CN1245284A - 光纤偏振光干涉位移和振动测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械精密测量的领域,包括激光器、激光电源、高双折射保偏光纤和光纤定向耦合器、光电探测器及信号检测***,还包括设置在激光器输出端的起偏器、由设置在光纤端的自聚焦透镜、四分之一波片构成的测头,设置在光电探测器前的检偏装置。本发明可以对物***移和振动进行高精度的测量。增强抗外界干扰能力和减少光路中杂散光的影响,具有灵敏度高,非接触式测量,抗电磁干扰,整个测量仪器结构紧凑等诸多优点。
Description
本发明属于机械精密测量的技术领域，特别是属于位移量和振动量的纳米级的高精度测量，以及对能够直接或间接地转化为位移量的其他机械量和物理量的测量。
当前以精密和超精密技术为特征的现代制造、微电子***、微纳米工程中，能够实现测控一体化的超精密加工与制作的设备得到普遍重视。在可以实现位移和振动量的非接触式高精度测量中，光纤传感技术提供了新的重要测量手段，并已开始进入实际应用领域。已有的一种双光束干涉位相调制型光纤位移测量仪，如图1所示，主要由激光器101、耦合透镜113、光纤103、光纤测头109、110、光电探测器119等部件构成的。其测量原理是：以迈克尔逊型光学干涉仪为基本原理，由激光器110发出的一束光耦合进入光纤103，再由光纤定向耦合器102分成传感光和参考光，分别由两路光纤104、105传导，并经光纤测头109、110射出，出射光射到反射镜111、112，再分别被反射进入光纤104、105，反射镜112是固定的，反射镜111是可以移动的，这两束光之间有一个与被测距离L成正比的光程差，这两束相互干涉形成的拍频信号由探测器119接收，然后利用位相比较测出由光程差引入的位相变化，从而得到位移量。
采用这种光纤位相调制型传感位移测量技术具有较大的测量范围、较高的测量精度和较快的响应速度，以及测头小巧等特点。但是这种测量仪是基于双光束干涉，检测干涉位相变化，其检测精度取决于干涉条纹的鉴相精度，通常鉴相精度为λ/50～λ/100，这样若光波长为0.6um，则其测量精度一般为0.06um或60nm。而在制造工业、信息产业、航天航空工业以及国防军事工业等许多领域中，越来越需要精密和超精密加工的测量，以满足各种工件尺寸质量的保证和零件加工在线检测与控制。
本发明的目的在于为克服上述测量仪的不足之处，提出一种光纤偏振光干涉位移和振动测量仪，可以实现对物***移和振动进行高精度的测量。
本发明提出一种光纤偏振光干涉位移和振动测量仪，包括激光器、激光电源、光纤和光纤定向耦合器、光电探测器及信号检测***，其特征在于，还包括设置在所说的激光器输出端的起偏器、由设置在所说的光纤端的自聚焦透镜、四分之一波片构成的测头，设置在所说光电探测器前的检偏装置，所说的光纤采用高双折射保偏光纤；所说的起偏器、保偏光纤及定向耦合器、四分之一波片、检偏装置构成了光纤偏振光干涉仪；所说的激光器发出激光经起偏器后成为线偏振光束，进入光纤偏振光干涉仪，该光束一部分由光纤测头的端面反射作为参考光，另一部分由光纤测头导出射到被测物表面，反射后再进入光纤测头作为探测传感光，所说的探测光和参考光相互干涉后由光纤测头导出经检偏装置由光电探测器接收。所说的探测光和参考光可是共光路的，也可不共光路。
本发明所说的激光器可采用带尾纤的半导体激光器与光纤直接耦合，所说的起偏器采用光纤起偏器，还包括与该光纤起偏器相连的光纤偏振保持器。所说的光纤起偏器、光纤偏振保持器、光纤定向耦合器和光纤测头构成一个全光纤集成化的光纤偏振光干涉仪。
所说的光纤测头的自聚焦透镜端面可为全透射面，所说的四分之一波片的一个表面设置为部分反射表面；所说的光纤测头的自聚焦透镜端面也可设置为部分反射表面，所说的四分之一波片表面为全透射面。所说的光纤测头还可包括设置在所说的四分之一波片外侧的一段两端带有自聚焦透镜的保偏光纤。该结构可使用于测量的光纤测头小型化。
本发明所说的激光电源可采用直流电源或直流加偏置调制电流的电源。
为保证所获得的测量光电信号有较高的信噪比，本发明还包括与所说的光纤定向耦合器相连的另一光纤及接收该光纤出射光束的光探测器。记录下激光光源发出的光强变化，与探测光强相比较以消除光源光强变化对测量信号的影响。
