專利名稱：一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及光學測量技術(shù)領域，特別是涉及一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的與此技術(shù)相接近的文獻有以下兩個[1]D. P. Hand, Τ. A. Carolan, J. S. Barton, and J. D. C. Jones. "Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry", Opt. Lett.，Vol. 18，No. 16，1993，P. 1361-1363. (Optics Letters (光學快報)，第 18 卷，第 16 期，P. 1361-1363)文獻[1]的技術(shù)原理如圖1所示。半導體激光器發(fā)出的光經(jīng)過法拉第隔離器和光纖3dB_耦合器后，到達測量頭，測量頭是一個菲索干涉儀，一部分光被光纖端面反射作為參考光，另一部分光經(jīng)過自聚焦透鏡聚焦后，投射到被測表面上，由被測表面反射重新回到系統(tǒng)中并與參考光發(fā)生干涉，干涉信號由探測器探測，干涉信號的相位決定于被測表面被測點的縱向高度；改變該激光器的驅(qū)動電流以改變激光器的發(fā)光頻率，用四種不同頻率的光對同一點進行測量，得到四個干涉信號，由于入射光波頻率不同，四個干涉信號的位相就不同，調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，使相鄰兩個干涉信號的相位差η /2，通過以下式子，即可解調(diào)出該點的光程差D，即完成單點的測量
4 肝 I1I -J3 JIn(η = 1,2,3,4)是第η次干涉信號的強度，c是光速，ν是入射光頻率。步進電機再帶動測量頭橫向掃描被測表面，即完成對被測表面的測量。[2]Dejiao Lin, Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion. "High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolutedisplacement measurement and on-line surface metrology，，，Optics Express, Vol. 12, Issue 23，2004，P. 5729-5734. (Optics Express (光學特快)，2004 年，第 12 卷，第 23 期，P. 5729-5734)文獻[2]的技術(shù)原理圖如圖2所示。此系統(tǒng)包含兩個光路幾乎重合的邁克爾遜干涉儀。一個邁克爾遜干涉儀是利用測量臂上的光纖光柵和參考鏡作為反射鏡構(gòu)成，用于完成穩(wěn)定工作；另一個邁克爾遜干涉儀是利用測量鏡和參考鏡作為反射鏡構(gòu)成，用于完成測量工作。因為兩個干涉儀的參考臂共用一個反射鏡，兩個干涉儀的參考臂光路完全重合，又由于兩個干涉儀的測量臂幾乎重合， 所以，一個干涉儀穩(wěn)定了，另一個干涉儀也就穩(wěn)定了。由半導體激光器發(fā)出波長為λ ^的光經(jīng)過兩個3dB_耦合器后被分為兩路，一路被光纖光柵反射，另一路被參考反射鏡反射。兩路反射光經(jīng)過3dB-耦合器后再次相遇并且發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)過環(huán)行器后，被另一個光纖光柵反射，再次經(jīng)過環(huán)行器，然后被探測器探測，此探測器探測到的信號經(jīng)過伺服電路處理后驅(qū)動壓電陶瓷管調(diào)節(jié)光纖干涉儀的參考臂的長度，使穩(wěn)定干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交狀態(tài)(相位差為η/2)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定該干涉儀的目的?？烧{(diào)諧激光器發(fā)出的波長入1]]可變的光經(jīng)過兩個光纖3dB_耦合器后被分為兩路， 一路經(jīng)過光纖自準直透鏡后再由測量鏡反射再次回到干涉儀中，另一路經(jīng)過光纖自準直透鏡后再由參考鏡反射再次回到干涉儀中，兩路光經(jīng)過3dB-耦合器后相遇，形成干涉信號， 此干涉信號經(jīng)過環(huán)行器及光纖光柵后，被探測器探測，再經(jīng)過相位分析即測量出測量鏡的位移。