[發明專利]一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量方法

有效

• 申請號: 201610587101.2
• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN106289068B
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發明（設計）人: 張鳴;朱煜;倪暢;成榮;楊開明;葉偉楠;王磊杰;丁思奇;崔健章
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B9/02
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)搭建測量系統：所述測量系統包括讀數頭(1)、測量光柵(2)和電子信號處理部件(3)；

所述讀數頭(1)包括雙頻激光發生器(11)、干涉儀(12)、第一光電轉換單元(13)、第二光電轉換單元(14)和第三光電轉換單元(15)；所述雙頻激光發生器(11)包括激光管(111)、針孔(112)、準直透鏡(113)、分光鏡(114)、第一聲光調制器(115)、第二聲光調制器(115')、第一光擋(116)、第二光擋(116')、第一反射鏡(117)、第二反射鏡(117')、第一偏振片(118)、第二偏振片(118')、第一高透射分光鏡(119)、第二高透射分光鏡(119')和參考信號合成單元(110)；所述干涉儀(12)包括第一干涉儀分光鏡(121)、第二干涉儀分光鏡(122)、第一反射器(123)、第二反射器(124)；

2)利用步驟1)的測量系統進行測量：

a)雙頻激光發生器(11)的激光管(111)出射一束單頻激光，該單頻激光經過針孔(112)和準直透鏡(113)準直后，經分光鏡(114)分為兩束功率相同、傳播方向垂直的光，兩束光分別經第一聲光調制器(115)和第二聲光調制器(115')后產生衍射光，包括兩束零級衍射光和兩束一級衍射光，兩束零級衍射光分別被第一光擋(116)和第二光擋(116')攔截，兩束一級衍射光分別經第一反射鏡(117)、第一偏振片(118)和第二反射鏡(117')、第二偏振片(118')后，入射至第一高透射分光鏡(119)和第二高透射分光鏡(119')；

b)第一高透射分光鏡(119)和第二高透射分光鏡(119')反射出的兩束功率較小的光，入射至參考信號合成單元(110)，合成外差參考光信號，第一高透射分光鏡(119)和第二高透射分光鏡(119')透射出的兩束功率較大的光，形成非共軸雙頻激光，出射至干涉儀(12)；

c)外差參考光信號出射至第三光電轉換單元(15)，轉換為外差參考電信號，經電纜輸出至電子信號處理部件(3)；

d)干涉儀(12)的第一干涉儀分光鏡(121)將入射的一束激光分為第一參考光和第一測量光，第一參考光經第二干涉儀分光鏡(122)入射至第二光電轉換單元(14)；第一測量光經第一反射器(123)后以利特羅角入射至測量光柵(2)并發生衍射，產生衍射光原路返回，經第一反射器(123)、第一干涉儀分光鏡(121)后入射至第一光電轉換單元(13)；

e)干涉儀(12)的第二干涉儀分光鏡(122)將入射的一束激光分為第二參考光和第二測量光，第二參考光經第一干涉儀分光鏡(121)入射至第一光電轉換單元(13)；第二測量光經第二反射器(124)后以利特羅角入射至測量光柵(2)并發生衍射，產生衍射光原路返回，經第二反射器(124)、第二干涉儀分光鏡(122)后入射至第二光電轉換單元(14)；

f)第一參考光和第二測量光的衍射光在第二光電轉換單元(14)前重合并發生干涉，形成第一拍頻光信號I₁，第二參考光和第一測量光的衍射光在第一光電轉換單元(13)前重合并發生干涉，形成第二拍頻光信號I₂；

g)I₁和I₂分別被第二光電轉換單元(14)和第一光電轉換單元(13)轉換為外差測量電信號，經電纜輸出至電子信號處理部件(3)；

h)由a)到g)，電子信號處理部件(3)得到一個外差參考電信號和兩個外差測量電信號，做信號解調和處理，得到包含有X和Z兩個方向位移信息的相位變化值和表達為：

其中，d為測量光柵(2)的柵距，λ₁和λ₂為雙頻激光的兩個波長，θ₁為波長是λ₁的激光入射至測量光柵(2)的利特羅角，θ₂為波長是λ₂的激光入射至測量光柵(2)的利特羅角，Δx為待求的X方向位移值，Δz為待求的Z方向位移值；

將已知的參數值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂帶入上述的和的表達式，得到一個簡單的二元一次方程組，解該方程組，從而得測量光柵(2)分別在在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，實現了二自由度位移測量。