[發明專利]一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201410478855.5
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104197844B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 翁繼東;馬鶴立;陶天炯;劉盛剛;王翔;陳宏;戴誠達;劉倉理;吳強;譚華;李劍峰;蔡靈倉;王為;葉素華;汪小松;賈路峰
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214
• 代理人: 徐靜

技術領域

本發明涉及絕對距離精密測量系統，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

作為物理學的第一個基本物理量，距離(或長度)在科技研究、工程應用和儀器制造等領域中具有廣泛的用途，距離的測量所涉及的范圍相當廣泛，其中，精密距離測量涉及精密計量與微機電系統等，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、壓強和應力等。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，雖然工作時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體，此外由于是接觸測量，因此可能會對被測對象帶來負面影響。光柵式傳感器雖具有易實現數字化、抗干擾能力強、沒有人為讀數誤差、安裝方便、使用可靠等優點，但是測量精度一般在微米級，且大多數光柵傳感器只能測量物體運動過程中產生的距離改變值(即位移)，不能測量靜態下物體相對于某一原點的絕對距離。渦流式傳感器利用電渦流效應能靜態和動態地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面距離，但是被測體必須是金屬導體，這個缺點限制了它的廣泛應用。掃描式傳感器包括波長掃描式、時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，其測量精度可達到納米，但測量量程只有幾個毫米。綜上所述，目前的精密測距技術難以兼顧測距精度和測量量程，難以滿足精密計量與微機電系統等方面日益發展的要求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術存在的問題，為了對針對金屬與非金屬物體進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，測量精度優于10nm，測量量程可達到100cm。

本發明采用的技術方案如下：

一種全光纖頻域干涉絕對距離測量方法包括：

步驟1：寬帶光源產生光波通過陣列光纖濾波器后，光波通過光纖環形器第一端口入射至光纖環形器，光波通過光纖環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射時，由于菲涅耳效應，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度隨光波頻率f的分布函數為I₀(f)，其電場強度隨光波頻率f的分布函數為E₀(f)，兩者關系為：

I₀(f)＝|E₀(f)|²??(1)

參考光束的光強度隨光波頻率f的分布函數I_r(f)為：

I_r(f)＝a₁I₀(f)＝a₁|E₀(f)|²??(2)

其中a₁為光纖探頭光出射端面反射率，0<a₁≤1；假設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間為(c為真空中光速)，所以探測光束電場強度相對于參考光束產生exp(2πTf)的相位延遲，其光強度隨光波頻率f的分布函數I_d(f)為：

I_d(f)＝(1-a₁)a₂I₀(f)＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(2πTf)|²

?????????????????????????????????????????????????????????????????(3)

＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(4πdf/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生頻域干涉；