本发明公开了一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统,属于光学测量技术领域。所述系统由宽带光源、光纤隔离器、3dB-耦合器、二个自准直镜、光纤光栅、二个反射镜、两个探测器、环行器、一维平移台、压电陶瓷、反馈控制电路、信号发生器、信号处理电路、A/D转换卡、计算机和结果输出组成;本发明利用光纤光栅反射满足布拉格条件的波长的光,使光纤干涉仪同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态,用低相干干涉信号决定被测位移的幅值,使测量量程不受光波波长的限制,并实现绝对测量;用高相干干涉信号测量位移的值,并用反馈控制抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响,实现高精度测量。
1.一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统,其特征在于:它是由宽带光源(S1)、光纤隔离器(GL)、3dB-耦合器(N)、第一自准直镜(G3)、第二自准直镜(G4)、光纤光栅(FBG)、测量镜(G1)、参考镜(G2)、第一探测器(PD1)、第二探测器(PD2)、环行器(H)、一维平移台(M)、压电陶瓷(PZT)、反馈控制电路(B4)、信号发生器(B5)、信号处理电路(B1)、A/D转换卡(B2)、计算机(B3)和结果输出模块(B6)组成;宽带光源(S1)发出的光经过光纤隔离器(GL)、3dB-耦合器(N)后被分成两路,这两路光分别被第一自准直镜(G3)和第二自准直镜(G4)准直后,分别垂直入射到测量镜(G1)和参考镜(G2)上,并分别由测量镜(G1)和参考镜(G2)再次反射回系统,两束反射光在3dB-耦合器(N)再次相遇,其中一路合光到达光纤隔离器(GL),由于光纤隔离器(GL)的作用此光不会到达宽带光源(S1),因此不会对宽带光源(S1)产生影响;另一路合光经过环形器(H)后到达光纤光栅(FBG),合光中满足此光纤光栅(FBG)布拉格条件的波长的光被光纤光栅(FBG)反射,反射光再次经过环形器(H),由第一探测器(PD1)探测,第一探测器(PD1)探测到的是高相干干涉信号;透过光纤光栅(FBG)的光由第二探测器(PD2)探测,第一自准直镜(G3)和第二自准直镜(G4)、以及测量镜(G1)和参考镜(G2)构成光纤干涉仪,当光纤干涉仪的光程差小于光源的相干长度时,第二探测器(PD2)探测到的是低相干干涉信号,当光纤干涉仪的光程差为零时,第二探测器(PD2)探测到的信号为最大;信号发生器(B5)产生周期性锯齿波电压,对位于光纤干涉仪的一个干涉臂中的一维平移台(M)加周期性的锯齿波电压,周期性地线性调节光纤干涉仪的光程差,第一探测器(PD1)和第二探测器(PD2)分别探测到在一个调节周期内的高相干干涉信号和低相干干涉信号,当位移变化时,第二探测器(PD2)探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动,利用此峰值点的位置的移动范围决定位移的幅值,利用第一探测器(PD1)探测到的高相干干涉信号在第二探测器(PD2)探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定位移的值;第一探测器(PD1)和第二探测器(PD2)探测到的信号同时经过信号处理电路(B1)、A/D转换卡(B2)、以及计算机(B3)中的程序作数据处理后,由结果输出模块(B6)输出测量结果;第一探测器(PD1)探测到的高相干干涉信号还同时输入反馈控制电路(B4),经过反馈控制电路(B4)处理后,其输出信号加在压电陶瓷(PZT)上,驱动压电陶瓷(PZT)调节光纤干涉仪的光程差。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统,其特征在于:利用光纤光栅(FBG)反射满足布拉格条件的波长的光,使光纤干涉仪同时工作于高相干干涉和低相干干涉状态;用低相干干涉信号峰值点的位置的移动量决定被测位移的幅值,用高相干干涉信号测量位移的值。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统,其特征在于:利用第一探测器(PD1)探测到的高相干干涉信号经过反馈控制电路(B4)处理后驱动压电陶瓷(PZT)调节光纤干涉仪的光程差,从而抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响。技术领域
本发明涉及光学测量技术领域,特别是涉及一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统。
背景技术
现有的与此技术相接近的文献有以下两个:[1]D.P.Hand,T.A.Carolan,J.S.Barton,andxa0J.D.C.Jones.“Profilexa0measurementofxa0opticallyxa0roughxa0surfacesxa0byxa0fiber-opticxa0interferometry”,Opt.Lett.,Vol.18,No.16,1993,P.1361-1363.(Opticsxa0Letters(光学快报),第18卷,第16期,P.1361-1363)文献[1]的技术原理如图1所示。半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB-耦合器后,到达测量头,测量头是一个菲索干涉仪,一部分光被光纤端面反射作为参考光,另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后,投射到被测表面上,由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉,干涉信号由探测器探测,干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度;改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率,用四种不同频率的光对同一点进行测量,得到四个干涉信号,由于入射光波频率不同,四个干涉信号的位相就不同,调节驱动电流,使相邻两个干涉信号的相位差π/2,通过以下式子,即可解调出该点的光程差D,即完成单点的测量: D = c 4 πν tan - 1 ( I 4 - I 2 I 1 - I 3 ) ]]> I_n(n=1,2,3,4)是第n次干涉信号的强度,c是光速,v是入射光频率。