CN1554933A - 微小角位移的光波导测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种微小角位移的光波导测量装置及方法。属于精密仪器和精密测量领域。本发明机械振子结构固定在光学旋转平台上，光电接受部分的激光器、偏振器、光学小孔固定在旋转平台外，它们保持等高共轴，光轴指向机械振子结构的中心，光电接受部分的光电探测器、激光器关于机械振子结构的中心轴对称，光电探测器固定在光学旋转平台上。方法如下：激光器发射激光入射到光学玻璃板，当满足耦合条件后，光进入机械振子结构的双面金属包覆波导中，利用反射光随空气层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从光学玻璃板底面反射的光强随着光学玻璃板与摆锤的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量摆锤相对光学玻璃板位置的改变，得到摆捶的角位移。

Description

微小角位移的光波导测量装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种微小角位移的测量装置及方法，特别是一种微小角位移的光波导测量方法及装置。属于精密仪器技术领域。

背景技术

微小角位移的测量在地球物理、工程实践和科学实验中有着重要的影响。近几十年来，随着电容传感技术的发展，微小角位移传感器得到了广泛的应用。目前基于电容传感的微小角位移传感器已经被广泛应用于地壳倾斜的检测等领域。经文献检索发现，吴书朝等在《Chinese Physics Letters》Vol.20，No.8(2003)pp1210-1213上发表的“Measurement of the floor tilt in experimental determination of thegravitational constant”(测量万有引力常数实验中地面倾斜的测量，《中国物理快报》)一文，该文中介绍了基于电容传感的微小角位移传感器，这种电容式角位移传感器主要由：机械振子和电容传感电路组成。振子是一个可变电容，用它响应外界的倾斜变化。当振子底座随地壳发生倾斜时，振子将以其悬挂点为中心相对与框架发生扭转，此时振子的摆锤与镀膜陶瓷外极板所构成的电容将发生变化。由于悬挂振子的扭杆刚性很强，因此外界倾斜引起探测器摆锤的扭转非常小，通过差动式电容电桥传感电路，将信号进行放大。例如：机械振子底座倾斜为1.0×10^-7rad时，振子摆锤对应的位移只有1.3×10^-10m。这种传感器对温度和磁场都不敏感，能够检测到电容值的10^-7相对变化。但是，这种电容传感检测方法有着不可避免的缺陷：

①极板与摆锤间存在静电引力，摆锤不是完全自由会影响测量结果；②电容测量取决于整个极板间距的改变，而绕扭杆的摆锤扭转引起电容极板间距的不均匀，给测量带来非线性效应；③寄生电容的影响大，影响了灵敏度，带来了干扰；④高阻输出状态，使负载能力受到限制。以上因素决定了基于电容传感方法角位移传感器的精确度有限，并且长期稳定性非常差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有测量方法及装置中的不足，提供一种微小角位移的光波导测量装置及方法，即基于机械振子的双面金属包覆波导的微小角位移测量方法和装置，利用反射光对导波层间距变化敏感的特性来检测摆锤相对光学玻璃板间距的变化，精确地确定摆锤绕扭杆的角位移，使其达到能检测到10^-10rad的角位移。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明装置由光学旋转平台、机械振子结构和光电接受部分三部分组成。机械振子结构固定在光学旋转平台上，光学旋转平台支撑整个机械振子结构，光电接受部分包括：激光器、偏振器、光学小孔、光电探测器，激光器、偏振器、光学小孔固定在旋转平台外，它们保持等高共轴，光轴指向机械振子结构的中心，光电探测器、激光器关于机械振子结构的中心轴对称，同时光电接受部分的光电探测器固定在光学旋转平台上，光学旋转平台在激光器位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与机械振子结构的入射角，同时光电探测器以两倍角速度反向旋转，总能使反射光落在光电探测器上，从而实现共振角的扫描。

光学旋转平台由支撑底座、驱动接口和上下两层转盘构成，支撑底座支撑着上下两层转盘，驱动接口通过螺钉固定在支撑底座的侧面，上下两层转盘的旋转中心同轴，当电机通过驱动接口驱动上转盘匀速转动时，下转盘相对与上转盘以两倍角速度朝反方向旋转。

