CN1019145B

CN1019145B - 多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪

Info

Publication number: CN1019145B
Application number: CN 90110041
Authority: CN
Inventors: 田芊; 郑刚; 李达成; 梁晋文
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1990-12-29
Filing date: 1990-12-29
Publication date: 1992-11-18
Also published as: CN1052369A

Abstract

一种多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪，属于对位移量的精密测量。本发明采用同一光源的光引入光纤网络回路中形成多个光纤干涉仪，经频域滤波分别同时进行检测各个干涉信号。本发明适用于多点(维)远距离同时检测，每一路的测量范围不小于1mm，测量精度不低于0.05μm，并适用于表面粗糙度具有3以上光洁度的物体的测量，具有灵敏度高，抗电磁干扰，非接触式测量等优点，本发明测头体积小、结构紧凑、成本较低，具有广阔的应用领域。

Description

本发明属于机械精密测量的技术领域，特别是属于位移量的精密测量，以及对能够直接或间接地转化为位移量的其它机械量和物理量的测量。

目前在机械量精密测量的技术领域中，利用激光调频、光纤传感技术对位移量进行非接触式测量正开始进入实际应用领域。例如本申请人于88年11月3日向专利局递交的发明专利申请《非接触式激光调频光纤位移测量仪》（申请号88107425）就是其中的一种实用化的位移测量仪。该测量仪由半导体激光器[1]、激光调频电源[2]、耦合透镜[3]、光纤[4]、定向耦合器[5]、光纤测头[6]、光电检测器[10]等部件构成一种外差干涉光纤位移测量仪，如图1所示。其测量原理是：由激光调频电源使半导体激光器发出的一束调频的激光经耦合透镜进入光纤[4]，再由光纤定向耦合器分成探测光[8]和解调参考光[9]，分别由两路光纤[8]、[9]传导，探测光从光纤测头端面射出，出射光射到被测物[7]上被反射回测头，它与原探测光在测头端面产生的部分反射光之间有一个被测距离为l的光程差（或有一相对时延τ），这两束反射光相互干涉形成拍频信号，拍频信号频谱为一个受Sinc函数调制的δ函数序列的各次谐波，δ函数序列的周期为原激光调制频率ωs，拍频的位置位于Sinc函数的最大值处。在进行位移测量时，当光程差有微小变化量△τ，引起的拍频频率ωb变化不大，但这时拍频信号各次谐波的位相变化却很大。这一拍频信号由光电探测器接收，解调参考光由另一个光电探测器接收去消除拍频信号中的外差频率调制，然后利用相位比较测出位相变化，从而得到位移量。

采用这种激光光纤测量技术具有测量精度高、量程范围大、抗干扰力强等优点。但这种测量仪只限于对被测物某部位的单点测量或监控，而在工业、国防、航天等许多领域中，越来越需要能够对被测物几个部分同时测量或对某部分多点同时进行监测。为满足多点同时检测的需要，往往需要多个相同的测量仪，这会增加仪器成本，占据较大空间，而且还会给使用带来不便。

为克服上述测量仪的不足之处，本发明提出一种多路复用光纤位移测量仪，可以对被测物多点同时进行位移测量。

本发明提出一种多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪，由半导体激光器[1]、激光调频电源[2]、耦合透镜[3]、光纤[4]和光纤定向耦合器[5]、光纤测头[6]、光电检测器[10]及信号检测***等部件所组成，其特征在于由耦合透镜、光纤及定向耦合器构成的光纤网络回路，组成多个共光源光纤外差干涉仪，即由半导体激光器发出的频率被调制的激光经耦合透镜进入光纤，该光纤另一端与一定向耦合器相连，所说激光束经定向耦合器分成多束激光由多路光纤分别导出，每路光纤输出端装有测头，该路光束的一部分由测头出射到被测物点，反射后经测头进入光纤作为探测光，该光束的另一部分经测头端面直接反射返回光纤作为参考光，所说探测光与参考光是共光路的，它们相互干涉后由光电检测器接收，构成一个光纤外差干涉仪。同样各路光纤构成多个光纤外差干涉仪，如图2所示。

由本发明采用的调频外差干涉原理可知，外差拍频信号频率随延时时间τ增加而增大，在原有技术中是单路测量，即只有一路信号确定一定的延时时间τ，通常使这一信号拍频频率ωb为一次谐波（ωb＝ωs）。而在本发明多路复用测量中有多路信号，比如两路信号，设置第一路信号拍频频率ωb₁＝ωs，设置第二路信号的延时时间τ₂比第一路信号的τ₁大一定数量，使得两路信号的拍频频率之差△ωb（△ωb＝ωb₂-ωb₁）大于ωs，（可取ωb2＝nωs，n＝1，2…），这样两路信号的拍频值不同。依此类推，可以有三路、四路…等拍频值各不相同的多路信号。当这些信号由同一个光电探测器接收后，再分别通过中心频率不同的带通滤波器后，即可输出各路测量信号。

