專利名稱：位移測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測量方法，尤其是涉及對位移實現(xiàn)實時判斷方向的測量方法。
背景技術(shù)：
納米測量是納米科學發(fā)展的基礎(chǔ)，而納米科學主要是研究、發(fā)現(xiàn)和加工結(jié)構(gòu)尺寸小于100納米的材料、器件和系統(tǒng)，以獲得所需要的功能和性能，并已經(jīng)在材料、化學、生物、能源和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著納米時代的到來，對納米尺度的產(chǎn)品進行檢測的需求日益増大，同時也對納米測量技術(shù)提出了更高的要求。納米測量需要在毫米級的測量范圍內(nèi)達到納米級的分辨率，同時需要綜合考慮環(huán)境條件、系統(tǒng)復雜程度及溯源性等方面的要求。納米測量技術(shù)按照量程、分辨率和測量不確定度的標準，可以分為兩大類:ー類是激光干渉儀技術(shù)，其特點是量程大，可達幾十米，但對小于半個光波長的位移需要用電子鑒相等細分方法來實現(xiàn)；另ー類是差拍法布里-拍羅(Fabry-Perot,F-P)干涉儀技術(shù)、X射線干渉儀技術(shù)、光學+X射線干涉儀技術(shù)、頻率測量技術(shù)和光頻梳技術(shù)等，他們的特點是分辨率和測量不確定度低，可達亞納米甚至皮米量級。然而激光干渉儀技術(shù)由于電子噪聲等非線性誤差的影響，半波長以內(nèi)的位移測量并不可靠，因此難以滿足高分辨率的要求。而差拍法布里-珀羅干渉儀技術(shù)等的量程小，一般在微米量級，限制了其應(yīng)用范圍?；诩す饣仞伒奈灰茰y量方法具有結(jié)構(gòu)簡単、自準直和性價比高的優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的利用激光回饋測量位移的測量方法中，利用高、低等光強點進行計數(shù)實現(xiàn)計算位移的大小，而無法實現(xiàn)實時判定位移的方向。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，確有必要提供ー種能夠?qū)崟r判斷方向的位移測量方法。一種位移測量方法，包括以下步驟:提供一位移測量系統(tǒng)，所述位移測量系統(tǒng)包括一激光器以及ー數(shù)據(jù)采集及處理單元，所述激光器輸出的激光分成具有位相差的O光、e光分量；所述數(shù)據(jù)采集及處理單元將所述O光的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號V。，將所述e光的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號I，并求取O光和e光的光強之和得到總功率調(diào)諧曲線Vt，其中，vt=v0+ve;判定方向:將某ー時間點采集到的信號Vtjl及Vel進行加和得到Vtl，于該時間點之后相鄰的ー個時間點采集到的信號\2及Ve2進行加和得到Vt2，將所述Vtl與Vt2進行作差，得到差分值A(chǔ) (Vt)，即，A (Vt)=Vt2 — Vtl，并計算I，其中，I=A (Vt) X (V0-Ve)，當I值大于0時，判定位移的方向為第一方向；當I值小于0時，判定位移的方向為第二方向，所述第二方向與第一方向相反。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的位移測量方法，利用了兩束正交偏振激光光強信號的總輸出光強的變化趨勢和兩束正交偏振激光的大小關(guān)系，實現(xiàn)了實時判向，因此方法更加簡単，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明實施例提供的位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例所述貓眼逆反器沿第一方向移動時兩束正交的偏振光及總輸出光強的變化規(guī)律。圖3為本發(fā)明實施例所述貓眼逆反器沿第二方向移動時兩束正交的偏振光及總輸出光強的變化規(guī)律。圖4為本發(fā)明實施例所述不足八分之一波長的細分計數(shù)的細分示意圖。主要元件符號說明
權(quán)利要求
1.一種位移測量方法，包括以下步驟: 提供一位移測量系統(tǒng)，所述位移測量系統(tǒng)包括一激光器以及ー數(shù)據(jù)采集及處理單元，所述激光器輸出的激光分成具有位相差的O光、e光分量； 所述數(shù)據(jù)采集及處理單元將所述0光的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號V。，將所述e光的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號I，并求取0光和e光的光強之和得到總功率調(diào)諧曲線Vt，其中，vt=v0+ve ； 判定方向:將某ー時間點采集到的信號V01及Vel進行加和得到Vtl，于該時間點之后相鄰的ー個時間點采集到的信號\2及Ve2進行加和得到Vt2，將所述Vtl與Vt2進行作差，得到差分值 A (Vt), BP, A (Vt)=Vt2 - Vtl，并計算 I，其中，I=A (Vt) X (V。-、)，當 I 值大于 O 吋，判定位移的方向為第一方向；當I值小于O時，判定位移的方向為第二方向，所述第二方向與第一方向相反。