本发明所述的高精度光纤偏振光干涉位移和振动测量仪的工作原理说明如下：如图2所示，本发明包括半导体激光器1、耦合透镜13、起偏器14、保偏光纤3和光纤定向耦合器2、光纤测头7、四分之一波片(λ/4波片)16和17、检偏器18、光电探测器19及信号检测***等部件。其特征在于由激光器发出一束光经起偏器后变成一束线偏振光，经耦合透镜进入光纤3，该光纤另一端与光纤定向耦合器相连，所说的线偏振光束经定向耦合器到另一端光纤4，并经光纤测头的自聚焦透镜8导出，该光束出射到λ/4波片16，该光束的一部分由λ/4波片表面直接反射经光纤测头的自聚焦透镜返回光纤作为参考光，该光束的另一部分通过λ/4波片后出射到被测物表面，被反射后再经过λ/4波片和自聚焦透镜进入光纤4作为传感探测光，所说的探测光和参考光是共光路的，它们相互干涉后再经另一λ/4波片17和检偏器由光电探测器18接收，构成一个光纤偏振光干涉仪。
出光学偏振光干涉原理可知，一线偏振光由λ/4波片表面反射，反射光仍保持原入射线偏振光的偏振方向，为参考线偏振光a，该线偏振光λ/4波片后变成圆偏振光，出射到被测物并由其表面反射仍为圆偏振光，所说的圆偏振光再经过λ/4波片后变成另一方向的线偏振光，即为传感线偏振光b，该线偏振光b的偏振方向与入射线偏振光即线偏振光a的偏振方向是相互正交的，当所说的两束正交的线偏振光经由另一λ/4波片后，两束正交的圆偏振光(即一为左旋圆偏振光，一为右旋圆偏振光)，由于该两束正交的圆偏振光是共光轴的，将合成为一个线偏振光，由于该两束正交圆偏振光之间存在由被测物***移量1而引入的位相差，所说的合成线偏振光的偏振方向将随位相差的不同而变化，或者所说的合成线偏振光将随位相差的改变而有不同的偏振角α，该线偏振光经过线偏振光检偏***由光电探测器接收，即可输出测量信号，再经信号处理后得到被测位移或振动量。
由光纤偏振光干涉仪获得的测量光信号具有由被测物移动而引入的位相差信息，即该测量光信号是一个具有随位相差改变偏振角α的线偏振光，因此与位相调制型光纤干涉仪检测光信号干涉条纹位相变化不同，光纤偏振光干涉仪测量灵敏度和精度取决于光信号的偏振角α的角度测量精度。检测线偏振光的偏振角可以有许多方法，其角度检测精度一般可以达到1°，甚至可达1’(角分)，由此光纤偏振光干涉仪的测量精度可以达到很高程度，即纳米量级。即由本发明所说的原理可知，当位移量l变化一个波长λ，即相应的干涉相位变化一个周期2π时，所说的偏振角α即光的偏振方向转动2π角度，即α＝2πl/λ，相对应的被测物***移量的变化量Δl为：Δl＝λ/2π·Δα。如果所用光波长λ为0.6um，角度测量精度Δα为1°，则测量灵敏度，即位移变化量Δl可达0.0017um，如果角度测量精度Δα为1°，则位移测量灵敏度Δl可达0.028nm，因此考虑到各种噪声的影响，实现测量精度为1nm的位移测量是完全可能的。
本发明具有如下特点：
其一，本发明的这种位移测量仪适用于高精度位移量的检测，由于采用传感光和参考光共光路光纤干涉仪结构，采用保偏光纤及其他器件，增强了抗外界干扰能力和减少光路中杂散光的影响，具有灵敏度高，非接触式测量，抗电磁干扰，整个测量仪器结构紧凑等诸多优点。
其二，本发明的这种位移测量仪可以用于机械振动量测量，其振幅测量可如上所说的达到很高的精度，其振动频率的测量精度取决于光电探测器和信号处理***的频率响应特性，一般1Hz～105Hz的频率测量是完全可以实现的。
其三，本发明的这种位移测量仪不但能直接用于测量位移量，而且也可以用于测量能够直接或间接转化为位移量的其他机械量和物理量，比如：利用物质的热涨冷缩效应或者磁致伸缩效应，导致材料长度变化，从而分别可以测量温度或磁场强度；利用由于压力引起薄膜的形变位移，从而可以测量压力；利用某些晶体的双折射性或者外界物理量引起晶体双折射性变化，从而可以测量晶体的双折射特性参数和与此相关的物理量等。在上述各种测量应用领域中，只要将本发明的光纤测头与对上述各种机械量和物理量敏感的部件或材料相连，即可实现对许多不同物理量的测量。因此，本发明具有宽广的应用领域。
附图简要说明：
图1为已有的位相调制型光纤干涉位移测量仪示意图。
图2为本发明提供的光纤偏振光干涉位移和振动测量仪示意图。
图3为本发明一种实施例总体结构示意图。
图4为本发明一种实施例光纤测头结构示意图。
图5为本发明另一种实施例光纤测头结构示意图。
