CN116772713A - 一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置及测量方法，所述测量装置包括用于发射相干光源的飞秒激光器，与飞秒激光器连接的光纤环形器，与光纤环形器连接的光纤准直器，与光纤环形器连的用于放大飞秒脉冲回光的脉冲信号的光纤放大器，与光纤放大器连接的色散补偿光纤，与色散补偿光纤连接的光电探测及数据采集装置。本发明利用玻璃壁上下表面反射的两个回光脉冲间光谱干涉效应，使用干涉条纹周期解算脉冲间隔并进而解算出壁厚。本发明通过简单的激光收发和数据处理装置即可实现测量功能，方案具有简单可靠、快速高精度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种玻璃管壁的测量装置和测量方法，尤其涉及一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置和测量方法，属于激光干涉测量领域。
背景技术
玻璃管在生产生活中具有广泛应用，一些应用场景，例如药用玻璃瓶、量筒等对玻璃管的外径、内径及壁厚的要求很高。
为保证玻璃管的一致性和精度，需要在玻璃管的生产中在线测量和调控玻璃管厚度。由于玻璃管具有圆环形结构，传统用于平面板型厚度测量的激光测厚仪不再适用。因此，目前一般采用机械测量和人工读数的方式，如游标卡尺、千分尺等对尾料管头壁厚进行测量，人工读取测量结果，但是这种测量方法存在几个重要的问题：首先，这种测量方式实时性差，滞后于制造环节，无法进行在线的制造调控，导致产生大量的不合格管和浪费；其次，人工读数的目测方式检测效率低、精度和一致性差，难以满足量产和质量管控需求；最后，这种测量方式只能对管头和管尾测量，属于局部测量，不具有测量玻璃管厚度体分布的能力。存在测量滞后性、随机性和局部性问题。
玻璃的透光特性使得采用光学方法可以较为方便地测量厚度，例如，洛玻集团洛阳龙昊玻璃有限公司提出一种玻璃平板厚度监测装置(授权公告号CN 206056517U)，采用扫频连续激光器入射玻璃并探测回光信号光强的方案，利用玻璃平板的法布效应(FP)，激光器波长恰好达到玻璃板透射峰时，信号增强，利用两个增强信号之间的波长差解算玻璃厚度。这种方法依赖于玻璃板的FP效应，在曲面的玻璃管场景下无法使用；而且光强探测扰动与激光器的波长扫描精度均严重影响测量功能与精度，光路调试校准较为复杂，不利于工业现场的应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种简单可靠、快速高精度的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，基于飞秒激光的光谱干涉方法测量脉冲厚度，通过色散补偿光纤实现飞秒脉冲的光谱-时域映射转换，从而采用简单通用的数据采集设备便可获取光谱干涉周期信息，并快速解析出玻璃管厚度信息，为生产提供实时测量数据；本发明的另一目的是提供一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量方法。
技术方案：本发明的一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，所述测量装置包括用于发射相干光源的飞秒激光器，与飞秒激光器连接的光纤环形器，与光纤环形器连接的光纤准直器，与光纤环形器连的用于放大飞秒脉冲回光的脉冲信号的光纤放大器，与光纤放大器连接的色散补偿光纤，与色散补偿光纤连接的光电探测及数据采集装置；其中，飞秒激光器、光纤环形器和光纤准直器的中线处于同一水平位置，飞秒激光器发射的相干光源依次穿过光纤环形器和光纤准直器照射在待测玻璃管上，待测玻璃管的管壁上下表面反射形成两个具有一定时间间隔的飞秒脉冲回光，飞秒脉冲回光依次经过光纤准直器、光纤环形器、光纤放大器和色散补偿光纤后，由光电探测及数据采集装置采集。
作为上述方案的进一步改进，所述飞秒激光器与光纤环形器通过光纤环形器的输入端尾纤接头相连；所述光纤环形器的直通输出端尾纤与光纤准直器尾纤熔接相连，所述光纤环形器的另一端尾纤与光纤放大器的输入端光纤熔接相连。
作为上述方案的进一步改进，光纤放大器的输出端光纤与色散补偿光纤的输入端光纤熔接相连，色散补偿光纤的另一端与光电探测及数据采集装置的信号光输入接头相连。
