專利名稱：光纖偏振光干涉位移和振動測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械精密測量的技術(shù)領(lǐng)域，特別是屬于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(zhuǎn)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(shù)為特征的現(xiàn)代制造、微電子系統(tǒng)、微納米工程中，能夠?qū)崿F(xiàn)測控一體化的超精密加工與制作的設(shè)備得到普遍重視。在可以實現(xiàn)位移和振動量的非接觸式高精度測量中，光纖傳感技術(shù)提供了新的重要測量手段，并已開始進入實際應(yīng)用領(lǐng)域。已有的一種雙光束干涉位相調(diào)制型光纖位移測量儀，如

圖1所示，主要由激光器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(gòu)成的。其測量原理是以邁克爾遜型光學(xué)干涉儀為基本原理，由激光器110發(fā)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(dǎo)，并經(jīng)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，這兩束相互干涉形成的拍頻信號由探測器119接收，然后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。
采用這種光纖位相調(diào)制型傳感位移測量技術(shù)具有較大的測量范圍、較高的測量精度和較快的響應(yīng)速度，以及測頭小巧等特點。但是這種測量儀是基于雙光束干涉，檢測干涉位相變化，其檢測精度取決于干涉條紋的鑒相精度，通常鑒相精度為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。而在制造工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、航天航空工業(yè)以及國防軍事工業(yè)等許多領(lǐng)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(zhì)量的保證和零件加工在線檢測與控制。
本發(fā)明的目的在于為克服上述測量儀的不足之處，提出一種光纖偏振光干涉位移和振動測量儀，可以實現(xiàn)對物體位移和振動進行高精度的測量。
本發(fā)明提出一種光纖偏振光干涉位移和振動測量儀，包括激光器、激光電源、光纖和光纖定向耦合器、光電探測器及信號檢測系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所說的激光器輸出端的起偏器、由設(shè)置在所說的光纖端的自聚焦透鏡、四分之一波片構(gòu)成的測頭，設(shè)置在所說光電探測器前的檢偏裝置，所說的光纖采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(gòu)成了光纖偏振光干涉儀；所說的激光器發(fā)出激光經(jīng)起偏器后成為線偏振光束，進入光纖偏振光干涉儀，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(dǎo)出射到被測物表面，反射后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干涉后由光纖測頭導(dǎo)出經(jīng)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(fā)明所說的激光器可采用帶尾纖的半導(dǎo)體激光器與光纖直接耦合，所說的起偏器采用光纖起偏器，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(gòu)成一個全光纖集成化的光纖偏振光干涉儀。
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(shè)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(shè)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(shè)置在所說的四分之一波片外側(cè)的一段兩端帶有自聚焦透鏡的保偏光纖。該結(jié)構(gòu)可使用于測量的光纖測頭小型化。
本發(fā)明所說的激光電源可采用直流電源或直流加偏置調(diào)制電流的電源。
為保證所獲得的測量光電信號有較高的信噪比，本發(fā)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。記錄下激光光源發(fā)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(fā)明所述的高精度光纖偏振光干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(fā)明包括半導(dǎo)體激光器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(tǒng)等部件。其特征在于由激光器發(fā)出一束光經(jīng)起偏器后變成一束線偏振光，經(jīng)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(jīng)定向耦合器到另一端光纖4，并經(jīng)光纖測頭的自聚焦透鏡8導(dǎo)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(jīng)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波片后出射到被測物表面，被反射后再經(jīng)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，它們相互干涉后再經(jīng)另一λ/4波片17和檢偏器由光電探測器18接收，構(gòu)成一個光纖偏振光干涉儀。
出光學(xué)偏振光干涉原理可知，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波片后變成圓偏振光，出射到被測物并由其表面反射仍為圓偏振光，所說的圓偏振光再經(jīng)過λ/4波片后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(jīng)由另一λ/4波片后，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)，由于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，由于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?qū)㈦S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(jīng)過線偏振光檢偏系統(tǒng)由光電探測器接收，即可輸出測量信號，再經(jīng)信號處理后得到被測位移或振動量。
由光纖偏振光干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(diào)制型光纖干涉儀檢測光信號干涉條紋位相變化不同，光纖偏振光干涉儀測量靈敏度和精度取決于光信號的偏振角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)，由此光纖偏振光干涉儀的測量精度可以達到很高程度，即納米量級。即由本發(fā)明所說的原理可知，當位移量l變化一個波長λ，即相應(yīng)的干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(zhuǎn)動2π角度，即α＝2πl(wèi)/λ，相對應(yīng)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(xiàn)測量精度為1nm的位移測量是完全可能的。
本發(fā)明具有如下特點其一，本發(fā)明的這種位移測量儀適用于高精度位移量的檢測，由于采用傳感光和參考光共光路光纖干涉儀結(jié)構(gòu)，采用保偏光纖及其他器件，增強了抗外界干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，抗電磁干擾，整個測量儀器結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點。