本发明的一种最佳实施例为全光纤集成化的光纤偏振光干涉振动测量仪，总体结构如图3所示，结合附图详细叙述如下：该测量仪包括半导体激光器1、光纤起偏器14、光纤偏振保持器15、保偏光纤定向耦合器2、由自聚焦透镜8、9、四分之一波片16、17、构成的测头、偏振角检测器18、光电探测器19及信号处理单元21等部件。激光器1发出的一束光直接耦合进入高双折射保偏光纤7，该光纤与光纤起偏器14和光纤偏振保持器15相连，该光束变成线偏振光进入光纤3，该光纤与光纤定向耦合器2相连，使该线偏振光束分成两束光后分别进入光纤4、5，进入光纤4的光束又被分成两部分，一部分光为参考光，由光纤测头的自聚焦透镜8的端面反射回去，该反射光仍保持原入射线偏振光的偏振方向，另一部分光由测头的自聚焦透镜8导出，射入并透过镀有增透膜的四分之一波片16后变成圆偏振光，再入射到被测物23并由其表面反射回四分之一波片16，所说的圆偏振光再经过四分之一波片后变成线偏振光，并由测头进入光纤4，所说的这两部分线偏振光的偏振状态是正交的，一同经过光纤定向耦合器2、光纤6由自聚焦透镜9导出，当所说的这两部分相互正交的线偏振光再经由四分之一波片17后，变成两束正交的圆偏振光并合成一线偏振光，该线偏振光的偏振角取决于所说的参考光和传感光两部分光之间的位相差，而该位相差的变化又取决于被测物23的位移和振动，所说的线偏振光经由检偏器构成的偏振角检测器18后由光电探测器19接收，该光电信号的频率和幅值大小经标定换算后，可以得到被测物振动量的频率值和幅值。该测量仪还可以通过计算机接口输入到计算机进行数据实时处理。
本实施例半导体激光器功率为5mw以上，光波波长为1.3um，光纤、光纤起偏器、光纤偏振保持器和光纤定向耦合器均采用熊猫型高双折射保偏光纤，光纤工作波长为1.3um，测量仪的测量精度优于5nm，测量频率为1Hz～100KHz。
为保证所获得的测量光电信号有较高的信噪比，本实施例可采用具有温控和恒流的激光电源***22，以输出光强稳定的激光束，可采用由光纤定向耦合器2分出进入光纤5的光束出射到光探测器20，记录下激光光源发出的光强变化，与探测光强相比较以消除光源光强变化对测量信号的影响。本发明的线偏振光的偏振角度检测可以采用光栅法和光强法，光栅法是将检偏器与圆光栅测角仪相连，由光栅法可以得到很高的测量精度，光强法又分单路光强法和双路光强法，单路光强法即在本实施例中所要用的方法，双路光强法是将测量线偏振光输入一个渥拉斯顿检偏***，该线偏振光分解成两路偏振态垂直的线偏振光，偏振角的变化会引起该两路偏振光光强的变化，由探测器接收，经信号处理后比较两路光强信号大小，可得到测量线偏振光的偏振角的大小。
本实施例中的光纤测头是由自聚焦透镜8、四分之一波片16和套管24、25组成，四分之一波片两端镀增透膜，如图4所示。图5是另一种光纤测头结构示意图，即在此基础上在所说的四分之一波片16外侧的加一段两端带有自聚焦透镜26、27的保偏光纤28。该结构可使用于测量的光纤测头小型化，外径小于3mm。
Claims (7)
1.一种光纤偏振光干涉位移和振动测量仪，包括激光器、激光电源、光纤和光纤定向耦合器、光电探测器及信号检测***，其特征在于，还包括设置在所说的激光器输出端的起偏器、由设置在所说的光纤端的自聚焦透镜、四分之一波片构成的测头，设置在所说的光电探测器前的检偏装置，所说的光纤采用高双折射保偏光纤：所说的激光器发出激光经起偏器后成为线偏振光束，该光束一部分由光纤测头的端面反射作为参考光，另一部分由光纤测头导出射到被测物表面，反射后再进入光纤测头作为探测传感光，所说的探测光和参考光相互干涉后由光纤测头导出经检偏装置由光电探测器接收。
2.如权利要求1所述的测量仪，其特征在于，所说的激光器采用带尾纤的半导体激光器与光纤直接耦合，所说的起偏器采用光纤起偏器，还包括与该光纤起偏器相连的光纤偏振保持器。
3.如权利要求1和2所述的测量仪，其特征在于所说的光纤测头的自聚焦透镜端面为全透射面，所说的四分之一波片的一个表面设置为部分反射表面。
4.如权利要求1和2所述的测量仪，其特征在于所说的光纤测头的自聚焦透镜端面设置为部分反射表面，所说的四分之一波片表面为全透射面。
5.如权利1和2所述的测量仪，其特征在于所说的光纤测头还包括，设置在所说的四分之一波片外侧的一段两端带有自聚焦透镜的保偏光纤。
6.如权利1和2所述的测量仪，其特征在于所说的激光电源采用直流电源或直流加偏置调制电流的电源。
7.如权利1和2所述的测量仪，其特征在于，还包括与所说的光纤定向耦合器相连的另一光纤及接收该光纤出射光束的光探测器。
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