利用光纤光栅的光纤干涉型在线微位移测量系统

摘要

本发明公开了一种微位移测量系统，特别是一种适用于在线测量的微位移测量系统。利用光纤光栅特性和波分复用技术构成光纤复合迈克尔逊干涉仪，该干涉仪包含二个反射镜独立但光路几乎重合的光纤迈克尔逊干涉仪。一个干涉仪用于测量，另一干涉仪经反馈控制以补偿由于环境干扰给测量带来的影响，从而使系统适用于在线测量。本发明只用一只谱宽为1.5nm中心波长为1550nm的半导体激光器发出的光同时作用于两个干涉仪中，这不仅使系统成本低，方便实现自动测量，而且反馈控制电路对压电陶瓷的放电不对测量产生影响，使测量能连续进行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微位移测量系统，特别是涉及一种适用于在线测量的微位移测量系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

现有的与本发明技术相接近的报导文献有以下两个：[1]Dejiao Lin，XiangQian jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang，and Ian Bennion，“High stabilitymultiplexed fiber interferometer and its application on absolute displacementmeasurement and on-line surface metrology”，Optics Express，Vol.12，Issue 23，2004，P.5729-5734.(Optics Express，2004年，第12卷，第23期，P.5729-5734)

[2]Xiang qian Jiang，Dejiao Lin，Liam Blunt，Wei Zhang and Lin Zhang，“Investigation of some critical aspects of on-line surface measurement by awavelength-division-multiplexing technique”，Measurement Science and Technology，Vol.17，No.3，2006，P.483-487.(Measurement Science and Technology，2006年，第17卷，第3期，P.483-487)

这两个文献的技术原理相同，其原理图如1所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ0的光经过两个3dB耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过回旋器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过回旋器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管(PZT)调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个3dB耦合器后被分为两路，一路经过自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过回旋器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

此技术的问题和不足是：

1、系统中用两个波长不同的激光器发出的光分别作用于两个迈克耳逊干涉仪中，这两个光源分别是半导体激光器和可调谐激光器。可调谐激光器的价格非常昂贵，这使得系统的成本很高。而且，测量过程中需要手动调节可调谐激光器的波长实现对表面的测量，其原理如图2所示，这实际操作起来非常费工费时，不能实现自动测量。

2、系统中用于稳定干涉仪的光源和用于测量干涉仪的光源波长不同；而且，测量干涉仪和稳定干涉仪的参考臂用的是同一个反射镜，所以两个干涉仪的参考臂的光路完全重合。为了使压电陶瓷能连续地完成跟踪工作，当压电陶瓷上的驱动电压达到饱和值(最大为电源电压值)时，需要对压电陶瓷进行放电，当反馈控制系统对压电陶瓷放电时，放电前的测量数据与放电后的测量数据不连续，所以测量必须在两次放电之间完成。而在实验室条件下，压电陶瓷的放电频率约为0.2Hz，这将限制该技术在实际中的应用。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的问题和不足而提出的。只采用一只廉价的谱宽为1.5nm的半导体激光器作为光源，此光源发出的光通过波分复用技术，利用光纤光栅及啁啾光纤光栅，同时作用于稳定迈克尔逊干涉仪中和测量迈克尔逊干涉仪中；在测量迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端分别写入两个参数相同的光纤光栅作为稳定迈克耳逊干涉仪的两个反射镜，这样，测量迈克尔逊干涉仪和稳定迈克尔逊干涉仪有各自独立的反射镜，两个干涉仪的测量臂和参考臂的光路几乎重合但又不完全相同。整个系统成本低廉，测量过程不需要人的干预，能实现自动测量；反馈系统对压电陶瓷的放电不再对测量过程产生影响，既能保证干涉仪的持续稳定，又能使测量连续进行。

本发明是通过以下技术方案实现的。

利用一个谱宽1.5nm的半导体激光器，以及利用光纤光栅和啁啾光纤光栅的特性以及波分复用技术构成两个反射镜独立但光路几乎重合的两个光纤迈克尔逊干涉仪。两个参数相同的光纤光栅分别位于用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂的末端，构成了两个光路几乎重合的复合在一起的光纤迈克尔逊干涉仪。通过反馈控制系统驱动压电陶瓷管调节光纤干涉臂长度使得以光纤光栅作为反射镜构成的迈克尔逊干涉仪的两个干涉臂处于正交状态(两个臂的相位差为π/2)，这样，补偿了振动和环境温度的漂移给以光纤光栅为反射镜的干涉仪带来的影响，可以使这个干涉仪在现场环境中也能保持稳定。由于这个干涉仪与用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪的光路几乎重合，所以用于测量的光纤迈克尔逊干涉仪也稳定了，从而使该系统能用于在线测量。

本系统通过用另一个压电陶瓷对测量光纤迈克尔逊干涉仪的参考臂的光程进行线性调制，使两个臂的相位差由零线性地增加到2π，两个臂的初始相位差为零。当测量臂的光程由于被测位移的变化而引起Δd变化时，两个臂的初始相位差将变为所以初始相位差的变化量与被测位移的变化量成正比。

通过测量初始相位差的变化量实现对位移的测量。

本发明的有益效果主要有两个：

1、本发明的测量系统中只用一只谱宽1.5nm中心波长1550nm的廉价的半导体激光器，该激光器发出的光通过波分复用技术，同时作用于稳定干涉仪中和测量干涉仪中，这不仅使测量系统的成本降低了50％以上，而且，系统很方便地实现自动测量。

