光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀的製作方法

2023-06-22 01:13:51

專利名稱：光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於機械精密測量的技術領域，特別是屬於位移量和振動量的納米級的高精度測量，以及對能夠直接或間接地轉化為位移量的其他機械量和物理量的測量。
當前以精密和超精密技術為特徵的現代製造、微電子系統、微納米工程中，能夠實現測控一體化的超精密加工與製作的設備得到普遍重視。在可以實現位移和振動量的非接觸式高精度測量中，光纖傳感技術提供了新的重要測量手段，並已開始進入實際應用領域。已有的一種雙光束幹涉位相調製型光纖位移測量儀，如

圖1所示，主要由雷射器101、耦合透鏡113、光纖103、光纖測頭109、110、光電探測器119等部件構成的。其測量原理是以麥可遜型光學幹涉儀為基本原理，由雷射器110發出的一束光耦合進入光纖103，再由光纖定向耦合器102分成傳感光和參考光，分別由兩路光纖104、105傳導，並經光纖測頭109、110射出，出射光射到反射鏡111、112，再分別被反射進入光纖104、105，反射鏡112是固定的，反射鏡111是可以移動的，這兩束光之間有一個與被測距離L成正比的光程差，這兩束相互幹涉形成的拍頻信號由探測器119接收，然後利用位相比較測出由光程差引入的位相變化，從而得到位移量。
採用這種光纖位相調製型傳感位移測量技術具有較大的測量範圍、較高的測量精度和較快的響應速度，以及測頭小巧等特點。但是這種測量儀是基於雙光束幹涉，檢測幹涉位相變化，其檢測精度取決於幹涉條紋的鑑相精度，通常鑑相精度為λ/50～λ/100，這樣若光波長為0.6um，則其測量精度一般為0.06um或60nm。而在製造工業、信息產業、航天航空工業以及國防軍事工業等許多領域中，越來越需要精密和超精密加工的測量，以滿足各種工件尺寸質量的保證和零件加工在線檢測與控制。
本發明的目的在於為克服上述測量儀的不足之處，提出一種光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀，可以實現對物體位移和振動進行高精度的測量。
本發明提出一種光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀，包括雷射器、雷射電源、光纖和光纖定向耦合器、光電探測器及信號檢測系統，其特徵在於，還包括設置在所說的雷射器輸出端的起偏器、由設置在所說的光纖端的自聚焦透鏡、四分之一波片構成的測頭，設置在所說光電探測器前的檢偏裝置，所說的光纖採用高雙折射保偏光纖；所說的起偏器、保偏光纖及定向耦合器、四分之一波片、檢偏裝置構成了光纖偏振光幹涉儀；所說的雷射器發出雷射經起偏器後成為線偏振光束，進入光纖偏振光幹涉儀，該光束一部分由光纖測頭的端面反射作為參考光，另一部分由光纖測頭導出射到被測物表面，反射後再進入光纖測頭作為探測傳感光，所說的探測光和參考光相互幹涉後由光纖測頭導出經檢偏裝置由光電探測器接收。所說的探測光和參考光可是共光路的，也可不共光路。
本發明所說的雷射器可採用帶尾纖的半導體雷射器與光纖直接耦合，所說的起偏器採用光纖起偏器，還包括與該光纖起偏器相連的光纖偏振保持器。所說的光纖起偏器、光纖偏振保持器、光纖定向耦合器和光纖測頭構成一個全光纖集成化的光纖偏振光幹涉儀。
