CN105806231B - 一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪。本发明由宽谱光源1、光纤耦合器、光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器、光纤准直器、扫描位移台控制的反射镜6、具有长度固定的标定光纤段8、信号处理单元11以及连接光纤组成。本发明通过比较固定的光纤段与这两组条纹的间距长度之比，就能得到待测物体精确的光程厚度，该厚度等于折射率与物理厚度的乘积。此时若知道物体的折射率，则可以精确获得物体的物理厚度。

Description

一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及的是一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪。

背景技术

随着科学技术和生产水平的飞速发展，人们对产品质量的要求也日益提高。在一些对产品精度要求高的工程技术领域，如光学镜头加工，航空航天材料加工等，都需要对产品或产品表层厚度进行严格的控制。所以，非接触高精度测厚仪具有十分重要的应用需求。

目前常用测厚的主要方法有机械法、电容法、超声波法、射线法、涡流法、磁法、光学法等。不同测试方法的特点使它们能在不同测试场合下发挥作用。

机械式测厚仪历史悠久，它的精度主要取决于位移传感器，一般情况下是接触式测量。已公开的专利如透镜测厚仪[中国专利申请号：200710201329.4]，其主要优点是操作简单，成本较低，测量范围大；缺点是精度低，对被测物有一定损伤，不易实现动态测量。

磁式测厚仪主要应用于基体和被测物的导磁性相差较大情况下的厚度测量，如在铁磁性基体上的非磁性涂层，涂层厚度的变化将引起整个磁路磁阻的变化，使电磁线圈产生的感应电势发生变化。已公开的专利如手柄式涂层测厚仪[中国专利申请号：201210118794.2]，其主要优点是灵敏度高，测量范围广，仪器轻便，操作简单等；缺点是易受环境因素干扰，应用条件苛刻等。

电容式测厚仪可测量非金属物体的厚度。主要优点是测量速度快，操作方便，在一定条件下可适用于多种被测物；缺点是接触式测量，易受外电磁场干扰，并且要求被测物表面平整等。

射线法是一种传统方法，因放射线能量稳定，这种测厚仪基本上可以作为绝对厚度测量的仪器。已公开的专利如无损探伤测厚仪[中国专利申请号：200910026959.1]，其主要优点是反应速度快，能精确和连续测量，非接触式测量，对被测物无机械性损伤；缺点是由于安全因素，测厚仪整体十分笨重，机械安装精度要求非常高，对环境因素非常敏感，标定复杂，存在重复标定问题，造价昂贵，对人体有害等。

光纤白光干涉测量技术在近年来已得到广泛应用，其主要优点有：非接触，测量精度高，抗干扰能力强，结构简单，造价低廉，操作方便等。采用光纤白光干涉原理制成测厚仪，对于透明薄物体厚度的测量有着明显的优势。已公开的专利如白光干涉透镜中心厚度测量***及方法[中国专利申请号：201410390204.0]即为一种应用光纤白光测量技术的测厚仪，但其结构较复杂，由于其***中多处采用机械位移结构控制反射镜，容易引入***误差，若想取得较好的测量结果，则对***搭建和运行的精密程度要求非常严格，使***的建立和维护成本很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作方便、测量精度高的基于光纤白光干涉原理的测厚仪。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪，由宽谱光源1、光纤耦合器、光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器、光纤准直器、扫描位移台控制的反射镜6、具有长度固定的标定光纤段8、信号处理单元11以及连接光纤组成，该装置采用了光程平衡式干涉仪结构，该平衡式干涉仪结构中，来自宽谱光源1发出的光从2×2光纤耦合器2的a端口入射后，被分为两束，分别从光纤耦合器2的b端口和c端口出射；***中与b端口相连的部分光路为干涉仪的参考臂，其中包括光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器4、光纤准直器5、由扫描位移台控制的反射镜6；与c端口相连的部分光路为干涉仪的测量臂，其中包括三端口光纤环行器7、由扫描位移台控制的反射镜6、具有长度固定的标定光纤段8、光纤准直器9，参考臂中的参考光信号最终进入光纤耦合器10的j端口，测量臂中的测量光信号则进入光纤耦合器10的k端口；所以光纤耦合器10的l和m端口输出的均为参考光与测量光的干涉信号，二者通过信号处理单元11的解调后即可得到待测物的精确厚度信息。