步进电机再带动测量头横向扫描被测表面,即完成对被测表面的测量。[2]Dejiaoxa0Lin,Xiangqianxa0Jiang,Fangxa0Xie,Weixa0Zhang,Linxa0Zhangxa0andxa0Ianxa0Bennion.“Highxa0stabilityxa0multiplexedxa0fibrexa0interferometerxa0andxa0itsxa0applicationxa0onxa0absolutedisplacementxa0measurementxa0andxa0on-linexa0surfacexa0metrology”,Opticsxa0Express,Vol.12,Issuexa023,2004,P.5729-5734.(Opticsxa0Express(光学特快),2004年,第12卷,第23期,P.5729-5734)文献[2]的技术原理图如图2所示。此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成,用于完成稳定工作;另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成,用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜,两个干涉仪的参考臂光路完全重合,又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合,所以,一个干涉仪稳定了,另一个干涉仪也就稳定了。由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路,一路被光纤光栅反射,另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉,干涉信号经过环行器后,被另一个光纤光栅反射,再次经过环行器,然后被探测器探测,此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度,使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2),从而实现稳定该干涉仪的目的。可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路,一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中,另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中,两路光经过3dB-耦合器后相遇,形成干涉信号,此干涉信号经过环行器及光纤光栅后,被探测器探测,再经过相位分析即测量出测量镜的位移。上述两个现有技术存在的问题和不足是:1、测量量程受入射光波波长λ的限制,测量量程很小,仅为λ/2,不能对跨距大于λ/2的位移进行测量。2、不能进行绝对测量。
发明内容
本发明基于波分复用技术,利用光纤光栅反射满足布拉格条件的波长的光,使光纤干涉仪同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态。利用低相干干涉信号决定位移的幅值,使测量量程不受光波波长限制,并实现绝对测量;利用高相干干涉信号测量位移的值,并利用反馈控制抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响,实现高精度测量。本发明是通过以下技术方案实现的。一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统,由宽带光源S1、光纤隔离器GL、3dB-耦合器N、第一自准直镜G3和第二自准直镜G4、光纤光栅FBG、测量镜G1和参考镜G2、第一探测器PD1和第二探测器PD2、环行器H、一维平移台M、压电陶瓷PZT、反馈控制电路B4、信号发生器B5、信号处理电路B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出模块B6组成;宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器GL、3dB-耦合器N后被分成两路,这两路光分别被第一自准直镜G3和第二自准直镜G4准直后,分别垂直入射到测量镜G1和参考镜G2上,并分别由测量镜G1和参考镜G2再次反射回系统,两束反射光在3dB-耦合器N再次相遇,其中一路合光到达光纤隔离器GL,由于光纤隔离器GL的作用此光不会到达宽带光源S1,因此不会对宽带光源S1产生影响;另一路合光经过环形器H后到达光纤光栅FBG,合光中满足此光纤光栅FBG布拉格条件的波长的光被光纤光栅反射,反射光再次经过环形器H,由第一探测器PD1探测,第一探测器PD1探测到的是高相干干涉信号;透过光纤光栅FBG的光由第二探测器PD2探测。当光纤干涉仪的光程差小于光源的相干长度时,第二探测器PD2探测到的是低相干干涉信号,当光纤干涉仪的光程差为零时,第二探测器PD2探测到的信号为最大;信号发生器B5产生周期性锯齿波电压,对位于光纤干涉仪的一个干涉臂中的一维平移台M加周期性的锯齿波电压,周期性地线性调节光纤干涉仪的光程差,第一探测器PD1和第二探测器PD2分别探测到在一个调节周期内的高相干干涉信号和低相干干涉信号。当位移变化时,第二探测器PD2探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动,利用此峰值点的位置的移动范围决定位移的幅值,利用第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号在第二探测器PD2探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定位移的值;第一探测器PD1和第二探测器PD2探测到的信号同时经过信号处理电路B1、A/D转换卡B2、以及计算机B3中的程序作数据处理后,由结果输出模块B6输出测量结果;第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号还同时输入反馈控制电路B4,经过反馈控制电路B4处理后,其输出信号加在压电陶瓷PZT上,驱动压电陶瓷PZT调节光纤干涉仪的光程差。进一步,作为一种优先方案,利用光纤光栅FBG反射满足布拉格条件的波长的光,使光纤干涉仪同时工作于低相干干涉和高相干干涉状态;用低相干干涉信号峰值点的位置的移动量决定被测位移的幅值,用高相干干涉信号测量位移的值。进一步,作为一种优先方案,利用第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号经过反馈控制电路B4处理后驱动压电陶瓷PZT调节光纤干涉仪的光程差,从而抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响。本发明的有益效果主要有二个:1、本发明利用低相干干涉信号决定位移的幅值,使测量量程不受光波波长的限制,并实现绝对测量;利用高相干干涉信号测量位移的值,实现高精度测量。2、本发明利用反馈控制抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响,给高精度测量提供了保证。
