一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及絕對距離精密測量系統(tǒng)，尤其是一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法及裝置。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種全光纖頻域干涉絕對距離測量裝置及對應(yīng)測量方法，該裝置方便易操作，能夠高分辨力地測量反射體表面與光纖探頭光出射端面的絕對距離，測量精度優(yōu)于10nm，測量量程可達(dá)到100cm。本裝置包括寬帶光源、陣列光纖濾波器、光纖環(huán)形器、光纖探頭、可調(diào)光纖濾波器等；所述寬帶光源、陣列光纖濾波器與光纖環(huán)形器第一端口依次連接，光纖環(huán)行器的第二端與光纖探頭連接，光纖探頭將光波照射在反射體表面并同時(shí)接收從反射體表面返回的反射光波，光纖環(huán)行器的第三端口、可調(diào)光纖濾波器、光纖放大器、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)依次連接。
【專利說明】一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及絕對距離精密測量系統(tǒng)，尤其是具備微納米級分辨能力的一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]作為物理學(xué)的第一個(gè)基本物理量，距離(或長度)在科技研究、工程應(yīng)用和儀器制造等領(lǐng)域中具有廣泛的用途，距離的測量所涉及的范圍相當(dāng)廣泛，其中，精密距離測量涉及精密計(jì)量與微機(jī)電系統(tǒng)等，通過測量距離及其變化可以間接檢測到很多物理量，如加速度、壓強(qiáng)和應(yīng)力等。目前，通常用電感式、光柵式、渦流式和掃描式等傳感器來精密測距。電感式傳感器帶有無滑動觸點(diǎn)，雖然工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，但是測量對象必須是金屬導(dǎo)體，此外由于是接觸測量，因此可能會對被測對象帶來負(fù)面影響。光柵式傳感器雖具有易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、抗干擾能力強(qiáng)、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是測量精度一般在微米級，且大多數(shù)光柵傳感器只能測量物體運(yùn)動過程中產(chǎn)生的距離改變值(即位移)，不能測量靜態(tài)下物體相對于某一原點(diǎn)的絕對距離。渦流式傳感器利用電渦流效應(yīng)能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導(dǎo)體距探頭表面距離，但是被測體必須是金屬導(dǎo)體，這個(gè)缺點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。掃描式傳感器包括波長掃描式、時(shí)間掃描式和空間掃描式，掃描式位移傳感器難以兼顧測量精度和測量范圍，系統(tǒng)的抗干擾能力較差，例如基于白光干涉原理的低相干干涉位移傳感器就是一種典型的波長掃描式位移傳感器，其測量精度可達(dá)到納米，但測量量程只有幾個(gè)毫米。綜上所述，目前的精密測距技術(shù)難以兼顧測距精度和測量量程，難以滿足精密計(jì)量與微機(jī)電系統(tǒng)等方面日益發(fā)展的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為了對針對金屬與非金屬物體進(jìn)行微納米精度的距離測量，提供一種全光纖頻域干涉絕對距離測量裝置及對應(yīng)測量方法，該裝置方便易操作，能夠高分辨力地測量反射體表面與光纖探頭光出射端面的絕對距離，測量精度優(yōu)于1nm,測量量程可達(dá)到100cm。
[0004]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法包括:
[0006]步驟1:寬帶光源產(chǎn)生光波通過陣列光纖濾波器后，光波通過光纖環(huán)形器第一端口入射至光纖環(huán)形器，光波通過光纖環(huán)形器第二端口后入射至光纖探頭尾纖，光纖探頭光出射端面出射光波并照射在反射體上，光纖探頭4光出射端面同時(shí)接收從反射體表面返回的反射光波；
[0007]步驟2:光波從光纖探頭光出射端面發(fā)射時(shí)，由于菲涅耳效應(yīng)，部分光從光纖探頭光出射端面直接反射回來，成為參考光束，另一部分光波照射在反射體表面上發(fā)生反射，并由光纖探頭光出射端面收集返回，叫做探測光束；寬帶光源輸出的光強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)為10(f)，其電場強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)為EcXf)，兩者關(guān)系為:
[0008]10(f) = |E0(f) I2 (I)
[0009]參考光束的光強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)IJf)為:
[0010]Ir (f) = B110 (f) = B11 E0 (f) 12 (2)
[0011]其中為光纖探頭光出射端面反射率，(Ka1^ I ;假設(shè)光纖探頭光出射端面到反射



2Λ
體表面的距離為d，探測光束相對于參考光束多傳播的時(shí)間為T= 一(c為真空中光速)，所




c
以探測光束電場強(qiáng)度相對于參考光束產(chǎn)生exp (2 Tf)的相位延遲，其光強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)Id (f)為:
[0012]Id(f) = (l-a^a^oif) = (^a1) a21E0 (f) exp (2 π Tf) |2
[0013](3)
[0014]= (1-B1) a21 E0 (f) exp (4 n df/c) |2
[0015]其中a2為反射體反射效率，0〈a2 ( 1，探測光束和參考光束在光纖探頭中相遇后產(chǎn)生頻域干涉；
[0016]步驟3:參考光束和探測光束在光纖探頭中相遇后產(chǎn)生頻域干涉信號并一起通過光纖探頭尾纖返回到光纖環(huán)行器的第二端口，再經(jīng)光纖環(huán)行器的第三端口依次輸送至可調(diào)光纖濾波器、光纖放大器；
[0017]步驟4:光纖放大器將頻域干涉信號放大后傳輸?shù)焦饫w光譜儀；由光纖光譜儀記錄的頻域干涉光強(qiáng)I (f)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫為:

【權(quán)利要求】
1.一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法，其特征在于包括: 步驟1:寬帶光源產(chǎn)生光波通過陣列光纖濾波器后，光波通過光纖環(huán)形器第一端口入射至光纖環(huán)形器，光波傳播至光纖環(huán)形器第二端口后入射至光纖探頭尾纖，光纖探頭光出射端面出射光波并照射在反射體上，光纖探頭光出射端面同時(shí)接收從反射體表面返回的反射光波； 步驟2:光波從光纖探頭光出射端面發(fā)射時(shí)，由于菲涅耳效應(yīng)，部分光從光纖探頭光出射端面直接反射回來，成為參考光束，另一部分光波照射在反射體表面上發(fā)生反射，并由光纖探頭光出射端面收集返回，叫做探測光束；寬帶光源輸出的光強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)為10(f)，其電場強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)為Etl (f)，兩者關(guān)系為:
10(f) = |E0(f) I2 (I) 參考光束的光強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)IJf)為:
Ir (f) = ajjf) = B1 |E0 (f) I2 (2) 其中S1S光纖探頭光出射端面反射率,(Ka1 < I ;假設(shè)光纖探頭光出射端面到反射體表面的距離為d,探測光束相對于參考光束多傳播的時(shí)間為T= 一 c為真空中光速,所以探測



C光束電場強(qiáng)度相對于參考光束產(chǎn)生exp (2 Tf)的相位延遲，其光強(qiáng)度隨光波頻率f的分布函數(shù)Id(f)為:
Id(f) = (I^a21if) = (1-B1)a21E0(f) exp (2 π Tf) |2 (3)
=(1-B1) a21E0 (f) exp (4 π df/c) |2 其中a2為反射體反射效率，0〈a2 ( 1，探測光束和參考光束在光纖探頭中相遇后產(chǎn)生頻域干涉； 步驟3:參考光束和探測光束在光纖探頭中相遇后產(chǎn)生頻域干涉信號并一起通過光纖探頭尾纖返回到光纖環(huán)行器的第二端口，再經(jīng)光纖環(huán)行器的第三端口依次輸送至可調(diào)光纖濾波器、光纖放大器； 步驟4:光纖放大器將頻域干涉信號放大后傳輸?shù)焦饫w光譜儀；由光纖光譜儀記錄的頻域干涉光強(qiáng)I (f)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫為:
_ = (/) + -y/(l-a,)?2￡0 (f)exp(4ndf /c)f
=Ir if) + h (./') + 2^/,(/)./,(/) cos(4?f' / c)
=h) if).[^i + λ2 - Q1O2 +cos(4m|/7c)]( 4 y 對(4)式取傅立葉變換可得以時(shí)間t為橫坐標(biāo)的頻域干涉光的功率譜函數(shù)G(t):G(0 = F[/(/)]

2eos( 4mif! c)] { =+a，- a,a.)δ(?)十:十2d/c) + V(1 ---5(?-2d/c)] (5)
=(^i 十 α? — CilC/，)Ο0 (f) + J(ι 二 “G(t 十 Id ? c) +(t ? 2d /c)
=^1G0(Z) + b2GQ(i + 2d! c) + h2G^{t — 2d / c)式中bj = (B^a2-B1B2)和b2)ata2為常數(shù)，G0(t)是10(f)經(jīng)傅立葉變換后的功率譜函數(shù)；步驟5:計(jì)算機(jī)中計(jì)算距離d，具體過程:當(dāng)GtlU)函數(shù)的特征時(shí)間點(diǎn)，即GtlU)的極大值點(diǎn)位于t = O時(shí)，式(5)在功率譜中表現(xiàn)為特征時(shí)間點(diǎn)在坐標(biāo)t = O、?=—和/=——的三








/.>








K*個(gè)極大值點(diǎn)，依次稱為第I特征時(shí)間點(diǎn)、第2特征時(shí)間點(diǎn)和第3特征時(shí)間點(diǎn)；通過判讀第2、