所述参考臂的光程调节装置是由光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器4、光纤准直器5、由扫描位移台控制的反射镜6构成；光信号由三端口光纤环行器4的d端口进入后首先由e端口输出到光纤准直器5，光纤准直器5与扫描位移台控制的反射镜6经过精密调节，使得由光纤准直器5出射的大部分光信号经反射镜反射后都能再次通过光纤准直器5回到光纤中；返回的光信号进入三端口光纤环行器4的e端口后由f端口输出后被送到耦合器10，形成干涉信号；通过调节扫描位移台改变反射镜6的位置，即可改变光信号在参考臂中经历的总光程。

所述的测量臂中的单位尺度的标定刻度，在放置被测物之前的光纤段中，预置一单位长度的一段光纤，在此段的两端具有反射结构，该单位长度段两端面将产生反射光信号，并被***检测出来，表现为两个固有间距的干涉信号，用于与待测物体的厚度进行对比。

所述的测厚装置参考臂的光程可调，以匹配测量臂中所需反射光信号所历经的光程；由于在测量臂中预制了固定长度的标定装置，使得该测厚仪在使用过程中毋须进行另外的标定过程，长度比较过程通过嵌入在信号处理单元仅中的软件程序，通过所采集到的四个反射光信号即可自动完成待测物厚度的精确测量。

本发明的有益效果在于：

本发明通过比较固定的光纤段与这两组条纹的间距长度之比，就能得到待测物体精确的光程厚度，该厚度等于折射率与物理厚度的乘积。此时若知道物体的折射率，则可以精确获得物体的物理厚度。

附图说明

图1是基于光纤白光干涉原理的透明材料精确测厚仪的结构框图。

图2是具有在线自动标定功能的匹配长度光纤段8与光纤准直器9相连尾端与待测物示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种基于光纤白光干涉传感原理的测厚仪。它由宽谱光源1、光纤耦合器2和10、光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器4和7、光纤准直器5和9、扫描位移台控制的反射镜6、具有长度固定的标定光纤段8、信号处理单元11以及必要的连接光纤组成。本发明可用于透明薄物体或物体表层厚度的非接触精确测量。本发明结构简单，成本较低，测量速度快、精度高。可广泛用于工业生产中的产品测量领域。

如图1所示，该光纤白光干涉式测厚仪由宽谱光源1、光纤耦合器2和10、光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器4和7、光纤准直器5和9、由扫描位移台控制的反射镜6、具有长度固定的标定光纤段8、信号处理单元11以及必要的连接光纤组成。

该测厚装置采用了光程平衡式干涉仪结构。该平衡式干涉仪结构中，来自宽谱光源1发出的光从2×2光纤耦合器2的a端口入射后，被分为两束，分别从光纤耦合器2的b端口和c端口出射。***中与b端口相连的部分光路(其中包括光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器4、光纤准直器5、由扫描位移台控制的反射镜6等器件)称为干涉仪的参考臂；与c端口相连的部分光路(其中包括三端口光纤环行器7、由扫描位移台控制的反射镜6、具有长度固定的标定光纤段8、光纤准直器9等器件)称为干涉仪的测量臂。参考臂中的参考光信号最终进入光纤耦合器10的j端口，测量臂中的测量光信号则进入光纤耦合器10的k端口。所以光纤耦合器10的l和m端口输出的均为参考光与测量光的干涉信号，二者通过信号处理单元11的解调后即可得到待测物的精确厚度信息。

