移测量的分辨力越高。|f1-f2|≤0.1min(f1,f2)是提高测量分辨力的一个比较合理的界限。
本发明以超声行波(对应于超声驱动信号)在声光晶体内传播为测量载体，用声光衍射与声光通信的物理原理，实现超声行波信号的检测，从而实现以超声波长为测量基准的位移测量。借鉴声光通信中用超声功率调制控制衍射光强的原理，结合超声行波的空间运动(对应于动尺的移动)，使得动尺移动到不同位置衍射光强在时间上前后移动，从而合成一个新的可以用衍射光强信号直接检测的超声行波信号。
激光光源以连续激励方式输出连续激光，透过动尺声光晶体照射在光电接收器上，当动尺发生移动时，超声行波在动尺声光晶体内发生周期性变化，通过声光效应，获得反应动尺移动、超声行波运动的衍射光强信号，经光电转换和带通滤波后得到电行波信号，该电行波信号随空间位置变化呈现时间上的先后变化，从而实现以时间量对空间位移的测量。
本发明是利用实体内行波作为运动参考系将空间测量转换为时间量的测量。在时栅测量思想的指导下，以实体内行波为测量载体，融合多种传感测量方法的优势。
本发明具有如下优势：
(1)以实物(动尺声光晶体)内行波波长为测量基准，既用实体尺子保护了测量基准不易受外界环境干扰，提高了抗干扰性，又减少了传统实物传感器对等间隔栅线制造工艺的依赖，同时结合行波波长的稳定性和精确性提高了测量精度。
(2)建立以实物内行波为运动参考系的测量模型，将被测对象的位移转换为时间量的测量，借助时钟频率的高分辨力特性提高了测量分辨力。
(3)光强交变的光信号经超声驱动信号驱动的动尺声光晶体衍射，得到声光衍射光强信号，经光电转换和带通滤波后得到差频(即频率为|f1-f2|的)电行波信号，由于频率f1与频率f2的值比较接近，从而提高了高频时钟插补的脉冲数，大幅提高了位移测量的分辨力。
(4)与传统的时栅直线位移传感系统相比，取消了定尺，结构更简单。
附图说明
图1为实施例1中声场式时栅直线位移传感系统的结构原理图。
图2为实施例1中声场式时栅直线位移传感系统的测量原理框图。
图3为实施例2中声场式时栅直线位移传感系统的结构原理图。
图4为实施例2中声场式时栅直线位移传感系统的测量原理框图。
图5为超声功率与(声光)衍射效率的关系曲线图。
具体实施方式
实施例1：如图1、图2所示，本实施例中的声场式时栅直线位移传感系统，包括激光光源1、动尺2、光电接收器3和信号控制系统4。激光光源1为波长633nm的He-Ne激光器，光电接收器3采用雪崩光电探测器。动尺2具有动尺声光晶体21。激光光源1位于动尺2上方，激光光源1与动尺2之间留有5mm的间隙，光电接收器3位于动尺2下方，光电接收器3与动尺2之间留有5mm的间隙，激光光源1、光电接收器3固定安装，动尺2能相对于激光光源1、光电接收器3左右移动。
信号控制系统4包括信号产生及加载模块41和信号处理模块42，信号产生及加载模块41内集成有信号生成器和乘法器。信号产生及加载模块41与激光光源1、信号处理模块42连接，信号产生及加载模块41通过超声换能器(图中未示出)与动尺2连接，光电接收器3与信号处理模块42连接。
信号产生及加载模块41中的信号生成器生成激励信号i、超声激励信号U′和正弦调制信号U1，利用信号产生及加载模块41中的乘法器对超声激励信号U′加载正弦调制信号U1进行调制，得到超声驱动信号，超声驱动信号表示为：A1sin(f1t)[A0sin(f0t)+Um](即U1*U′)。其中，i＝I0+Imsin(f2t)，U1＝A1sin(f1t)，U′＝A0sin(f0t)+Um，f2＜f1＜f0，I0表示激励信号i中的直流电流分量，激励信号i的电流幅值为Im、电流频率为f2，Um表示超声激励信号U′中的直流电压分量，超声激励信号U′的电压幅值为A0、电压频率为f0，正弦调制信号U1的电压幅值为A1、电压频率为f1。本实施例中f0＝80MHz，f1＝10.1MHz，f2＝10MHz，差频|f1-f2|＝10.1-10＝0.1MHz＝0.01min(f1,f2)＝0.01*10。
信号产生及加载模块41中的信号生成器生成频率为f1-f2(即0.1MHz)、相位为0的参考信号输入至信号处理模块42，该参考信号为方波信号。
信号产生及加载模块41利用激励信号i驱动激光光源1发出光强交变的光信号。信号产生及加载模块41将超声驱动信号通过超声换能器加载至动尺声光晶体21。