所說的光纖測頭的自聚焦透鏡端面可為全透射面，所說的四分之一波片的一個表面設置為部分反射表面；所說的光纖測頭的自聚焦透鏡端面也可設置為部分反射表面，所說的四分之一波片表面為全透射面。所說的光纖測頭還可包括設置在所說的四分之一波片外側的一段兩端帶有自聚焦透鏡的保偏光纖。該結構可使用於測量的光纖測頭小型化。
本發明所說的雷射電源可採用直流電源或直流加偏置調製電流的電源。
為保證所獲得的測量光電信號有較高的信噪比，本發明還包括與所說的光纖定向耦合器相連的另一光纖及接收該光纖出射光束的光探測器。記錄下雷射光源發出的光強變化，與探測光強相比較以消除光源光強變化對測量信號的影響。
本發明所述的高精度光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀的工作原理說明如下如圖2所示，本發明包括半導體雷射器1、耦合透鏡13、起偏器14、保偏光纖3和光纖定向耦合器2、光纖測頭7、四分之一波片(λ/4波片)16和17、檢偏器18、光電探測器19及信號檢測系統等部件。其特徵在於由雷射器發出一束光經起偏器後變成一束線偏振光，經耦合透鏡進入光纖3，該光纖另一端與光纖定向耦合器相連，所說的線偏振光束經定向耦合器到另一端光纖4，並經光纖測頭的自聚焦透鏡8導出，該光束出射到λ/4波片16，該光束的一部分由λ/4波片表面直接反射經光纖測頭的自聚焦透鏡返回光纖作為參考光，該光束的另一部分通過λ/4波片後出射到被測物表面，被反射後再經過λ/4波片和自聚焦透鏡進入光纖4作為傳感探測光，所說的探測光和參考光是共光路的，它們相互幹涉後再經另一λ/4波片17和檢偏器由光電探測器18接收，構成一個光纖偏振光幹涉儀。
出光學偏振光幹涉原理可知，一線偏振光由λ/4波片表面反射，反射光仍保持原入射線偏振光的偏振方向，為參考線偏振光a，該線偏振光λ/4波片後變成圓偏振光，出射到被測物並由其表面反射仍為圓偏振光，所說的圓偏振光再經過λ/4波片後變成另一方向的線偏振光，即為傳感線偏振光b，該線偏振光b的偏振方向與入射線偏振光即線偏振光a的偏振方向是相互正交的，當所說的兩束正交的線偏振光經由另一λ/4波片後，兩束正交的圓偏振光(即一為左旋圓偏振光，一為右旋圓偏振光)，由於該兩束正交的圓偏振光是共光軸的，將合成為一個線偏振光，由於該兩束正交圓偏振光之間存在由被測物體位移量1而引入的位相差，所說的合成線偏振光的偏振方向將隨位相差的不同而變化，或者所說的合成線偏振光將隨位相差的改變而有不同的偏振角α，該線偏振光經過線偏振光檢偏系統由光電探測器接收，即可輸出測量信號，再經信號處理後得到被測位移或振動量。
由光纖偏振光幹涉儀獲得的測量光信號具有由被測物移動而引入的位相差信息，即該測量光信號是一個具有隨位相差改變偏振角α的線偏振光，因此與位相調製型光纖幹涉儀檢測光信號幹涉條紋位相變化不同，光纖偏振光幹涉儀測量靈敏度和精度取決於光信號的偏振角α的角度測量精度。檢測線偏振光的偏振角可以有許多方法，其角度檢測精度一般可以達到1°，甚至可達1』(角分)，由此光纖偏振光幹涉儀的測量精度可以達到很高程度，即納米量級。即由本發明所說的原理可知，當位移量l變化一個波長λ，即相應的幹涉相位變化一個周期2π時，所說的偏振角α即光的偏振方向轉動2π角度，即α＝2πl/λ，相對應的被測物體位移量的變化量Δl為Δl＝λ/2π·Δα。如果所用光波長λ為0.6um，角度測量精度Δα為1°，則測量靈敏度，即位移變化量Δl可達0.0017um，如果角度測量精度Δα為1°，則位移測量靈敏度Δl可達0.028nm，因此考慮到各種噪聲的影響，實現測量精度為1nm的位移測量是完全可能的。