在参考臂中，光信号首先通过光纤功率衰减器3，之后从d端口进入三端口光纤环行器4，然后由三端口光纤环行器4的e端口进入光纤准直器5。扫描位移台控制的反射镜6经过精密调节，使之能将从光纤准直器5出射的大部分光反射回光纤准直器5中。再次回到光纤准直器5中的光信号随后进入三端口光纤环行器4的e端口并从f端口输出。由于反射镜6与光纤准直器5的相对位置可由扫描位移台控制，所以参考臂中的参考光信号所经历的总光程扫描位移台调节。光程可以改变的范围也就是位移台扫描过程中光纤准直器5与反射镜6的间距的二倍(由于光线在二者之间往返一次)。

在测量臂中，光信号首先从g端口进入三端口光纤环行器7，然后由三端口光纤环行器7的h端口出射，由于具有标定刻度的匹配长度光纤段8中的特殊处理，在事先制作的两个刻度处将有部分光信号被反射，其余光束通过光纤准直器9射入被测物，在被测物的前后端面也将分别产生反射光信号，它们大部分通过光纤准直器9回到***光路中。所有的反射光信号都将进入三端口光纤环行器7h端口并从i端口输出。

测量臂中的测量光信号由光纤段8中两个刻度的反射光信号和被测物前后断面的反射光信号四种不同成分，它们在测量臂中所经历的总光程各不相同。在参考臂中位移台扫描的过程中，当位移台的位置正好使得参考光信号所经历的总光程正好等于测量臂中四种成分中的某一种所经历的总光程时，称为二者光程相匹配，根据白光干涉原理，参考光信号与测量光信号干涉的信号将达到一个极大值，即出现干涉峰。

在参考臂中位移台的一个扫描周期内，参考光信号经历的总光程将与测量光信号中的四种成分依次匹配。所以在信号处理单元，将会记录下扫描位移台在四个不同位置时产生的干涉峰。由于前两个干涉峰是由光纤段8中事先制作的两个刻度的反射信号产生，而这两个刻度间的实际间距是已知的，又因为扫描位移台改变参考臂总光程的过程均匀连续。故可以通过由被测物前后断面反射产生的后两个干涉峰的间距与前两个干涉峰的间距的比值，计算出被测物的实际厚度。

根据白光干涉原理，两光信号的强度越接近，则它们产生干涉时的干涉条纹可见度越大。所以，通过调节参考臂中光纤功率衰减器3来控制参考光信号的光强，可以改善***性能。

本***的信号处理单元11可以仅提取光纤耦合器10的l和m端口中的一路干涉光信号进行解调。通过上述分析，只需记录下位移台扫描过程中干涉光信号四次达到极值的位置，再通过已知的标定长度，即可计算出被测物的厚度。此种方法的前提是位移台在扫描过程中对参考臂中总光程的改变均匀连续。信号处理单元11也可在采集每一时刻的干涉光强度的同时采集该时刻位移台所处位置信息，以此避免位移台扫描时的不均匀导致的误差。通过比较固定的光纤段8与这两组条纹的间距长度之比，就能得到待测物体精确的光程厚度，该厚度等于折射率与物理厚度的乘积。此时若知道物体的折射率，则可以精确获得物体的物理厚度。

如图1所示基于光纤白光干涉原理的透明材料精确测厚仪，是由宽谱光源1、光纤耦合器2和10、光纤功率衰减器3、三端口光纤环行器4和7、光纤准直器5和9、由扫描位移台控制的反射镜6、具有标定刻度的匹配长度光纤段8、信号处理单元11以及必要的连接光纤组成的。