上述光纤网络回路可由多个2×2光纤定向耦合器组合而成，也可由多端双向输出光纤耦合器组成。由此光纤网络回路组成的多个光纤外差干涉仪所引出的多路光纤输出端的测头端面与所测点的距离可按不同的予定距离设置，或者在多路光纤输出端与光纤测头中间设置部分反射（透射）表面，使各路该表面与所测量点的距离为不同的予定距离（此时，可使各路光纤测头与被测点的距离相等），从而使每路测点的拍频信号互不相同，这些拍频信号可分别由各路一个光电探测器接收，也可汇合一起由同一个光电探测器接收，再通过频域滤波取出各路信号进行位相量测，这是本发明的一种采用分频的多路复用的方案。如果上述方案中光纤测头端面与所测点之间设置的予定距离相同，即形成的拍频信号相同，再分别由各路一个光电探测器接收，这是本发明的另一种采用分幅的多路复用的方案。本发明也可将已有技术中光纤定向耦合器分出的解调参考光省略。节省一路光纤和一个光电探测器，而解调信号可由激光调制电源得到。本发明还可将上述两种方案结合起来应用组成分幅与分频结合的多路复用的方案，即将激光光源的光输入第一级光纤网络回路被分成多路光束，再分别引入第二级光纤网络回路形成频域分频的多路光纤干涉仪，这样可以避免分频多路复用中，分频太多引起的各次拍频信号之间的串话影响，以及分幅多路复用中光电探测器太多的缺点。

本发明的这种位移测量仪适用于多点（维）远距离同时检测，每一路的测量特性相同，具有灵敏度高，非接触式测量，可用于较粗糙的表面物体进行检测，抗电磁干扰，测头体积小，整个测量仪器结构紧凑等诸多优点。本发明的这种位移测量仪不但能直接用于测量位移量，而且也可用于测量能够直接或间接转化为位移的其它机械量和物理量，比如：由于压力引起薄膜的形变位移，从而可以测量压力;利用物质的热涨冷缩效应，从而可以测量温度;利用某些物质的磁致伸缩效应，导致材料长度变化，从而可以测量磁场;利用某些晶体的压电效应引起晶体的光程变化，从而可以测量电压等等，即在上述各种测量应用领域中只要将本发明的光纤测头再与对上述各种机械量、物理量敏感的材料和部件相连，即可实现对不同量的测量。因此本发明具有、广阔的应用领域。

附图简要说明：

图1为已有的单路测头的激光调频光纤位移测量仪示意图

图2为本发明提供的多路复用激光调频光纤位移测量仪示意图

图3为本发明一种实施例总体结构示意图

其中：[1]半导体激光器 [2]激光调频电源 [3]耦合透镜 [4]光纤 [5]光纤定向耦合器 [6]光纤测头 [7]被测物 [8]探测光 [9]解调参考光 [10]光电探测器 [11]光纤网络回路 [12]、[13]光纤定向耦合器 [14]温控*** [15]除法器 [16]带通滤波器 [17]相位检测器 [18]记数显示器

本发明的一种最佳实施例为分频与分幅结合的四路复用光纤位移测量仪，总体结构如图3所示，结合附图详细叙述如下：本测量仪由半导体激光器[1]、激光调制电源[2]、耦合透镜[3]、光纤[4]、光纤定向耦合器[5，12，13]、光纤探头[6]、光电探测器[10]以及信号检测单元等部分所组成。激光调制电源[2]提供半导体激光器[1]偏置电流并使该激光器发出一束迭加有一锯齿波调制信号的激光光束。该光束经耦合透镜[3]进入一光纤[4]，该光纤与第一个光纤定向耦合器[5]相连，使光束分成两束光后分别由二路光纤导出，其中第一路光纤再与第二个光纤定向耦合器[12]相连，使该路光束又分为第一、第二束探测光分别由二根装有测头的光纤导出，并分别射入两个被测物点[7]上，再由被测物点反射回测头进入光纤内，每束被测物点的反射光与从测头端面产生的部分反射光有一个等于被测距离1的光程差（或有一相对时延τ），形成干涉，两路干涉光再经过第二个光纤定向耦合器[12]由第一光电探测器[10]接收。同样由第一光纤定向耦合器导出的第二路光束，经光纤进入第三光纤定向耦合器[13]后分为第三、第四探测光束，同样，这第三、四光束由被测物反射回的光与该测头直接反射回的部分反射光形成干涉，并一同经第三定向耦合器[13]由第二光电探测器[10′]接收。本测量仪的信号检测单元由两组除法器[15][15′]、四组带通滤波器[16a][16b][16′a][16′b]，位相检测器[17a][17b][17′a][17′b]，记数显示器[18a][18b][18′a][18′b]等组成。在使用该仪器时，首先将第一与第二探测光的测头与被测物点的设置成不同的距离，即有不同的时延，使得第一路拍频频率为ωs，第二路为4ωs，同样第三、第四探测头测头与被测物点也设置成如上不同距离，这样第一与第二光电探测器分别接收到二束具有不同光程差（l₁、l₂）的干涉光，因此产生不同的外差干涉的拍频信号，此外差拍频信号与激光调制电源输出的参考解调信号一起送入除法器处理后，可消除原外差调制，再经带通滤波器后得到拍频频率ωb为nw