作为上述方案的进一步改进，所述测量装置还包括与光电探测及数据采集装置连接的计算机，所述计算机与光电探测及数据采集装置通过数据线相连接。
优选的，所述飞秒激光器满足以下条件：中心波长1560nm±20nm，光谱半高全宽>0.5nm，重复频率10kHz～50MHz，单脉冲能量>1nJ。
优选的，所述测量装置适用的待测玻璃管的壁厚为0.1～50mm。
优选的，所述色散补偿光纤的总色散量>500ps/nm。
另一方面，本发明提供一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量方法，所述方法包括以下步骤：
S1、飞秒激光器通过光纤环形器、光纤准直器入射至待测玻璃管的管壁上下表面，管壁发生两次反射，形成两个具有一定时间差的飞秒脉冲回光，飞秒脉冲回光回到光纤准直器形成回光脉冲信号；
S2、回光脉冲信号经过光纤环形器进入光纤放大器放大，而后进入色散补偿光纤进行时间拉伸，回光脉冲的光谱信息被映射至时域，再通过光电探测及数据采集装置时域信号；
S3、通过采集的时域信号计算玻璃管壁的厚度。
作为上述方案的进一步改进，步骤S3中，通过与光电探测及数据采集装置连接的计算机计算玻璃管壁的厚度。
作为上述方案的进一步改进，步骤S3中，玻璃管壁的厚度的计算方法如下：
通过光电探测及数据采集装置时域信号(t,U),其中t表示时间，U表示电压；对连续采集的回光脉冲按照脉冲周期长度T进行分帧(T,U)；而后根据脉冲光谱的特征间隔确定时域光谱的映射系数K，K表征了1nm的谱宽可以被拉伸至多长时间间隔，则时域坐标T可以通过系数K转化为光谱，再进一步转化为频率坐标其中c是光速，λ0是光源中心波长，对每一帧进行逆快速傅里叶变换(ifft)，得到自相关迹曲线，曲线寻峰获得的频域干涉周期，即为时间间隔ΔT，玻璃壁厚/>其中n为玻璃折射率。
本发明基于飞秒激光的时域光谱干涉技术，提出了一种具有简单可靠、快速高精度的玻璃管壁厚测量技术。利用玻璃壁上下表面反射的两个回光脉冲间光谱干涉效应，使用干涉条纹周期解算脉冲间隔并进而解算出壁厚；采用色散拉伸傅里叶方法将光谱映射在时域，采用数据采集卡测量干涉光谱，并且由于光谱的刷新率等于脉冲重复频率，使得测量具有很高的速度，解决了测量的滞后性问题；相比于机械测量，激光可以发射至玻璃管的任意区域，配合生产机床做运动扫描，可以方便地掌握玻璃管的全局壁厚，并为生产过程提供支撑；相比于连续激光的波长扫描干涉方法，回光探测对玻璃面的面型和光路准直要求低，光谱干涉条纹对光强的波动不敏感，使得玻璃壁厚的测量重复性精度高，一般可以达到1％以上。通过简单的激光收发和数据处理装置即可实现测量功能，方案具有简单可靠、快速高精度的优点。
不同于传统空间干涉、时间干涉或者三角测厚技术所使用的连续光源或激光器本发明使用的飞秒激光器具有宽光谱(一般数10nm以上@1550nm)，使得测量光谱条纹周期成为了可能，并且飞秒激光具有相干性，可用使用色散补偿光纤的将其光谱的测量转化为时域强度的测量，采用通用的数据采集卡便可获取光谱干涉条纹信息，无需采用复杂的光谱仪。由于光频振荡周期很短，光谱干涉条纹对应的时间周期也很短，对厚度测量有高分辨率。例如光谱1560nm处1nm的干涉条纹周期，对应上下表面回光脉冲之间有1/125GHz＝8ps的时间差,玻璃中对应的厚度约为1.6mm，若光谱探测分辨率达到0.01nm,便可实现0.016mm的高分辨率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：由于本方案的技术原理是基于光谱干涉，所以对空间光束质量、直径和角度控制要求低，对光强波动也不敏感，适合圆柱形曲面厚度测量和工业生产环境应用，其量程和高分辨率非常适合用于玻璃管的毫米级厚度测量，具有简单可靠，实时高精度的优点。解决现有技术的测量滞后性、随机性和局部性的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；附图标记：1、飞秒激光器；2、光纤环形器；3、光纤准直器；4、待测玻璃管；5、光纤放大器；6、色散补偿光纤；7、光电探测及数据采集装置；8、计算机；
图2为本发明的数据处理流程图；
图3为飞秒激光器输出光谱图，其中两翼尖峰对应光谱宽度14.7nm；
图4为色散补偿光纤用探测器和示波器测量的光谱图，其中两翼尖峰对应7.38ns；
图5为采集到的时域信号图；