2d第3特征時(shí)間點(diǎn)的在時(shí)間坐標(biāo)上的位置，即可得到一的值，進(jìn)而得到距離d。



c
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法，其特征在于所述光纖探頭是平頭石英光纖或者是光纖自聚焦透鏡棒；平頭石英光纖光出射端面鍍增透膜，光纖自聚焦透鏡棒光出射端面鍍增反膜；從光纖探頭光出射端面菲涅耳反射的參考光波與反射體表面反射的探測光波以共軸方式在光纖探頭的尾纖中傳輸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法，其特征在于當(dāng)待測距離不大于1mm時(shí)，要求可調(diào)光纖濾波器和光纖光譜儀的帶寬大于60nm，當(dāng)待測距離大于1mm時(shí)，要求可調(diào)光纖濾波器和光纖光譜儀的帶寬大于2nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法，其特征在于所述距離測量值d’與真值d之間的誤差A(yù)d滿足:Ai = /^ = h與寬帶光源的調(diào)制頻率



^ f有關(guān)；Ad的具體計(jì)算過程是: 步驟21:對于常用的寬帶光源，其光強(qiáng)函數(shù)Ic^f)的光譜平坦度較差，導(dǎo)致函數(shù)Ic^f)經(jīng)傅立葉變換后的Gc^t)的特征時(shí)間點(diǎn)偏離坐標(biāo)t = O的位置，并且隨著電流、溫度等外部環(huán)境的波動，表現(xiàn)為:光譜平坦度越差，則特征時(shí)間點(diǎn)的位置的波動就越大，進(jìn)而第2、第3
2J,2d特征時(shí)間點(diǎn)相對于坐標(biāo)一**和I=-一出現(xiàn)與第I特征時(shí)間點(diǎn)相同的位置偏差，使得距尚d的測量結(jié)果出現(xiàn)誤差；設(shè)寬譜光源輸出的光強(qiáng)IcXf)的函數(shù)表達(dá)式為:
10 (f) = 10COS (2 n ft0+ Φ) (6) 即光強(qiáng)Itl (f)在頻率f坐標(biāo)軸下表現(xiàn)為受時(shí)間h調(diào)制的余弦函數(shù)，Itl為大于O的常數(shù)，Φ為隨機(jī)相位，通過傅里葉變化可知，其功率譜函數(shù)為GtlU): Gn1-γΙδ(? + ?η) +(?) 由式(7)可知，G0(t)的特征時(shí)間點(diǎn)相對于坐標(biāo)t = O的偏離量為土tQ ； 步驟22:根據(jù)式(5)，頻域干涉光的功率譜函數(shù)G(t)的第I特征時(shí)間點(diǎn)、第2特征時(shí)間



2 j點(diǎn)和第3特征時(shí)間點(diǎn)將出現(xiàn)在t = ±t0、t = 一土?(ι和I =--±^0的位置,導(dǎo)致判讀的困難；
CC因此需要對光源輸出光強(qiáng)進(jìn)行整形，以獲取較好平坦度的光強(qiáng)函數(shù)IcXf);通過調(diào)整陣列光纖濾波器中各個(gè)單濾波器的衰減值，從而消除光強(qiáng)函數(shù)10(f)曲線中的波動；根據(jù)式(5)和式(7)推導(dǎo)，寬帶光源的調(diào)制頻率為h時(shí)，距離測量值d’與真值d之間的誤差A(yù)d滿足: M = d'= ?(8)?

2
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖頻域干涉絕對測量距離裝置，其特征在于所述包括寬帶光源、陣列光纖濾波器、光纖環(huán)形器、光纖探頭、可調(diào)光纖濾波器、光纖放大器、光纖光譜儀、計(jì)算機(jī)；所述寬帶光源、陣列光纖濾波器與光纖環(huán)形器第一端口依次連接，光纖環(huán)行器的第二端與光纖探頭連接，光纖探頭將光波照射在反射體表面并同時(shí)接收從反射體表面返回的反射光波，光纖環(huán)行器的第三端口、可調(diào)光纖濾波器、光纖放大器、光纖光譜儀、計(jì)算機(jī)依次連接，其中寬帶光源、陣列光纖濾波器、光纖環(huán)形器、光纖探頭、可調(diào)光纖濾波器、光纖放大器、光纖光譜儀的尾纖之間通過法蘭盤或者熔接法連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種全光纖頻域干涉絕對測量距離裝置，其特征在于所述光纖探頭是平頭石英光纖或者是光纖自聚焦透鏡棒，平頭石英光纖光出射端面鍍增透膜，光纖自聚焦透鏡棒光出射端面鍍增反膜；從光纖探頭端面菲涅耳反射的參考光波與反射體表面反射的探測光波以共軸方式在光纖探頭的尾纖中傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種全光纖干涉絕對距離測量裝置，其特征在于所述當(dāng)待測距離不大于1mm時(shí)，可調(diào)光纖濾波器和光纖光譜儀的帶寬大于60nm，當(dāng)待測距離大于1mm時(shí)，可調(diào)光纖濾波器和光纖光譜儀的帶寬大于2nm。
【文檔編號】G01B11/02GK104197844SQ201410478855
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】翁繼東, 馬鶴立, 陶天炯, 劉盛剛, 王翔, 陳宏 , 戴誠達(dá), 劉倉理, 吳強(qiáng), 譚華, 李劍峰, 蔡靈倉, 王為, 葉素華, 汪小松, 賈路峰 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所