（n＝1，2…k），位相变化为w_oτ的拍频信号ω_o为激光频率，I（t）＝A cos（nw t+w_oτ）。再利用位相检测器比较测出位相w_oτ的变化，从而测得位移量。从位相检测器输出的信号可输入记数显示器显示出测量结果。该测量仪还可通过计算机接口输入到计算机中进行数据实时处理。

为保证半导体激光器的光波频率稳定，本实施例还可采用温控***[14]。该温控***由半导体致冷器、热敏元件和控温电路组成。本实施例激光调制电源采用锯齿波调制，具有解制方法简便、调制线性范围大等优点，但也可采用正弦波调制。位相检测可采用条纹记数或相位比较方法，本实施例采用相位比较可大大提高测量精度。本实施例的光纤测头采用自聚焦透镜，其参数可根据被测工件的特点而定。本实用新型半导体激光器功率为5mw以上。

本实施例各路探测光的测量范围均大于1mm，测量精度优于0.05μm，并可对表面粗糙度具有

3以上光洁度的物体进行位移测量。

Claims

1、多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪，由半导体激光器、激光调频电源、耦合透镜、光纤和光纤定向耦合器、光纤测头、光电检测器及信号检测***等部件所组成，其特征在于由所说的耦合透镜、光纤及定向耦合器构成的光纤网络回路组成多个共光源光纤外差干涉仪，即由所说的半导体激光发出的频率被调制的激光经所说的耦合透镜进入光纤，该光纤另一端与所说的定向耦合器相连，所说的激光束经该定向耦合器分成多束激光，由多路光纤分别导出，每路光纤输出端装有所说的测头，该测头端面为部分反射面，该路光束的一部分由该测头出射到被测物点，反射后经该测头进入光纤作为探测光，该光束的另一部分经测头端面直接反射回光纤作为参考光，所说探测光与参考光共光路，它们相互干涉后由所说的光电检测器接收，构成一个光纤外差干涉仪，同样所说的各路光构成多个光纤外差干涉仪，所说的多路光纤输出端的测头端面与所测点的距离按不同的预定距离设置，从而使每路测点的拍频信号互不相同，由同一个光电检测器接收，构成分频的多路复用。

2、多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪，由半导体激光器、激光调频电源、耦合透镜、光纤和光纤定向耦合器、光纤测头、光电检测器及信号检测***等部件所组成，其特征在于由所说的耦合透镜、光纤及定向耦合器构成的光纤网络回路组成多个共光源光纤外差干涉仪，即由所说的半导体激光发出的频率被调制的激光经所说的耦合透镜进入光纤，该光纤另一端与所说的定向耦合器相连，所说的激光束经该定向耦合器分成多束激光，由多路光纤分别导出，每路光纤输出端装有所说的测头，该测头端面为全透射面，光纤输出端与测头中间设置部分反射表面，该路光束的一部分由该测头出射到被测物点，反射后经测头进入光纤作为探测光，该光束的另一部分经所说的部分反射表面直接返回光纤作为参考光，所说的探测光与参考光共光路，它们相互干涉后由所说的光电检测器接收，构成一个光纤外差干涉仪，所说的各路光纤输出端中的部分反射表面与所测量的距离为不同的预定距离，从而使每路测点的拍频信号互不相同，由同一个光电探测器接收，构成分频的多路复用。

3、多路复用激光调频外差干涉光纤位移测仪，由半导体激光器、激光调频电源、耦合透镜、光纤和光纤定向耦合器、光纤测头、光电检测器及信号检测***等部件所组成，其特征在于由所说的耦合透镜、光纤及定向耦合器构成第一级光纤网路回路，所说的激光光源的光输入到所说的第一级光纤网路回路，被分成多路光束，每一路光束输入到由光纤、定向耦合器构成的第二级光纤网络回路，组成多个分幅分频组合复用光纤外差干涉仪。

4、如权利要求3所述的位移测量仪，其特征在于所说的激光调制电源提供半导体激光器偏置电流并使该激光器发出一束迭加有一锯齿波调制信号的激光光束，该光束经耦合透镜进入一光纤，该光纤与第一个光纤定向耦合器相连，使光束分成两束光后分别由两路光纤导出，由此构成所说的第一级光纤网络回路，其中第一路光纤再与第二个光纤定向耦合器相连，使该路光束又分为第一、第二束探测光分别由两根装有测头的光纤导出，同样由第一个光纤定向耦合器导出的第二路光束，经光纤进入第三光纤定向耦合器后分为第三、第四探测光束，由此构成所说的第二级光纤网络回路，所说的第一、第二束探测光，分别射入两个被测物点上，再由被测物点反射回测头进入光纤内，每束被测物点的反射光与从测头端面产生的部分反射光有一个等于被测距离l的光程差，形成干涉，两路干涉光再经过第二个光纤定向耦合器由第一光电探测器接收，同样，这第三、四光束由被测物反射回的光与该测头直接反射回的部分反射光形成干涉，并一同经第三定向耦合器由第二光电探测器接收。