图6为分帧后的时域信号图；
图7为逆快速傅里叶变换后的自相关迹图；
图8为解算后输出的玻璃厚度值图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例1提供一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，所述测量装置包括飞秒激光器1、光纤环形器2、光纤准直器3、待测玻璃管4、光纤放大器5、色散补偿光纤6、光电探测及数据采集装置7和计算机8。其中，飞秒激光器1与光纤环形器2的输入端尾纤接头相连，光纤环形器2的直通输出端尾纤与光纤准直器3尾纤熔接相连，光纤环形器2的另一端尾纤与光纤放大器5的输入端光纤熔接相连，光纤放大器5的输出端光纤与色散补偿光纤6的输入端光纤熔接相连，色散补偿光纤6的另一端与光电探测及数据采集装置7信号光输入接头相连，光电探测及数据采集装置7与计算机8通过数据线相连接。
本发明的主要原理如下：不同于窄谱的连续激光，飞秒激光器是宽光谱的相干光源，经过玻璃管壁上下表面反射形成两个具有一定时间间隔的飞秒脉冲回光，回光具有光谱干涉特征，干涉条纹的周期与玻璃管厚度相关。利用色散补偿光纤引入大色散拉伸飞秒脉冲，脉冲光谱被映射至时域，不需要使用昂贵的高分辨率光谱测量设备，在时域内即可实现快速、高精度的壁厚测量。
如图2所示，本发明实施例提供一种利用上述装置测量玻璃管壁的方法，具体流程如下：飞秒激光器(中心波长λ0，脉冲周期为T)通过光纤环形器、准直器入射至玻璃管壁上下表面时会发生两次反射，形成两个具有一定时间差的脉冲，回到准直器形成回光信号。回光脉冲信号经过光纤环形器进入光纤放大器放大，而后进入色散补偿光纤进行时间拉伸，回光脉冲的光谱信息被映射至时域，再通过光电探测及数据采集装置时域信号(t,U),其中t表示时间，U表示电压。对连续采集的回光脉冲按照脉冲周期长度T进行分帧(T,U)。而后根据脉冲光谱的特征间隔确定时域光谱的映射系数K,K表征了1nm的谱宽可以被拉伸至多长时间间隔，则时域坐标T可以通过系数K转化为光谱,再进一步转化为频率坐标其中c是光速，λ0是光源中心波长，对每一帧进行逆快速傅里叶变换(ifft)，得到自相关迹曲线，曲线寻峰获得的频域干涉周期，即为时间间隔ΔT。玻璃壁厚/>
实施例1
按照图1布置测量装置。开启各设备进行玻璃管的管壁厚度测量。
其中飞秒光纤激光器，输出光谱如图3所示，脉冲具有猫耳型光谱结构，中心波长1560nm，光谱两翼尖峰间的特征谱宽为14.7nm。选取总色散量为600ps/nm@1560nm的色散光纤，脉冲在其中传输被展宽，将光谱被映射至时域上，可以用光电探测器和示波器测得的如图4所示，可见时域脉冲具有与光谱相似的结构，两翼的间隔为6.8ns,时域光谱映射系数与色散拉伸量相当，脉冲重复周期T＝26.8ns。
将厚度约1mm的待测玻璃管放置在测量位置，选用采集速度为5GSa/s的采集卡采集信号，图5是采集到的时域信号，可见，玻璃管上下表面回光发生光谱干涉，出现干涉条纹。干涉条纹的周期即为2个回光脉冲之间的飞行时间ΔT。
将连续时域信号分割为帧，每帧长度等于脉冲重复周期26.8ns，如图6所示。按照将时域坐标变换为频域坐标，坐标变换后，将每一帧时域信号傅里叶变换，自相关迹如图7所示，自相关迹寻峰得到ΔT，按照公式/>便可求玻璃厚度，其中取玻璃折射率n＝1.42。每一帧可以得到一个测量值，图8是连续10帧的测量结果，平均壁厚9.75mm，重复性精度为0.08mm。
本发明基于飞秒激光的时域光谱干涉技术，提出了一种具有简单可靠、快速高精度的玻璃管壁厚测量技术。利用玻璃壁上下表面反射的两个回光脉冲间光谱干涉效应，使用干涉条纹周期解算脉冲间隔并进而解算出壁厚；采用色散拉伸傅里叶方法将光谱映射在时域，采用数据采集卡测量干涉光谱，并且由于光谱的刷新率等于脉冲重复频率，使得测量具有很高的速度，解决了测量的滞后性问题；相比于机械测量，激光可以发射至玻璃管的任意区域，配合生产机床做运动扫描，可以方便地掌握玻璃管的全局壁厚，并为生产过程提供支撑；相比于连续激光的波长扫描干涉方法，回光探测对玻璃面的面型和光路准直要求低，光谱干涉条纹对光强的波动不敏感，使得玻璃壁厚的测量重复性精度高，一般可以达到1％以上。通过简单的激光收发和数据处理装置即可实现测量功能，方案具有简单可靠、快速高精度的优点。
Claims (10)