机械振子结构固定在光学旋转平台的上转盘的中心。机械振子结构包括：外框架、摆锤、扭杆、光学玻璃板、沉积在光学玻璃板上的金属膜、空气隙、沉积在摆锤上的金属膜，其连接关系为：摆捶通过扭杆同外框架相连，金属膜沉积在光学玻璃板上，光学玻璃板通过螺丝固定在外框架的侧面，光学玻璃板上的金属膜面朝向摆捶，并且中间保持一定的空气隙。其中沉积在光学玻璃板上的金属膜、空气隙、摆锤构成一个双面金属包覆波导结构。

光电接受部分包括：激光器、偏振器、光学小孔、光电探测器。光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘的外圈上，激光器、偏振器、光学小孔安装在光学旋转平台外的固定位置上，它们保持等高共轴，光轴指向机械振子结构的中心。激光器发射的激光通过偏振器出射单偏振光，经光学小孔后入射到机械振子结构的中心轴，光电探测器、激光器关于机械振子结构的中心轴对称，确保以任何角速度进行角度扫描时，光电探测器都能接受到自光学玻璃板底面反射的激光。

旋转平台静止时，打开激光器，出射激光通过偏振器，选择单偏振光，经过光学小孔后得到一定光斑大小的光入射机械振子结构的中心，经光学玻璃板与金属膜界面反射的反射光进入光电探测器，光电探测器同计算机的数模转换器(A/D)相连，计算机开始数据采集，通过程序控制驱动光学旋转平台，激光器相对机械振子机构入射角就发生改变，观察采集数据的结果，选择合适的入射角后停止驱动光学旋转平台，在此入射角下连续观测记录，通过光强的改变，反演振子的角位移。

本发明装置中，机械振子结构同光学玻璃间是自由的，没有电容检测方案中的静电力的影响，同时光强对摆捶与光学玻璃之间的间距改变十分敏感，当摆捶绕摆杆旋转时，通过检测间距的变化就可以精确的测量微小角位移。

基于以上的测量装置，本发明微小角位移的测量方法为：激光器发射的激光入射到光学玻璃板，当满足耦合条件后，光进入机械振子结构中由光学玻璃板、金属膜、空气隙、摆锤构成的双面金属包覆波导中，利用反射光随空气层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从光学玻璃板底面反射的光强随着光学玻璃板与机械振子结构中摆锤的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量摆锤相对光学玻璃板位置的改变，从而得到摆捶的角位移大小。

以下对本发明方法作进一步的限制，方法步骤如下：

第一步：选用合适的材料和相应的参数，形成沉积在光学玻璃板上的金属膜—空气隙—沉积在摆锤上的金属膜的双层金属包覆波导结构。机械振子结构通常可选用合金铝等硬度较高的材料，将其加工成摆锤通过扭杆与外框架连接的结构，框架和摆锤之间通过线切割方式保持一连接扭杆，摆锤的厚度略小于外框架的厚度(约0.1～1mm)，然后将摆锤表面用光学研磨的方法抛光，将厚度为5mm～10mm的光学玻璃加工成同框架半径相同的圆形，并用光学研磨的方法对其表面进行抛光。在抛光后的摆锤和光学玻璃板上溅射镀膜，金属膜可选用金或银，镀膜的厚度要求严格控制，光学玻璃表面金属膜的厚度为30～50nm，摆锤表面金属膜的厚度大于300nm。将镀膜后的玻璃板同摆锤结构组装起来，构成一个中间导波层为空气的厚度约为0.1mm～1mm的机械振子结构的双面包覆金属波导。

第二步：将机械振子结构固定在光学旋转平台的上转盘，并使得光学玻璃板的底面经过旋转平台的中心，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电探测器与光波导等高，并且它们关于光波导中间轴对称。

第三步：选择合适的激光波长、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～890nm范围内选择，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到光学玻璃板上，入射角的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式可以根据实际需要旋转偏振片选择TE模或者TM模，通常选择横电波入射，同时调节狭缝使得入射光束的光斑较小。