上述兩個現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足是1、測量量程受入射光波波長λ的限制，測量量程很小，僅為λ/2，不能對跨距大于λ/2的位移進行測量。2、不能進行絕對測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于波分復用技術(shù)，利用光纖光柵反射滿足布拉格條件的波長的光，使光纖干涉儀同時工作在低相干干涉和高相干干涉狀態(tài)。利用低相干干涉信號決定位移的幅值，使測量量程不受光波波長限制，并實現(xiàn)絕對測量；利用高相干干涉信號測量位移的值， 并利用反饋控制抑制環(huán)境干擾對光纖干涉儀的影響，實現(xiàn)高精度測量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)，由寬帶光源Si、光纖隔離器 GL、3dB-耦合器N、二個自準直鏡G3和G4、光纖光柵FBG、二個反射鏡Gl和G2、兩個探測器 PDl和PD2、環(huán)行器H、一維平移臺M、壓電陶瓷PZT、反饋控制電路B4、信號發(fā)生器B5、信號處理電路Bi、A/D轉(zhuǎn)換卡B2、計算機B3和結(jié)果輸出B6組成；寬帶光源Sl發(fā)出的光經(jīng)過光纖隔離器GL、3dB耦合器N后被分成兩路，這兩路光分別被自準直鏡G3和G4準直后，垂直入射到測量鏡Gl和參考鏡G2上，并由測量鏡Gl和參考鏡G2再次反射回系統(tǒng)，兩束反射光在3dB-耦合器N再次相遇，其中一路合光到達光纖隔離器GL，由于光纖隔離器GL的作用此光不會到達光源Si，因此不會對光源Sl產(chǎn)生影響；另一路合光經(jīng)過環(huán)形器H后到達光纖光柵FBG，合光中滿足此光纖光柵FBG布拉格條件的波長的光被光纖光柵反射，反射光再次經(jīng)過環(huán)形器H，由探測器PDl探測，探測器PDl探測到的是高相干干涉信號；透過光纖光柵FBG 的光由探測器PD2探測。當光纖干涉儀的光程差小于光源的相干長度時，探測器PD2探測到的是低相干干涉信號，當光纖干涉儀的光程差為零時，探測器PD2探測到的信號為最大； 信號發(fā)生器B5產(chǎn)生周期性鋸齒波，對位于光纖干涉儀的一個干涉臂中的一維平移臺M加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差，探測器PDl和PD2分別探測到在一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)的高相干干涉信號和低相干干涉信號。當位移變化時，探測器PD2探測到的低相干干涉信號峰值點的位置將成比例地移動，利用此峰值點的位置的移動范圍決定位移的幅值，利用探測器PDl探測到的高相干干涉信號在探測器PD2探測到的低相干干涉信號峰值點的位置的移動范圍內(nèi)的干涉條紋數(shù)決定位移的值；探測器PDl和PD2探測到的信號同時經(jīng)過信號處理電路Bi、A/D轉(zhuǎn)換卡B2、以及計算機B3中的程序作數(shù)據(jù)處理后，由結(jié)果輸出B6輸出測量結(jié)果；探測器PDl探測到的高相干干涉信號還同時輸入反饋控制電路B4，經(jīng)過反饋控制電路B4處理后，其輸出信號加在壓電陶瓷PZT上，驅(qū)動壓電陶瓷PZT調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差。進一步，作為一種優(yōu)先方案，利用光纖光柵FBG反射滿足布拉格條件的波長的光， 使光纖干涉儀同時工作于低相干干涉和高相干干涉狀態(tài)；用低相干干涉信號峰值點的位置的移動量決定被測位移的幅值，用高相干干涉信號測量位移的值。進一步，作為一種優(yōu)先方案，利用探測器PDl探測到的高相干干涉信號經(jīng)過反饋控制電路B4處理后驅(qū)動壓電陶瓷PZT調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差，從而抑制環(huán)境干擾對解調(diào)干涉儀的影響。本發(fā)明的有益效果主要有二個1、本發(fā)明利用低相干干涉信號決定位移的幅值，使測量量程不受光波波長的限制，并實現(xiàn)絕對測量；利用高相干干涉信號測量位移的值，實現(xiàn)高精度測量。