1.一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括用于发射相干光源的飞秒激光器(1)，与飞秒激光器(1)连接的光纤环形器(2)，与光纤环形器(2)连接的光纤准直器(3)，与光纤环形器(2)连的用于放大飞秒脉冲回光的脉冲信号的光纤放大器(5)，与光纤放大器(5)连接的色散补偿光纤(6)，与色散补偿光纤(6)连接的光电探测及数据采集装置(7)；其中，飞秒激光器(1)、光纤环形器(2)和光纤准直器(3)的中线处于同一水平位置，飞秒激光器(1)发射的相干光源依次穿过光纤环形器(2)和光纤准直器(3)照射在待测玻璃管上，待测玻璃管的管壁上下表面反射形成两个具有一定时间间隔的飞秒脉冲回光，飞秒脉冲回光依次经过光纤准直器(3)、光纤环形器(2)、光纤放大器(5)和色散补偿光纤(6)后，由光电探测及数据采集装置(7)采集。
2.根据权利要求1所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，所述飞秒激光器(1)与光纤环形器(2)通过光纤环形器(2)的输入端尾纤接头相连；所述光纤环形器(2)的直通输出端尾纤与光纤准直器(3)尾纤熔接相连，所述光纤环形器(2)的另一端尾纤与光纤放大器(5)的输入端光纤熔接相连。
3.根据权利要求1所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，光纤放大器(5)的输出端光纤与色散补偿光纤(6)的输入端光纤熔接相连，色散补偿光纤(6)的另一端与光电探测及数据采集装置(7)的信号光输入接头相连。
4.根据权利要求1所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括与光电探测及数据采集装置(7)连接的计算机(8)，所述计算机(8)与光电探测及数据采集装置(7)通过数据线相连接。
5.根据权利要求1所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，所述飞秒激光器(1)满足以下条件：中心波长1560nm±20nm，光谱半高全宽>0.5nm，重复频率10kHz～50MHz，单脉冲能量>1nJ。
6.根据权利要求1所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，所述测量装置适用的待测玻璃管的壁厚为0.1～50mm。
7.根据权利要求1所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量装置，其特征在于，所述色散补偿光纤(6)的总色散量>500ps/nm。
8.一种基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、飞秒激光器通过光纤环形器、光纤准直器入射至待测玻璃管的管壁上下表面，管壁发生两次反射，形成两个具有一定时间差的飞秒脉冲回光，飞秒脉冲回光回到光纤准直器形成回光脉冲信号；
S2、回光脉冲信号经过光纤环形器进入光纤放大器放大，而后进入色散补偿光纤进行时间拉伸，回光脉冲的光谱信息被映射至时域，再通过光电探测及数据采集装置时域信号；
S3、通过采集的时域信号计算玻璃管壁的厚度。
9.根据权利要求8所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量方法，其特征在于，步骤S3中，通过与光电探测及数据采集装置连接的计算机(8)计算玻璃管壁的厚度。
10.根据权利要求8所述的基于时域光谱干涉的玻璃管壁的测量方法，其特征在于，步骤S3中，玻璃管壁的厚度的计算方法如下：
通过光电探测及数据采集装置时域信号(t,U),其中t表示时间，U表示电压；对连续采集的回光脉冲按照脉冲周期长度T进行分帧(T,U)；而后根据脉冲光谱的特征间隔确定时域光谱的映射系数K，K表征了1nm的谱宽可以被拉伸至多长时间间隔，则时域坐标T可以通过系数K转化为光谱，再进一步转化为频率坐标其中c是光速，λ0是光源中心波长，对每一帧进行逆快速傅里叶变换(ifft)，得到自相关迹曲线，曲线寻峰获得的频域干涉周期，即为时间间隔ΔT，玻璃壁厚/>其中n为玻璃折射率。
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