当动尺2相对于光电接收器3移动时，激光光源1发出光强交变的光信号透过动尺声光晶体21，通过调节入射光的角度，尽量减少0级光的强度，得到衍射后的﹢1级动尺衍射光22，﹢1级动尺衍射光22被光电接收器3接收。光电接收器3将接收的﹢1级动尺衍射光22转换为电信号并输入至信号处理模块42，信号处理模块42对电信号进行带通滤波，得到频率为0.1MHz的电行波信号，再将该电行波信号进行过零比较，得到与该电信号对应的频率为0.1MHz的方波信号。将该频率为0.1MHz的方波信号与频率为0.1MHz、相位为0的参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经转换得到动尺2相对于光电接收器3移动的直线位移值。
另外，本实施例中光电接收器3接收到并转换为电信号的光信号也可以是由激光光源输出的光强交变的光信号入射至动尺声光晶体21，经动尺声光晶体21衍射而产生的-1级动尺衍射光23。
实施例1中经衍射并转换得到0.1MHz的电行波信号的理论分析如下：
超声功率信号是由超声驱动信号经超声换能器转换的超声场作用于声光晶体而得到，使得通过声光晶体的激光束在声光作用下发现衍射现象，而衍射光强的强弱由超声驱动信号的功率决定。超声功率Ps与(声光)衍射效率ηs的关系曲线如图5所示，当超声功率Ps处在线性区域(即Pa＜Ps＜Pb)时，衍射效率将随超声功率发生线性关系变化。在进行超声驱动信号驱动的过程中，为保证衍射效率，通常将超声驱动信号功率设置在额定功率，即经超声换能器转换后的超声功率为定值。当超声激励信号加载调制信号，将其输出功率调制到线性区域时，超声功率便会随着所加载的正弦交流电压而变化。
信号处理模块42对光电接收器3接收的+1级动尺衍射光22进行带通滤波，滤除高频和直流成分后，得到反应动尺2相对于光电接收器3移动的电行波信号为：
Figure BDA0004126775900000051
Figure BDA0004126775900000052
其中，H1、P1为基于动尺各参数得到的常值，/>
Figure BDA0004126775900000053
表示透过动尺声光晶体的衍射光强相位。
因动尺的移动、动尺超声行波的运动，使得动尺移动到不同位置的动尺衍射光强信号在时间上对应不同，即
Figure BDA0004126775900000054
会随着动尺的移动而发生变化。也因此可以通过测量/>
Figure BDA0004126775900000055
的变化来反应动尺2相对光电接收器3移动的直线位移的变化。
上述电行波信号经过零比较后与频率为f1-f2、相位为0的参考信号比相，并经转换得到动尺2相对于光电接收器3的位移为：
Figure BDA0004126775900000056
其中，xj表示第j个位移值，λ1为动尺声光晶体21中的超声行波波长，
Figure BDA0004126775900000057
V为动尺声光晶体21中超声行波的速度(为已知常量)，/>
Figure BDA0004126775900000058
为电行波信号相对于参考信号的相位差，/>
Figure BDA0004126775900000059
因此在测量过程中，将初值x0置为0，然后按以上公式即可对被测对象相对初始位置的位移值(即动尺相对于光电接收器移动的直线位移值xj)实现测量。
实施例1中利用光强交变的光信号照射动尺声光晶体，利用动尺内超声行波信号作为测量基准，可以得到差频的电行波信号。同时其差频的电行波信号波长取决于正弦调制信号，这样所带来的好处是用差频的信号提高时钟插补的脉冲数，同时空间变化的波长不变，则可以成比例的提高位移测量的分辨力。例如本实施例中用频率为f1的正弦调制信号U1进行调制，所对应的波长为
Figure BDA00041267759000000510
而经衍射、光电转换、带通滤波后，可以得到频率为f1-f2的电行波信号，所以可以成比例(比例为/>
Figure BDA00041267759000000511
)的增加波长λ1内的时钟脉冲数，也就成比例的提高了位移测量的分辨力。
实施例2：如图3、图4所示，本实施例中的声场式时栅直线位移传感系统的大部分结构与实施例1相同，不同之处在于：信号产生及加载模块41内未集成乘法器，超声驱动信号为信号产生及加载模块41中的信号生成器生成的超声激励信号U′1。其中，U′1＝A1sin(f1t)+Um1，Um1表示超声激励信号U′1中的电压直流分量，超声激励信号U′1的电压幅值为A1、电压频率为f1。本实施例中f1＝81MHz，f2＝80MHz，差频|f1-f2|＝1MHz。