本發明具有如下特點其一，本發明的這種位移測量儀適用於高精度位移量的檢測，由於採用傳感光和參考光共光路光纖幹涉儀結構，採用保偏光纖及其他器件，增強了抗外界幹擾能力和減少光路中雜散光的影響，具有靈敏度高，非接觸式測量，抗電磁幹擾，整個測量儀器結構緊湊等諸多優點。
其二，本發明的這種位移測量儀可以用於機械振動量測量，其振幅測量可如上所說的達到很高的精度，其振動頻率的測量精度取決於光電探測器和信號處理系統的頻率響應特性，一般1Hz～105Hz的頻率測量是完全可以實現的。
其三，本發明的這種位移測量儀不但能直接用於測量位移量，而且也可以用於測量能夠直接或間接轉化為位移量的其他機械量和物理量，比如利用物質的熱漲冷縮效應或者磁致伸縮效應，導致材料長度變化，從而分別可以測量溫度或磁場強度；利用由於壓力引起薄膜的形變位移，從而可以測量壓力；利用某些晶體的雙折射性或者外界物理量引起晶體雙折射性變化，從而可以測量晶體的雙折射特性參數和與此相關的物理量等。在上述各種測量應用領域中，只要將本發明的光纖測頭與對上述各種機械量和物理量敏感的部件或材料相連，即可實現對許多不同物理量的測量。因此，本發明具有寬廣的應用領域。
附圖簡要說明圖1為已有的位相調製型光纖幹涉位移測量儀示意圖。
圖2為本發明提供的光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀示意圖。
圖3為本發明一種實施例總體結構示意圖。
圖4為本發明一種實施例光纖測頭結構示意圖。
圖5為本發明另一種實施例光纖測頭結構示意圖。
本發明的一種最佳實施例為全光纖集成化的光纖偏振光幹涉振動測量儀，總體結構如圖3所示，結合附圖詳細敘述如下該測量儀包括半導體雷射器1、光纖起偏器14、光纖偏振保持器15、保偏光纖定向耦合器2、由自聚焦透鏡8、9、四分之一波片16、17、構成的測頭、偏振角檢測器18、光電探測器19及信號處理單元21等部件。雷射器1發出的一束光直接耦合進入高雙折射保偏光纖7，該光纖與光纖起偏器14和光纖偏振保持器15相連，該光束變成線偏振光進入光纖3，該光纖與光纖定向耦合器2相連，使該線偏振光束分成兩束光後分別進入光纖4、5，進入光纖4的光束又被分成兩部分，一部分光為參考光，由光纖測頭的自聚焦透鏡8的端面反射回去，該反射光仍保持原入射線偏振光的偏振方向，另一部分光由測頭的自聚焦透鏡8導出，射入並透過鍍有增透膜的四分之一波片16後變成圓偏振光，再入射到被測物23並由其表面反射回四分之一波片16，所說的圓偏振光再經過四分之一波片後變成線偏振光，並由測頭進入光纖4，所說的這兩部分線偏振光的偏振狀態是正交的，一同經過光纖定向耦合器2、光纖6由自聚焦透鏡9導出，當所說的這兩部分相互正交的線偏振光再經由四分之一波片17後，變成兩束正交的圓偏振光併合成一線偏振光，該線偏振光的偏振角取決於所說的參考光和傳感光兩部分光之間的位相差，而該位相差的變化又取決於被測物23的位移和振動，所說的線偏振光經由檢偏器構成的偏振角檢測器18後由光電探測器19接收，該光電信號的頻率和幅值大小經標定換算後，可以得到被測物振動量的頻率值和幅值。該測量儀還可以通過計算機接口輸入到計算機進行數據實時處理。
本實施例半導體雷射器功率為5mw以上，光波波長為1.3um，光纖、光纖起偏器、光纖偏振保持器和光纖定向耦合器均採用熊貓型高雙折射保偏光纖，光纖工作波長為1.3um，測量儀的測量精度優於5nm，測量頻率為1Hz～100KHz。