2、本发明利用一对参数相同的光纤光栅作为稳定干涉仪的反射镜，稳定迈克尔逊干涉仪和测量迈克尔逊干涉仪有各自独立的反射镜；由于两个干涉仪的工作波长均来自于同一个激光器，两个干涉仪的工作波长几乎相同，所以，压电陶瓷放电不会影响测量过程，放电前的测量数据与放电后的测量数据连续，这使得测量能够连续进行，使测量系统具有实用价值。

附图说明

图1是现有技术的总原理图；

图2是现有技术的实现表面测量原理图；

图3是本发明原理图；

图4是本发明中压电陶瓷的放电不影响测量连续的说明图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，谱宽为1.5nm中心波长为1550nm半导体激光器LD发出的光经过单模光纤3dB-耦合器1、回旋器1和3dB-耦合器2后被分为两路，分别到达光纤光栅FBG1和FBG2，FBG1和FBG2的参数相同，它们反射的布拉格波长也相同，它们将反射回谱宽为0.1nm，中心波长1549nm的光。其余光谱的光将通过FBG1和FBG2，经过自准直透镜(GRIN)准直后，变成平行光束，分别到达测量反射镜和参考反射镜，再由测量反射镜和参考反射镜反射，重新进入干涉仪中，在耦合器2相遇并生干涉。干涉信号经过回旋器3和FBG3(FBG3与FBG1和FBG2的反射波长相同)被探测器PD3探测。当被测物体发生位移时，干涉信号的相位将变化。如果被测物体在纵向方向(垂直于被测表面)位移Δd，那么，对应干涉信号的相位变化量为：

式中λ为入射光波波长。由方程(1)可知只要解调出干涉信号的相位变化量Δ，经过数据处理，即可测出被测物体在纵向方向位移Δd。为此，系统对参考光路中的压电陶瓷PZT2加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节参考光路的光程。调节锯齿波电压的幅值及参考光路光程，使得周期性的锯齿波电压与干涉信号同周期同相位。当被测物体在纵向方向有位移时，锯齿波电压的相位和该干涉信号的相位就不同，测出二者之间的相位差，经过数据处理后，即得到被测物体在纵向方向的位移值。图3所示，把测量干涉仪中测量臂的自准直透镜改为自聚焦透镜(GRIN)，即可对表面进行测量，其横向位移用步进电机实现。

根据光纤光栅特性，当一宽带光谱入射到一个光纤光栅时，光纤光栅将满足布喇格条件的波长反射回来，其它波长透过。满足布喇格条件的波长为：

λ_Bragg＝2n_effΛ    (2)

式中n_eff为光纤有效折射率，Λ为光纤光栅的光栅周期。

测量系统中用的三个光纤光栅(FBG1，FBG2，FBG3)的参数相同，它们反射相同的波长。系统中的光纤光栅将反射1549nm波长。将FBG1和FBG2写在尽量靠近光纤自准直透镜(GRIN)的位置，使由FBG1和FBG2为反射镜构成的光纤迈克尔逊干涉仪与测量回路中的迈克尔逊干涉仪的光路尽量多地重合。

由FBG1和FBG2反射回来的光在耦合器2相遇并发生干涉，耦合器2的一路干涉信号经过回旋器1和回旋器2及啁啾光纤光栅CFBG4，被探测器PD1探测；从耦合器2出来的另一路干涉信号经过回旋器3，被FBG3反射，再次经过回旋器3，被探测器PD2探测。探测器PD1和PD2探测到的信号经过反馈控制系统处理，作为反馈信号作用在压电陶瓷管PZT1上，光纤干涉仪的一个臂缠绕在PZT1上，根据反馈信号的大小PZT1调节光纤的长度，以此调节该光路的光程，使得光纤光栅迈克尔逊干涉仪的两个臂始终处于正交状态(干涉信号的相位始终为π/2)。这就对由于温度漂移和环境振动等干扰给光纤光栅迈克尔逊干涉仪带来的附加光程实现了实时补偿，使得光纤光栅迈克尔逊干涉仪有强的抗干扰能力。此光纤光栅迈克尔逊干涉仪的光路和测量回路中的测量迈克尔逊干涉仪的光路的主要部分几乎重合，只要光纤光栅迈克尔逊干涉仪稳定了，测量回路中的迈克尔逊干涉仪也稳定了。该反馈控制系统的工作频率范围为0～5kHz，也就是说该反馈控制系统可以对0～5kHz的干扰信号进行修正和补偿，使测量回路中的迈克尔逊干涉仪能精确地进行测量工作，适合于在线测量。

由于啁啾光纤光栅CFBG4的作用(其反射波长为1.549.2～1552nm.)，使得测量干涉信号不能到达探测器PD1，而稳定干涉信号由于FBG3的反射到达不了PD3，这样就把测量干涉仪的信号和稳定干涉仪的信号分开了。

下面进一步说明本发明中压电陶瓷的放电对测量没有影响，如图4所示测量干涉仪的两个臂长分别为：

L₁＝l₁₁+l₁₂

L₂＝l₂₁+l₂₂

测量干涉仪的两个干涉臂的光程差为：

Δ_m＝L₂-L₁＝(l₂₁-l₁₁)+(l₂₂-l₁₂)    (3)

对应的相位差为：

从方程(4)可知，相位差的有效值决定于方程(4)的第二项，而与第一项没有关系，所以，压电陶瓷放电不会给测量结果带来影响。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。