其二，本發(fā)明的這種位移測量儀可以用于機械振動量測量，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于光電探測器和信號處理系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，一般1Hz～105Hz的頻率測量是完全可以實現(xiàn)的。
其三，本發(fā)明的這種位移測量儀不但能直接用于測量位移量，而且也可以用于測量能夠直接或間接轉(zhuǎn)化為位移量的其他機械量和物理量，比如利用物質(zhì)的熱漲冷縮效應(yīng)或者磁致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致材料長度變化，從而分別可以測量溫度或磁場強度；利用由于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(shù)和與此相關(guān)的物理量等。在上述各種測量應(yīng)用領(lǐng)域中，只要將本發(fā)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(xiàn)對許多不同物理量的測量。因此，本發(fā)明具有寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
附圖簡要說明圖1為已有的位相調(diào)制型光纖干涉位移測量儀示意圖。
圖2為本發(fā)明提供的光纖偏振光干涉位移和振動測量儀示意圖。
圖3為本發(fā)明一種實施例總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明一種實施例光纖測頭結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明另一種實施例光纖測頭結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的一種最佳實施例為全光纖集成化的光纖偏振光干涉振動測量儀，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，結(jié)合附圖詳細敘述如下該測量儀包括半導(dǎo)體激光器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(gòu)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。激光器1發(fā)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后分別進入光纖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(dǎo)出，射入并透過鍍有增透膜的四分之一波片16后變成圓偏振光，再入射到被測物23并由其表面反射回四分之一波片16，所說的圓偏振光再經(jīng)過四分之一波片后變成線偏振光，并由測頭進入光纖4，所說的這兩部分線偏振光的偏振狀態(tài)是正交的，一同經(jīng)過光纖定向耦合器2、光纖6由自聚焦透鏡9導(dǎo)出，當所說的這兩部分相互正交的線偏振光再經(jīng)由四分之一波片17后，變成兩束正交的圓偏振光并合成一線偏振光，該線偏振光的偏振角取決于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于被測物23的位移和振動，所說的線偏振光經(jīng)由檢偏器構(gòu)成的偏振角檢測器18后由光電探測器19接收，該光電信號的頻率和幅值大小經(jīng)標定換算后，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(shù)據(jù)實時處理。
本實施例半導(dǎo)體激光器功率為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采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(yōu)于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，本實施例可采用具有溫控和恒流的激光電源系統(tǒng)22，以輸出光強穩(wěn)定的激光束，可采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，記錄下激光光源發(fā)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(fā)明的線偏振光的偏振角度檢測可以采用光柵法和光強法，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(tǒng)，該線偏振光分解成兩路偏振態(tài)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(jīng)信號處理后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(jié)構(gòu)示意圖，即在此基礎(chǔ)上在所說的四分之一波片16外側(cè)的加一段兩端帶有自聚焦透鏡26、27的保偏光纖28。該結(jié)構(gòu)可使用于測量的光纖測頭小型化，外徑小于3mm。
權(quán)利要求
1.一種光纖偏振光干涉位移和振動測量儀，包括激光器、激光電源、光纖和光纖定向耦合器、光電探測器及信號檢測系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所說的激光器輸出端的起偏器、由設(shè)置在所說的光纖端的自聚焦透鏡、四分之一波片構(gòu)成的測頭，設(shè)置在所說的光電探測器前的檢偏裝置，所說的光纖采用高雙折射保偏光纖所說的激光器發(fā)出激光經(jīng)起偏器后成為線偏振光束，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(dǎo)出射到被測物表面，反射后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干涉后由光纖測頭導(dǎo)出經(jīng)檢偏裝置由光電探測器接收。
2.如權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，所說的激光器采用帶尾纖的半導(dǎo)體激光器與光纖直接耦合，所說的起偏器采用光纖起偏器，還包括與該光纖起偏器相連的光纖偏振保持器。
3.如權(quán)利要求1和2所述的測量儀，其特征在于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(shè)置為部分反射表面。
4.如權(quán)利要求1和2所述的測量儀，其特征在于所說的光纖測頭的自聚焦透鏡端面設(shè)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(quán)利1和2所述的測量儀，其特征在于所說的光纖測頭還包括，設(shè)置在所說的四分之一波片外側(cè)的一段兩端帶有自聚焦透鏡的保偏光纖。
6.如權(quán)利1和2所述的測量儀，其特征在于所說的激光電源采用直流電源或直流加偏置調(diào)制電流的電源。
7.如權(quán)利1和2所述的測量儀，其特征在于，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(fā)明屬于機械精密測量的領(lǐng)域,包括激光器、激光電源、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(tǒng),還包括設(shè)置在激光器輸出端的起偏器、由設(shè)置在光纖端的自聚焦透鏡、四分之一波片構(gòu)成的測頭,設(shè)置在光電探測器前的檢偏裝置。本發(fā)明可以對物體位移和振動進行高精度的測量。增強抗外界干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,抗電磁干擾,整個測量儀器結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)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(yōu)先權(quán)日1999年8月20日
發(fā)明者田芊, 章恩耀, 張云祥, 原誠寅, 張敏, 徐鐵軍 申請人:清華大學(xué)