信号产生及加载模块41中的信号生成器生成频率为f1-f2(即1MHz)、相位为0的参考信号，并输入至信号处理模块42，该参考信号为方波信号。
信号产生及加载模块41利用激励信号i驱动激光光源1发出光强交变的光信号。信号产生及加载模块41将超声驱动信号通过超声换能器加载至动尺声光晶体21。
当动尺2相对于光电接收器3移动时，激光光源1发出光强交变的光信号透过动尺声光晶体21，通过调节入射光的角度，尽量减少0级光的强度，得到衍射后的﹢1级动尺衍射光22，﹢1级动尺衍射光22被光电接收器3接收。光电接收器3将接收的﹢1级动尺衍射光22转换为电信号并输入至信号处理模块42，信号处理模块42对电信号进行带通滤波，得到频率为1MHz的电行波信号，再将该电行波信号进行过零比较，得到与该电信号对应的频率为1MHz的方波信号。将该频率为1MHz的方波信号与频率为1MHz的参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经转换得到动尺2相对于光电接收器3移动的直线位移值。
另外，本实施例中光电接收器3接收到并转换为电信号的光信号也可以是由激光光源输出的光强交变的光信号入射至动尺声光晶体21，经动尺声光晶体21衍射而产生的-1级动尺衍射光23。
实施例2中经衍射并转换得到1MHz的电行波信号的理论分析如下：
超声功率信号是由超声驱动信号经超声换能器转换的超声场作用于声光晶体而得到，使得通过声光晶体的激光束在声光作用下发现衍射现象，而衍射光强的强弱由超声驱动信号的功率决定。超声功率Ps与(声光)衍射效率ηs的关系曲线如图5所示，当超声功率处在线性区域(即Pa＜Ps＜Pb)时，衍射效率将随超声功率发生线性关系变化。本实施例中超声驱动信号的超声功率处在与衍射效率成正比的线性区域。
信号处理模块42对光电接收器3接收的+1级动尺衍射光22进行带通滤波，滤除高频和直流成分后，得到反应动尺2相对于光电接收器3移动的电行波信号为：
Figure BDA0004126775900000061
Figure BDA0004126775900000062
其中，P1为基于动尺各参数得到的常值，/>
Figure BDA0004126775900000063
表示透过动尺声光晶体的衍射光强相位。
因动尺的移动、动尺超声行波的运动，使得动尺移动到不同位置的动尺衍射光强信号在时间上对应不同，即
Figure BDA0004126775900000064
会随着动尺的移动而发生变化。也因此可以通过测量/>
Figure BDA0004126775900000065
的变化来反应动尺2相对光电接收器3移动的直线位移的变化。
上述电行波信号经过零比较后与频率为f1-f2、相位为0的参考信号比相，并经转换得到动尺2相对于光电接收器3移动的位移为：
Figure BDA0004126775900000071
其中，xj表示第j个位移值，λ1为动尺声光晶体21中的超声行波波长，
Figure BDA0004126775900000072
V为动尺声光晶体21中超声行波的速度(为已知常量)，/>
Figure BDA0004126775900000073
为电行波信号相对于参考信号的相位差，/>
Figure BDA0004126775900000074
因此在测量过程中，将初值x0置为0，然后按以上公式即可对被测对象相对初始位置的位移值(即动尺相对于光电接收器移动的直线位移值xj)实现测量。
实施例2中利用光强交变的光信号照射动尺声光晶体，利用动尺内超声行波信号作为测量基准，可以得到差频的电行波信号。同时其差频的电行波信号的空间周期为超声激励信号的波长。这样所带来的好处是用差频的信号提高时钟插补的脉冲数，同时空间变化的波长不变，则可以成比例的提高位移测量的分辨力。例如本实施例中用频率为f1的超声激励信号U′1对动尺声光晶体进行驱动，所对应的波长为
Figure BDA0004126775900000075
而经衍射、光电转换、带通滤波后，可以得到频率为f1-f2的电行波信号，所以可以成比例(比例为/>
Figure BDA0004126775900000076