第四步：当机械结构响应外界倾斜时，测量从光学玻璃板和金属膜界面反射激光的光强，根据反射光强的变化实时计算得到摆捶位置及角位移。

本发明中，利用衰减全反射导模吸收峰随摆锤位置变化非常敏感的特点，将激光器入射角选在导模吸收峰的线性区域，利用光探测器对光强的连续测量，就可以实时得到摆锤的微小位移。

与现有技术相比，本发明可以广泛应用于大坝、地壳、建筑物的微小角位移的测量。本发明可以实现高灵敏度、快速的实时测量，同时保证仪器具有制造工艺简单、易于实现、小型化、便于携带等高技术性能。

附图说明

图1本发明装置结构示意图

图2本发明装置结构俯视图

图3本发明装置机械振子结构示意图(一)

图4本发明装置机械振子结构示意图(二)

图5本发明装置光学玻璃板及金属膜结构示意图(一)

图6本发明装置光学玻璃板及金属膜示意图(二)

具体实施方式

如图1到图6所示，本发明装置由光学旋转平台1、机械振子结构2、和光电接受部分3三部分组成，机械振子结构2固定在光学旋转平台1上，光学旋转平台1支撑整个机械振子结构2，光电接受部分3包括：激光器4、偏振器5、光学小孔6、光电探测器7，激光器4、偏振器5、光学小孔6固定在光学旋转平台1外，它们保持等高共轴，光轴指向机械振子结构2的中心，光电探测器7、激光器4关于机械振子结构2的中心轴对称，同时光电探测器7固定在光学旋转平台1上，光学旋转平台1在激光器4位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与机械振子结构2的入射角，同时光电探测器7以两倍角速度反向旋转，使反射光落在光电探测器7上。

光学旋转平台1由上下两层转盘8、9，支撑底座10和驱动接口11构成，支撑底座10支撑着上下两层转盘8、9，驱动接口11通过螺钉固定在支撑底座10的侧面，上下两层转盘8、9的旋转中心同轴，当电机通过驱动接口11驱动上转盘8匀速转动时，下转盘9相对与上转盘8以两倍角速度朝反方向旋转，光电探测器7固定在下转盘9的外圈上。

机械振子结构2固定在光学旋转平台1的上转盘8的中心，机械振子结构2包括：外框架12、摆锤13、扭杆14、光学玻璃板15、沉积在光学玻璃板上的金属膜16、空气隙17、沉积在摆锤上的金属膜18，其连接关系为：摆捶13通过扭杆14同外框架12固定，金属膜16沉积在光学玻璃板15上，光学玻璃板15通过螺丝固定在外框架12的侧面，光学玻璃板15上的金属膜16面朝向摆捶13上的金属膜18，并且中间保持有空气隙17。

其中摆锤13和光学玻璃板15上分别镀有金属膜，沉积在光学玻璃板15的抛光面上的金属膜16、空气隙17、沉积在摆锤13的抛光面上的金属膜18构成一个双面金属包覆波导。

以下结合本发明方法的内容提供实施例：

实施例1：

第一步：制作机械振子结构的双面金属包覆波导。摆锤外径为R＝60.0mm，厚度h＝9.8mm，摆锤扭杆长b＝1.0mm，扭杆的宽w＝1.0mm，框架外径为D＝72.0mm，中间摆锤与外玻璃板上金属膜表面的间距为d＝0.1mm。在厚度为5mm，折射率为1.73的玻璃板上镀上厚度为36nm的金膜，中间摆锤镀膜厚度大于300nm的金膜。

第二步：将机械振子结构的双面金属包覆波导安装在光学旋转平台的上转盘上，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电倍增管同光波导等高，并且它们关于光波导中间轴对称。

第三步：入射激光的波长为560.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-8.2+i1.79。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射光学玻璃板的入射角约为2.755°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。

第四步：当机械振子结构响应外界倾斜时，接收并测量反射激光的光强，数据处理得到摆锤的角位移。

根据计算表明对间距的测量可达到3.5×10^-11m，对应角位移探测精度为5.8×10^-10rad(反射光强度变化约等于0.2％)。当摆锤与玻璃板间距发生改变时，反射光强的变化列表如下：