***工作时，首先通过相应的调节，使待测物此次进行测厚的部位对准且尽量垂直于光纤准直器9。位置对准后，扫描位移台控制的反射镜6与光纤准直器5之间的距离由近到远逐渐变化。在此期间，信号处理单元11进行实时的数据采集。

当扫描位移台控制的反射镜6与光纤准直器5之间的距离达到最大后，位移台停止运动，信号处理单元11将采集到的数据进行处理，从而得到待测物该位置处的实际厚度信息。

一种简单的信号处理单元11的实现方式是只采集位移台运动过程中的光纤耦合器10的l和m端口中的一个的输出信号强度的实时数据。在位移台的一次扫描过程中，该数据将有四个极大值，对应测量臂中预先设置的两个刻度的反射信号和待测物前后端面反射信号分别与参考光信号所经历的光程相匹配的四个时刻。由于位移台扫描过程中，在产生这四个干涉峰的时间段内，对参考臂总光程的改变可以认为是均匀的和连续的。所以后两个干涉峰间距与前两个干涉峰间距的比值，即为待测物测试位置处厚度对应的光程与光纤中两刻度间光程的比值。代入相应参数即可计算出待测物该处的厚度。

在***使用过程中，可根据测量光信号的强度不同来调节光纤功率衰减器3，是参考光信号的强度与之接近相等，以此提高***的性能。如图2所示，测量臂中的光将在光纤段8中的两个预制刻度处和待测物的上下端面分别产生较强的反射光信号，这些光信号将被信号处理单元提取，从而计算出待测物的精确厚度。

Claims (3)

1.一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪，由宽谱光源(1)、光纤耦合器、光纤功率衰减器(3)、三端口光纤环行器、光纤准直器、扫描位移台控制的反射镜(6)、具有长度固定的标定光纤段(8)、信号处理单元(11)以及连接光纤组成，其特征在于：该装置采用了光程平衡式干涉仪结构，该平衡式干涉仪结构中，来自宽谱光源(1)发出的光从2×2光纤耦合器(2)的a端口入射后，被分为两束，分别从光纤耦合器(2)的b端口和c端口出射；***中与b端口相连的部分光路为干涉仪的参考臂，其中包括光纤功率衰减器(3)、三端口光纤环行器(4)、光纤准直器(5)、由扫描位移台控制的反射镜(6)；与c端口相连的部分光路为干涉仪的测量臂，其中包括三端口光纤环行器(7)、具有长度固定的标定光纤段(8)、光纤准直器(9)，参考臂中的参考光信号最终进入光纤耦合器(10)的j端口，测量臂中的测量光信号则进入光纤耦合器(10)的k端口；所以光纤耦合器(10)的l和m端口输出的均为参考光与测量光的干涉信号，二者通过信号处理单元(11)的解调后即可得到待测物的精确厚度信息；所述的测量臂中具有长度固定的标定光纤段，在放置被测物之前的光纤段中，预置一单位长度的一段光纤，在此段的两端具有反射结构，该单位长度段两端面将产生反射光信号，并被***检测出来，表现为两个固有间距的干涉信号，用于与待测物体的厚度进行对比；由于长度固定的标定光纤段(8)中的特殊处理，在事先制作的两个刻度处将有部分光信号被反射，其余光束通过光纤准直器(9)射入被测物。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪，其特征在于：所述参考臂的光程调节装置是由光纤功率衰减器(3)、三端口光纤环行器(4)、光纤准直器(5)、由扫描位移台控制的反射镜(6)构成；光信号由三端口光纤环行器(4)的d端口进入后首先由e端口输出到光纤准直器(5)，光纤准直器(5)与扫描位移台控制的反射镜(6)经过精密调节，使得由光纤准直器(5)出射的大部分光信号经反射镜反射后都能再次通过光纤准直器(5)回到光纤中；返回的光信号进入三端口光纤环行器(4)的e端口后由f端口输出后被送到耦合器(10)，形成干涉信号；通过调节扫描位移台改变反射镜(6)的位置，即可改变光信号在参考臂中经历的总光程。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤白光干涉原理的测厚仪，其特征在于：所述的测厚装置参考臂的光程可调，以匹配测量臂中所需反射光信号所历经的光程；由于在测量臂中预制了固定长度的标定装置，使得该测厚仪在使用过程中毋须进行另外的标定过程，长度比较过程通过嵌入在信号处理单元仅中的软件程序，通过所采集到的四个反射光信号即可自动完成待测物厚度的精确测量。