[發明專利]基于光纖耦合器的小型化單光柵干涉測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 201310533602.9
• 申請日: 2013-10-31
• 公開（公告）號: CN103575220A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 顏樹華;魏春華;林存寶;王國超;鄒鵬飛;羅玉昆;胡青青
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;周長清

技術領域

本發明主要涉及到測量儀器設備領域，特指一種基于光纖耦合器的小型化單光柵干涉測量系統及測量方法。

背景技術

納米測量是先進制造業發展的關鍵技術，也是整個納米科技領域的先導和基礎。隨著超精密加工和超微細加工技術的發展，行程達100毫米量級、運動分辨率達到納米級的超精密和超微細加工設備，對大量程、納米級高精度的測試手段提出了迫切需求。在眾多納米測量儀器中，光柵測量儀器具有測量范圍大、測量分辨率高等特點。而光纖干涉儀由于體積小、重量輕、抗電磁干擾、能波分復用、高度集成和價格低廉等優點被廣泛應用于精密測量領域,對位移、振動、速度、加速度、應變以及溫度等參量進行測量。

光柵測量儀器將柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合起來，測量基準是光柵的柵距而不是光波的波長。測量精度主要取決于光柵的刻制精度，受入射光波長變化的影響相對較小。目前，光柵測量儀器雖然可以得到較高的測量分辨率，但其測量精度受到了較多因素的限制，尚未達到應有的納米級水平。首先，傳統的光柵干涉測量都是將兩束衍射光經過一定的光路系統在空氣中發生干涉，一方面光路結構較為復雜、工作人員調試起來相對困難；另一方面光路系統隨著時間的變化會發生緩慢微小的偏移、光路相對結構發生了變化，影響測量結果。其次，隨著激光器的老化、大氣湍流引起的光束偏轉及波面變形、外界振動等因素都有可能造成光強的波動。尤其是對于傳統的干涉測量，干涉場在普通的大氣環境下，空氣擾動、大氣湍流引起的測量誤差尤為突出。而在現有測量位移的光纖干涉測量系統中，為了提高測量精度，需要對環境干擾引起的相位的隨機變化進行補償。利用共路干涉的方法抑制環境干擾對測量系統的影響，但測量量程很小。

因此，現有光柵測量儀器雖然能夠得到納米級的測量分辨率，但測量精度尚未達到納米級水平；且目前傳統的光柵干涉測量系統與光纖干涉測量結合并不緊密。

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種小型化、一體化、大量程、高精度的基于光纖耦合器的小型化單光柵干涉測量系統及測量方法。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：

一種基于光纖耦合器的小型化單光柵干涉測量系統，包括激光器、用于產生衍射的光柵、光纖耦合器和光電探測器，所述激光器輸出的光經光纖傳輸并入射到光柵上形成各級衍射光；一組對稱級次的衍射光通過耦合后進入光纖耦合器；該組衍射光在光纖耦合器中發生干涉后經光纖耦合器輸出光干涉場信號，在光纖耦合器輸出端設有記錄輸出光信號的光電探測器，并對接收信號進行處理后得到光柵在某一方向的位移量。

作為本發明測量系統的進一步改進：

所述光柵、光纖耦合器和光電探測器封閉在一個小型化測量模塊內，所述光電探測器的輸出信號經導線由測量模塊引出，所述激光器輸出的光經光纖傳輸進入小型化測量模塊內。

所述激光器經光纖耦合后進入小型化測量模塊內并垂直入射光柵，在入射光兩側形成對稱分布的各級次衍射光。

所述光纖耦合器的兩個輸入端設置在光柵與耦合器之間的衍射光光路上，所述光纖耦合器的兩個輸入端沿入射光路的兩側呈對稱放置，將一組對稱級次的衍射光耦合進入光纖耦合器。

所述光纖耦合器優為2×1、2×2、2×3或3×3耦合器。

所述光纖耦合器工作波長應與激光器輸出光波長一致，耦合比均勻。

所述光柵優為反射光柵或透射光柵。

所述光柵為低熱膨脹系數的石英或零膨脹玻璃材料制作的光柵。

本發明進一步提供一種基于上述測量系統的測量方法，其步驟為：先令激光器輸出的光耦合進入光纖，并由光纖傳輸垂直入射到光柵上；所述經光柵衍射形成各級次的衍射光，將其中的±n級衍射光分別耦合進入光纖耦合器的兩個輸入端，兩束衍射光經過輸入端聚焦透鏡耦合進入光纖耦合器并在光纖耦合器中發生干涉；從光纖耦合器的M個輸出端輸出M路光干涉信號，其中M為2或3；用N個光電探測器對光信號進行接收，將接收到的信號經導線引出封閉測量模塊并進行處理，其中N≤M；當光柵發生位移時，會引起N路探測器接收信號發生變化，使得所述測量光路產生相位相差特定度數的N路信號，信號的周期數與位移量存在對應關系，將待測參量的變化轉換為所述光柵的運動；對N路接收信號進行采集并分別同時記錄光干涉信號的變化，最后用數字相位測量法再進行高倍數的電子細分，即可精確測量光柵的位移量。

與現有技術相比，本發明的優點在于：