附图说明
图1是现有技术文献[1]的原理图;图2是现有技术文献[2]的原理图;图3是本发明原理图。
具体实施方式
下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。如图3所示,一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统,由宽带光源S1、光纤隔离器GL、3dB-耦合器N、第一自准直镜G3和第二自准直镜G4、光纤光栅FBG、测量镜G1和参考镜G2、第一探测器PD1和第二探测器PD2、环行器H、一维平移台M、压电陶瓷PZT、反馈控制电路B4、信号发生器B5、信号处理电路B1、A/D转换卡B2、计算机B3和结果输出模块B6组成。宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器GL、3dB-耦合器N后被分成两路,这两路光分别被第一自准直镜G3和第二自准直镜G4准直后,分别垂直入射到测量镜G1和参考镜G2上,并分别由测量镜G1和参考镜G2再次反射回系统,两束反射光在3dB-耦合器N再次相遇,其中一路合光到达光纤隔离器GL,由于光纤隔离器GL的作用此光不会到达宽带光源S1,因此不会对宽带光源S1产生影响;另一路合光经过环形器H后到达光纤光栅FBG,合光中满足此光纤光栅布拉格条件的波长的光被光纤光栅FBG反射,反射光再次经过环形器H,由第一探测器PD1探测。第一探测器PD1探测到的是高相干干涉信号,此信号可以表示为:I₁=I₁₀+V₁cosk(x₁-x₂)xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)式中,I₁₀为干涉信号的直流分量,V₁为干涉信号的可见度,k为光波波数,x₁和x₂分别是光纤干涉仪的两个干涉臂的光程。透过光纤光栅FBG的光由第二探测器PD2探测,当光纤干涉仪的光程差小于光源的相干长度时,第二探测器PD2探测到的是低相干干涉信号,此信号可表示为: I 2 = I 20 { 1 + I 22 exp [ - ( x 1 - x 2 L c ) 2 ] cos k ( x 1 - x 2 ) } - - - ( 2 ) ]]> 式中,I₂₀是直流分量,I₂₂是标准化幅值,L_c是光源的相干长度,k是光波波数。由(2)式可知,(x₁-x₂)的变化可同时引起条纹可见度及信号相位变化。当(x₁-x₂)=0时,信号I₂将取极大值,即当光纤干涉仪的光程差为零时,第二探测器PD2探测到的信号为最大。从第一探测器PD1和第二探测器PD2探测到的信号(1)式和(2)式可知,系统中的光纤干涉仪同时工作在高相干干涉和低相干干涉状态。当测量镜G1的位移发生变化时,第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号将以余弦规律周期性地变化;第二探测器PD2探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动。在第二探测器PD2探测到的信号峰值点的位置的移动范围内,对应的第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号的干涉条纹数与测量镜G1的位移成正比。测量位移时,信号发生器B5产生周期性锯齿波电压,对位于光纤干涉仪的一个干涉臂中的一维平移台M加周期性的锯齿波电压,周期性地线性调节光纤干涉仪的光程差,第一探测器PD1和第二探测器PD2分别探测到在一个调节周期内的高相干干涉信号和低相干干涉信号。当位移变化时,第二探测器PD2探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动,利用此峰值点的位置的移动范围决定位移的幅值,利用第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号在第二探测器PD2探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定位移的值。被测位移与第一探测器PD1的干涉条纹数满足以下关系: Δd = λ Bragg 2 n - - - ( 3 ) ]]> 式中,Δd为测量镜的位移,λ_Bragg为光纤光栅FBG反射的布拉格波长,n为在低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内高相干干涉信号的干涉条纹数。第一探测器PD1和第二探测器PD2探测到的信号同时经过信号处理电路B1、A/D转换卡B2、以及计算机B3中的程序作数据处理后,由结果输出模块B6输出测量结果。第一探测器PD1探测到的高相干干涉信号还同时输入至反馈控制电路B4,经过反馈控制电路B4处理后,其输出信号加在压电陶瓷PZT上,驱动压电陶瓷PZT调节光纤干涉仪的光程差,在测量镜G1、参考镜G2、以及一维平移台M处于静止状态时,使光纤干涉仪始终处于正交状态(相位差始终为π/2),从而抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响。由于反馈控制电路B4的工作频率为0~2Hz,能够抑制频率为0~2Hz的环境干扰。在一维平移台M线性调节光纤干涉仪的光程差的一个调节周期内,第一探测器PD1和第二探测器PD2探测到的高相干干涉信号和低相干干涉信号的周期均远大于2Hz,所以反馈控制电路对于用于测量的高相干干涉信号和低相干干涉信号没有影响。为了举例说明本发明的实现,描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改,对本领域技术人员是显而易见的,在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。