2、本發(fā)明利用反饋控制抑制環(huán)境干擾對光纖干涉儀的影響，給高精度測量提供了保證。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)文獻[1]的原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)文獻[2]的原理圖；圖3是本發(fā)明原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖3和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述。如圖3所示，一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)，由寬帶光源Si、 光纖隔離器GL、3dB-耦合器N、二個自準直鏡G3和G4、光纖光柵FBG、二個反射鏡Gl和G2、 兩個探測器PDl和PD2、環(huán)行器H、一維平移臺M、壓電陶瓷PZT、反饋控制電路B4、信號發(fā)生器B5、信號處理電路Bi、A/D轉(zhuǎn)換卡B2、計算機B3和結(jié)果輸出B6組成。寬帶光源Sl發(fā)出的光經(jīng)過光纖隔離器GL、3dB_耦合器N后被分成兩路，這兩路光分別被自準直鏡G3和G4準直后，垂直入射到測量鏡Gl和參考鏡G2上，并由測量鏡Gl和參考鏡G2再次反射回系統(tǒng)，兩束反射光在3dB-耦合器N再次相遇，其中一路合光到達光纖隔離器GL，由于光纖隔離器GL的作用此光不會到達光源，因此不會對光源產(chǎn)生影響；另一路合光經(jīng)過環(huán)形器H后到達光纖光柵FBG，合光中滿足此光纖光柵布拉格條件的波長的光被光纖光柵FBG反射，反射光再次經(jīng)過環(huán)形器H，由探測器PDl探測。探測器PDl探測到的是高相干干涉信號，此信號可以表示為I1 = IicrHV1Cosk(X1I2) (1)式中，I10為干涉信號的直流分量，V1為干涉信號的可見度，k為光波波數(shù)，X1和& 分別是光纖干涉儀的兩個干涉臂的光程。透過光纖光柵的光由探測器PD2探測，當光纖干涉儀的光程差小于光源的相干長度時，探測器PD2探測到的是低相干干涉信號，此信號可表示為
12=120<式中，I20是直流分量，I22是標準化幅值，Lc是光源的相干長度，k是光波波數(shù)。由 (2)式可知，(X1-X2)的變化可同時引起條紋可見度及信號相位變化。當(X1-X2) =0時，信號I2將取極大值，即當光纖干涉儀的光程差為零時，探測器PD2探測到的信號為最大。從探測器PDl和PD2探測到的信號(1)式和( 式可知，系統(tǒng)中的光纖干涉儀同時工作在高相干干涉和低相干干涉狀態(tài)。當測量鏡Gl的位移發(fā)生變化時，探測器PDl探測到的高相干干涉信號將以余弦規(guī)律周期性地變化；探測器PD2探測到的低相干干涉信號峰值點的位置將成比例地移動。在探測器PD2探測到的信號峰值點的位置的移動范圍內(nèi)，對應的探測器PDl探測到的高相干干涉信號的干涉條紋數(shù)與測量鏡Gl的位移成正比。測量位移時，信號發(fā)生器B5產(chǎn)生周期性鋸齒波，對位于光纖干涉儀的一個干涉臂中的一維平移臺M加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差，探測器PDl和PD2分別探測到在一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)的高相干干涉信號和低相干干涉信號。當位移變化時，探測器PD2探測到的低相干干涉信號峰值點的位置將成比例地移動，利用此峰值點的位置的移動范圍決定位移的幅值，利用探測器PDl探測到的高相干干涉信號在探測器 PD2探測到的低相干干涉信號峰值點的位置的移動范圍內(nèi)的干涉條紋數(shù)決定位移的值。