為保證所獲得的測量光電信號有較高的信噪比，本實施例可採用具有溫控和恆流的雷射電源系統22，以輸出光強穩定的雷射束，可採用由光纖定向耦合器2分出進入光纖5的光束出射到光探測器20，記錄下雷射光源發出的光強變化，與探測光強相比較以消除光源光強變化對測量信號的影響。本發明的線偏振光的偏振角度檢測可以採用光柵法和光強法，光柵法是將檢偏器與圓光柵測角儀相連，由光柵法可以得到很高的測量精度，光強法又分單路光強法和雙路光強法，單路光強法即在本實施例中所要用的方法，雙路光強法是將測量線偏振光輸入一個渥拉斯頓檢偏系統，該線偏振光分解成兩路偏振態垂直的線偏振光，偏振角的變化會引起該兩路偏振光光強的變化，由探測器接收，經信號處理後比較兩路光強信號大小，可得到測量線偏振光的偏振角的大小。
本實施例中的光纖測頭是由自聚焦透鏡8、四分之一波片16和套管24、25組成，四分之一波片兩端鍍增透膜，如圖4所示。圖5是另一種光纖測頭結構示意圖，即在此基礎上在所說的四分之一波片16外側的加一段兩端帶有自聚焦透鏡26、27的保偏光纖28。該結構可使用於測量的光纖測頭小型化，外徑小於3mm。
權利要求
1.一種光纖偏振光幹涉位移和振動測量儀，包括雷射器、雷射電源、光纖和光纖定向耦合器、光電探測器及信號檢測系統，其特徵在於，還包括設置在所說的雷射器輸出端的起偏器、由設置在所說的光纖端的自聚焦透鏡、四分之一波片構成的測頭，設置在所說的光電探測器前的檢偏裝置，所說的光纖採用高雙折射保偏光纖所說的雷射器發出雷射經起偏器後成為線偏振光束，該光束一部分由光纖測頭的端面反射作為參考光，另一部分由光纖測頭導出射到被測物表面，反射後再進入光纖測頭作為探測傳感光，所說的探測光和參考光相互幹涉後由光纖測頭導出經檢偏裝置由光電探測器接收。
2.如權利要求1所述的測量儀，其特徵在於，所說的雷射器採用帶尾纖的半導體雷射器與光纖直接耦合，所說的起偏器採用光纖起偏器，還包括與該光纖起偏器相連的光纖偏振保持器。
3.如權利要求1和2所述的測量儀，其特徵在於所說的光纖測頭的自聚焦透鏡端面為全透射面，所說的四分之一波片的一個表面設置為部分反射表面。
4.如權利要求1和2所述的測量儀，其特徵在於所說的光纖測頭的自聚焦透鏡端面設置為部分反射表面，所說的四分之一波片表面為全透射面。
5.如權利1和2所述的測量儀，其特徵在於所說的光纖測頭還包括，設置在所說的四分之一波片外側的一段兩端帶有自聚焦透鏡的保偏光纖。
6.如權利1和2所述的測量儀，其特徵在於所說的雷射電源採用直流電源或直流加偏置調製電流的電源。
7.如權利1和2所述的測量儀，其特徵在於，還包括與所說的光纖定向耦合器相連的另一光纖及接收該光纖出射光束的光探測器。
全文摘要
本發明屬於機械精密測量的領域,包括雷射器、雷射電源、高雙折射保偏光纖和光纖定向耦合器、光電探測器及信號檢測系統,還包括設置在雷射器輸出端的起偏器、由設置在光纖端的自聚焦透鏡、四分之一波片構成的測頭,設置在光電探測器前的檢偏裝置。本發明可以對物體位移和振動進行高精度的測量。增強抗外界幹擾能力和減少光路中雜散光的影響,具有靈敏度高,非接觸式測量,抗電磁幹擾,整個測量儀器結構緊湊等諸多優點。
文檔編號G01B9/02GK1245284SQ9911159
公開日2000年2月23日 申請日期1999年8月20日 優先權日1999年8月20日
發明者田芊, 章恩耀, 張雲祥, 原誠寅, 張敏, 徐鐵軍 申請人:清華大學