摆锤与玻璃板间距(米)	对应倾角改变(弧度)	反射光强(百分比)
			1.0×10-4+3.5×10-111.0×10-4+7.0×10-111.0×10-4+1.05×10-111.0×10-4+1.4×10-101.0×10-4+1.75×10-10	5.8×10-101.16×10-91.74×10-92.32×10-92.9×10-9	43.9％44.1％44.3％44.5％44.7％

实施例2：

第一步：制作机械振子结构的双面金属包覆波导。摆锤外径为R＝60.0mm，厚度h＝9.0mm，摆锤扭杆长b＝1.0mm，扭杆宽w＝1.0mm，框架外径为D＝72.0mm，中间摆锤与玻璃板上金属膜表面的间距为d＝0.5mm。在厚度约为5mm，折射率为1.73的玻璃板上镀上厚度为39nm的金膜，在中间摆锤上镀上厚度大于300nm的金膜。

第二步：将机械振子结构的双面金属包覆波导安装在光学旋转平台的上转盘上，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电倍增管同光波导等高，并且它们关于光波导中间轴对称。

第三步：激光波长为690.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-14.4+i1.22。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射光学玻璃板的入射角约为0.81°。此时，能要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。

第四步：当机械振子结构响应外界倾斜时，接收并测量反射激光的光强，数据处理得到摆锤的角位移。

根据计算表明对间距的测量可达到1.5×10^-11m，对应角位移探测精度为2.5×10^-10rad(反射光强度变化约等于0.2％)。当摆锤与玻璃板间距发生改变时，反射光强的变化列表如下：

摆锤与玻璃板间距(米)	对应倾角改变(弧度)	反射光强(百分比)
			1.0×10-4+1.5×10-111.0×10-4+3.0×10-111.0×10-4+4.5×10-11	2.5×10-105.0×10-107.5×10-10	41.0％41.2％41.4％

1.0×10-4+6.0×10-111.0×10-4+7.5×10-10

1.0×10-91.25×10-9

41.6％41.8％

实施例3：

第一步：制作机械振子结构的双面金属包覆波导。摆锤外径为R＝60.0mm，厚度h＝8mm，扭杆的长b＝1.0mm，扭杆的宽w＝1.0mm，框架外径为D＝72.0mm，中间振子同外层金属膜表面的间距为d＝1.0mm。在厚度为5mm，折射率为1.73的玻璃板上镀上厚度为30nm的金膜，在中间摆锤上镀上厚度大于300nm的金膜。

第二步：将机械振子结构的双面金属包覆波导安装在光学旋转平台的上转盘上，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电倍增管同光波导等高，并且它们关于光波导中间轴对称。

第三步：激光波长为890.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-34.5+i2.47。旋转光学平台使激光光束入射外玻璃板的入射角约为1.125°。能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。

第四步：当机械振子结构响应外界倾斜时，接收并测量反射激光的光强，数据处理得到摆锤的角位移。

根据计算表明对间距的测量可达到1.3×10^-11m，对应角位移探测精度为2.2×10^-10rad(反射光强度变化约等于0.2％)。当摆锤与玻璃板间距发生改变时，反射光强变化列表如下：

摆锤与玻璃板间距(米)	对应倾角改变(弧度)	反射光强(百分比)
			1.0×10-4+1.3×10-111.0×10-4+2.6×10-111.0×10-4+3.9×10-111.0×10-4+5.2×10-111.0×10-4+6.5×10-10	2.2×10-104.4×10-106.6×10-108.8×10-101.1×10-9	36.8％37.0％37.2％37.4％37.6％

Claims (7)

1、一种微小角位移的光波导测量装置，由光学旋转平台(1)、机械振子结构(2)、和光电接受部分(3)三部分组成，机械振子结构(2)固定在光学旋转平台(1)上，光学旋转平台(1)支撑整个机械振子结构(2)，其特征在于，光电接受部分(3)包括：激光器(4)、偏振器(5)、光学小孔(6)、光电探测器(7)，激光器(4)、偏振器(5)、光学小孔(6)固定在光学旋转平台(1)外，它们保持等高共轴，光轴指向机械振子结构(2)的中心，光电探测器(7)、激光器(4)关于机械振子结构(2)的中心轴对称，同时光电探测器(7)固定在光学旋转平台(1)上，光学旋转平台(1)在激光器(4)位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与机械振子结构(2)的入射角，同时光电探测器(7)以两倍角速度反向旋转，使反射光落在光电探测器(7)上。