)的增加波长λ1内的时钟脉冲数，也就成比例的提高了位移测量的分辨力。

Claims (8)

1.一种声场式时栅直线位移传感系统，包括激光光源(1)、动尺(2)、光电接收器(3)和信号控制系统(4)，其特征在于：
动尺(2)具有动尺声光晶体(21)；
激光光源(1)位于动尺(2)上方，光电接收器(3)位于动尺(2)下方，激光光源(1)、光电接收器(3)固定安装，动尺(2)能相对于光电接收器(3)左右移动；
信号控制系统(4)包括信号产生及加载模块(41)和信号处理模块(42)，信号产生及加载模块(41)与激光光源(1)、信号处理模块(42)连接，信号产生及加载模块(41)通过超声换能器与动尺(2)连接，光电接收器(3)与信号处理模块(42)连接；信号产生及加载模块(41)生成激励信号i驱动激光光源(1)输出光强交变的光信号，生成频率为|f1-f2|的参考信号输入至信号处理模块(42)，产生与频率f1相关的超声驱动信号并通过超声换能器加载至动尺声光晶体(21)；
当动尺相对于光电接收器(3)移动时，所述光信号透过动尺声光晶体到达光电接收器(3)，光电接收器(3)将接收的光信号转换为电信号并输入至信号处理模块(42)，信号处理模块(42)将所述电信号与所述参考信号进行处理，得到动尺(2)移动的直线位移值；其中，i＝I0+Imsin f2t，0＜|f1-f2|<min(f1,f2)，I0表示激励信号i中的直流电流分量，min表示取小运算。
2.根据权利要求1所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：
所述超声驱动信号为信号产生及加载模块(41)利用正弦调制信号U1对超声激励信号U′进行调制而得到的已调信号；
其中，超声激励信号U′、正弦调制信号U1都由信号产生及加载模块(41)生成，U1＝A1sinf1t，U′＝A0sin(f0t)+Um，f1＜f0，f2＜f0，Um表示超声激励信号U′中的直流电压分量。
3.根据权利要求2所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：
所述超声驱动信号为：A1sin(f1t)[A0sin(f0t)+Um]。
4.根据权利要求1所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：
所述超声驱动信号为信号产生及加载模块(41)生成的超声激励信号U′1；其中，U′1＝A1sin(f1t)+Um1，Um1表示超声激励信号U′1中的直流电压分量。
5.根据权利要求1至4任一项所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：所述光电接收器(3)接收的光信号为动尺声光晶体(21)出射的+1级动尺衍射光(22)，该+1级动尺衍射光由激光光源(1)输出的光强交变的光信号入射至动尺声光晶体，经动尺声光晶体衍射而产生。
6.根据权利要求1至4任一项所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：所述光电接收器(3)接收的光信号为动尺声光晶体(21)出射的-1级动尺衍射光(23)，该-1级动尺衍射光由激光光源(1)输出的光强交变的光信号入射至动尺声光晶体，经动尺声光晶体衍射而产生。
7.根据权利要求1至4任一项所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：信号处理模块(42)将所述电信号与所述参考信号进行处理，得到动尺(2)移动的直线位移值的方式为：
信号处理模块(42)对所述电信号进行带通滤波，得到电行波信号，再将电行波信号进行过零比较，得到与该电信号对应的频率为|f1-f2|的方波信号；
将该方波信号与所述参考信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经转换得到动尺(2)移动的直线位移值；其中，所述参考信号为方波信号。
8.根据权利要求1至4任一项所述的声场式时栅直线位移传感系统，其特征在于：所述频率f1、f2满足：|f1-f2|≤0.1min(f1,f2)。
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