2.如權(quán)利要求1所述的位移測量方法，其特征在于，所述激光器包括一貓眼逆反鏡、一雙折射元件、ー增透窗片、一増益管、以及ー輸出鏡沿輸出激光的軸線依次共軸設(shè)置，所述雙折射元件設(shè)置于貓眼逆反鏡與所述增透窗片之間，井分別與所述貓眼逆反鏡及所述增透窗片間隔設(shè)置用以產(chǎn)生分頻激光。
3.如權(quán)利要求2所述的位移測量方法，其特征在干，所述數(shù)據(jù)采集及處理單元包括一偏振分光片靠近所述輸出鏡設(shè)置以接收激光器輸出的激光，并將激光分成O光及e光,一第一光電探測器及第ニ光電探測器與所述偏振分光片間隔設(shè)置以接收所述O光及e光并轉(zhuǎn)換為兩路電信號，一電壓放大電路與所述第一光電探測器及第ニ光電探測器電連接并對兩路電信號進行電流/電壓轉(zhuǎn)換及放大，一第一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及第ニ模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理得到分別對應(yīng)于0光及e光的功率調(diào)諧曲線V。及I，一主控芯片與所述第一模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及第ニ模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電連接以進行數(shù)據(jù)處理。
4.如權(quán)利要求1所述的位移測量方法，其特征在于，所述位移測量方法還包括位移的大小的測量，具體包括以下步驟: (1)計大數(shù):在Vt的一個變化周期內(nèi)，比較V。與Ve的大小，并舍棄其中較小的值，保留其中較大的值，所述V。與V6的保留值形成一“M”形信號，信號處理單元11記錄以下四個點為特殊計數(shù)點:低等光強點\、V0的最大值V_x、高等光強點Vh、及Ve的最大值Vanax，其中，Vl < Vh，所述四個特殊計數(shù)點均分所述Vt的一個變化周期，當激光器每輸出所述四個特殊計數(shù)點中任意ー個特殊計數(shù)點，位移計數(shù)N增加I; (2)建表:將所述“M”形信號歸ー化，橫坐標為位移，縱坐標為相對電壓的無量綱數(shù)值，得到位移與相對電壓的對應(yīng)關(guān)系表； (3)查表計小數(shù):通過步驟(2)中所述位移與相對電壓的對應(yīng)關(guān)系表，獲得每一采樣點對應(yīng)的精確位移X ； (4)加和:計算位移量S，其中，S=(入/8)XN+x，入為激光器的波長，N為步驟(I)得到的位移計數(shù)值，X為步驟(3)得到的精確位移。
5.如權(quán)利要求4所述的位移測量方法，其特征在于，在步驟(I)中所述激光器每輸出所述四個特殊計數(shù)點中任意 ー個特殊計數(shù)點，位移的大小増加、/8。
6.如權(quán)利要求4所述的位移測量方法，其特征在于，在步驟(2)中選取所述0光和el的功率調(diào)諧曲線中線性度大于99%對應(yīng)的“M”形信號進行歸一化。
7.如權(quán)利要求6所述的位移測量方法，其特征在于，所述“M”形信號保留Q個有效電壓值，并對“M”形信號采用該采樣周期的最大、最小值進行歸ー化，其中Q為自然數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的位移測量方法，其特征在干，所述“M”形信號各處的變化率不同，在變化率較大的點之間通過插值法繼續(xù)得到中間位移點對應(yīng)的相對電壓值。
9.如權(quán)利 要求4所述的位移測量方法，其特征在于，所述精確位移X的分辨率為I納米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種位移測量方法，包括以下步驟提供一位移測量系統(tǒng)，所述位移測量系統(tǒng)包括一激光器以及一數(shù)據(jù)采集及處理單元，所述激光器輸出的激光分成具有位相差的o光、e光分量；所述數(shù)據(jù)采集及處理單元將所述o光的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號Vo，將所述e光的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號Ve，并求取o光和e光的光強之和得到總功率調(diào)諧曲線Vt，其中Vt=Vo+Ve；判定方向?qū)π盘朧t求差分Δ(Vt)，并計算I，其中I=Δ(Vt)×(Vo-Ve)，當I值大于0時，判定位移的方向為第一方向；當I值小于0時，判定位移的方向為第二方向，所述第二方向與第一方向相反。
文檔編號G01B11/02GK103115573SQ20131003570
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者張書練, 牛海莎, 談宜東 申請人:清華大學