2、根据权利要求1所述的微小角位移的光波导测量装置，其特征是，光学旋转平台(1)由上下两层转盘(8)、(9)，支撑底座(10)和驱动接口(11)构成，支撑底座(10)支撑着上下两层转盘(8)、(9)，驱动接口(11)通过螺钉固定在支撑底座(10)的侧面，上下两层转盘(8)、(9)的旋转中心同轴，当电机通过驱动接口(11)驱动上转盘(8)匀速转动时，下转盘(9)相对与上转盘(8)以两倍角速度朝反方向旋转，光电探测器(7)固定在下转盘(9)的外圈上。

3、根据权利要求1所述的微小角位移的光波导测量装置，其特征是，机械振子结构(2)固定在光学旋转平台(1)的上转盘(8)的中心，机械振子结构(2)包括：外框架(12)、摆锤(13)、扭杆(14)、光学玻璃板(15)、沉积在光学玻璃板上的金属膜(16)、空气隙(17)、沉积在摆锤上的金属膜(18)，其连接关系为：摆捶(13)通过扭杆(14)同外框架(12)固定，金属膜(16)沉积在光学玻璃板(15)上，光学玻璃板(15)通过螺丝固定在外框架(12)的侧面，光学玻璃板(15)上的金属膜(16)面朝向摆捶(13)上的金属膜(18)，并且中间保持有空气隙(17)。

4、根据权利要求3所述的微小角位移的光波导测量装置，其特征是，其中摆锤(13)和光学玻璃板(15)上分别镀有金属膜，沉积在光学玻璃板(15)的抛光面上的金属膜(16)、空气隙(17)、沉积在摆锤(13)的抛光面上的金属膜(18)构成一个双面金属包覆波导。

5、一种微小角位移的光波导测量方法，其特征在于，激光器发射的激光入射到光学玻璃板，当满足耦合条件后，光进入机械振子结构中由沉积在光学玻璃板上的金属膜、空气隙、摆锤构成的双面金属包覆波导中，利用反射光随空气层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从光学玻璃板底面反射的光强随着光学玻璃板与机械振子结构中摆锤的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量摆锤相对光学玻璃板位置的改变，从而得到摆捶的角位移大小。

6.根据权利要求5所述的微小角位移的光波导测量方法，其特征是，以下对本发明方法作进一步的限制，方法步骤如下：

第一步：选用材料和参数，形成沉积在光学玻璃板上的金属膜—空气隙—摆锤的双层金属包覆波导结构，机械振子结构选用硬度较高的材料，将其加工成摆锤通过扭杆与外框架连接的结构，框架和摆锤之间通过线切割方式保持一连接扭杆，摆锤的厚度略小于外框架的厚度，然后将摆锤表面用光学研磨的方法抛光，将厚度为5mm～10mm的光学玻璃加工成同框架半径相同的圆形，并用光学研磨的方法对其表面进行抛光，在抛光后的摆锤和光学玻璃板上溅射镀膜，将镀膜后的玻璃板同摆锤结构组装起来，构成一个中间导波层为空气的厚度为0.1mm～1mm的机械振子结构的双面包覆金属波导；

第二步：将机械振子结构固定在光学旋转平台的上转盘，并使光学玻璃板的底面经过旋转平台的中心，将光电接受器固定在光学旋转平台的下转盘上，使激光器与光电探测器与光波导等高，并且它们关于光波导中间轴对称；

第三步：选择激光波长、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～890nm范围内选择，激光器输出的激光束以能激发波导导模模式角度入射到光学玻璃板上，入射角在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式旋转偏振片选择TE模或者TM模，通常选择横电波入射，同时调节狭缝使入射光束的光斑较小；

第四步：测量从光学玻璃板和金属膜界面反射激光的光强，根据反射光强的变化实时计算得到摆捶位置及角位移。

7.根据权利要求6所述的微小角位移的光波导测量方法，其特征是，步骤(1)中，金属膜选用金或银，光学玻璃表面金属膜的厚度为30～50nm，摆锤表面金属膜的厚度大于300nm。

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