被測位移與探測器PDl的干涉條紋數(shù)滿足以下關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)，其特征在于它是由寬帶光源 (Si)、光纖隔離器(GL)、3dB-耦合器(N)、二個自準直鏡(G3，G4)、光纖光柵(FBG)、二個反射鏡(G1, G2)、兩個探測器(PDl, PD2)、環(huán)行器(H)、一維平移臺(M)、壓電陶瓷(PZT)、反饋控制電路(B4)、信號發(fā)生器(B5)、信號處理電路(B1)、A/D轉(zhuǎn)換卡(B2)、計算機(B!3)和結(jié)果輸出(B6)組成；寬帶光源(Si)發(fā)出的光經(jīng)過光纖隔離器(GL)、3dB-耦合器(N)后被分成兩路，這兩路光分別被自準直鏡(G3，G4)準直后，垂直入射到測量鏡(Gl)和參考鏡(G2) 上，并由測量鏡(Gl)和參考鏡(G2)再次反射回系統(tǒng)，兩束反射光在3dB-耦合器(N)再次相遇，其中一路合光到達光纖隔離器(GL)，由于光纖隔離器(GL)的作用此光不會到達光源 (Si)，因此不會對光源(Si)產(chǎn)生影響；另一路合光經(jīng)過環(huán)形器后到達光纖光柵(FBG)，合光中滿足此光纖光柵(FBG)布拉格條件的波長的光被光纖光柵(FBG)反射，反射光再次經(jīng)過環(huán)形器(H)，由探測器(PDl)探測，探測器(PDl)探測到的是高相干干涉信號；透過光纖光柵(FBG)的光由探測器(PD2)探測，二個自準直鏡(G3，G4)、二個反射鏡(G1，G2)構(gòu)成光纖干涉儀，當光纖干涉儀的光程差小于光源的相干長度時，探測器(PD》探測到的是低相干干涉信號，當光纖干涉儀的光程差為零時，探測器(PM)探測到的信號為最大；信號發(fā)生器 (B5)產(chǎn)生周期性鋸齒波，對位于光纖干涉儀的一個干涉臂中的一維平移臺(M)加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差，探測器(PD1，PD2)分別探測到在一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)的高相干干涉信號和低相干干涉信號，當位移變化時，探測器(PM)探測到的低相干干涉信號峰值點的位置將成比例地移動，利用此峰值點的位置的移動范圍決定位移的幅值，利用探測器(PDl)探測到的高相干干涉信號在探測器(PD2)探測到的低相干干涉信號峰值點的位置的移動范圍內(nèi)的干涉條紋數(shù)決定位移的值；探測器(PD1，PD》探測到的信號同時經(jīng)過信號處理電路(B1)、A/D轉(zhuǎn)換卡(B2)、以及計算機(B3)中的程序作數(shù)據(jù)處理后，由結(jié)果輸出(B6)輸出測量結(jié)果；探測器(PDl)探測到的高相干干涉信號還同時輸入反饋控制電路，經(jīng)過反饋控制電路處理后，其輸出信號加在壓電陶瓷(PZT)上，驅(qū)動壓電陶瓷(PZT)調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)，其特征在于利用光纖光柵(FBG)反射滿足布拉格條件的波長的光，使光纖干涉儀同時工作于高相干干涉和低相干干涉狀態(tài)；用低相干干涉信號峰值點的位置的移動量決定被測位移的幅值，用高相干干涉信號測量位移的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)，其特征在于利用探測器(PDl)探測到的高相干干涉信號經(jīng)過反饋控制電路(B4)處理后驅(qū)動壓電陶瓷(PZT)調(diào)節(jié)光纖干涉儀的光程差，從而抑制環(huán)境干擾對解調(diào)干涉儀的影響。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖復合干涉的高精度絕對位移測量系統(tǒng)，屬于光學測量技術(shù)領域。所述系統(tǒng)由寬帶光源、光纖隔離器、3dB-耦合器、二個自準直鏡、光纖光柵、二個反射鏡、兩個探測器、環(huán)行器、一維平移臺、壓電陶瓷、反饋控制電路、信號發(fā)生器、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換卡、計算機和結(jié)果輸出組成；本發(fā)明利用光纖光柵反射滿足布拉格條件的波長的光，使光纖干涉儀同時工作在低相干干涉和高相干干涉狀態(tài)，用低相干干涉信號決定被測位移的幅值，使測量量程不受光波波長的限制，并實現(xiàn)絕對測量；用高相干干涉信號測量位移的值，并用反饋控制抑制環(huán)境干擾對光纖干涉儀的影響，實現(xiàn)高精度測量。
文檔編號G01B11/02GK102564318SQ201110439810
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者劉義秦, 李昭瑩, 謝芳, 馬森 申請人:北京交通大學