[發(fā)明專利]一種激光干涉法信號提取系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711281806.2
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN108151871B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王寧;薛飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G05B19/042
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發(fā)明公開了一種激光干涉法信號提取系統(tǒng)，機械振子與光纖端面反射回的光將發(fā)生干涉，光腔長度也就是機械振子位移的變化將引起反射光強的變化，通過光電探測器將機械振子位移的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺妷盒盘枌⒎譃閮陕罚谝宦方?jīng)過信號放大采集單元后被放大并進行數(shù)據(jù)采集，再送入電腦內(nèi)做傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻譜，以反映機械振子的振動狀態(tài)，第二路信號作為PID控制單元的輸入，控制激光干涉工作點，所述的噪聲隔離單元位于PID控制單元的輸入端前面，避免PID控制單元的噪聲進入到信號放大采集部分中。本發(fā)明能夠?qū)⒐ぷ鼽c始終鎖定在干涉曲線的斜率最大點,并解決外界干擾引起的光干涉腔距離變化引起干擾問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信號讀取與穩(wěn)定系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光干涉法信號提取系統(tǒng)。

背景技術(shù)

基于微納機械振子的力探測具有很高的局部空間響應(yīng)和靈敏度，這使它成為測量微納尺度小樣品的理想工具，推動了相關(guān)科學(xué)問題更深入的研究。在進行磁性或表面測量時，信號反映在機械振子共振頻率的變化上，比如扭矩測磁學(xué)測量小尺寸的磁性樣品，原子力顯微鏡采用交流模式進行測量等。微納米量級的機械振子的振動位移只有皮米（pm）量級，測量如此小的位移對測量儀器提出了較高的要求。

目前主流用于測量微納機械振子位移的方法有電容耦合，磁感應(yīng)和光纖干涉這3種。而光纖干涉法是被認(rèn)為靈敏度最高，對測試樣品影響最小的一種方法。就激光干涉法來說，目前常用的做法是激光器連接光纖耦合器，然后通過微透鏡將光聚焦到機械振子上，機械振子與光纖前端組成光干涉腔，光纖前端反射的光與機械振子反射的光發(fā)生干涉，干涉信號通過光纖耦合器用光電探測器測量，然后進行數(shù)據(jù)采集與處理。通過調(diào)節(jié)激光的波長，將光纖干涉信號的工作點設(shè)置在干涉信號斜率最大處，這時的位移信號也大，測量效果達(dá)到最好。

在實際的測量中情況并非如此理想，比如在進行扭矩磁測量的過程中，磁場由小到大的掃場過程中，由磁性樣品引起的扭矩會改變，懸臂梁會受到扭矩而變彎，這會引起光干涉腔長度的變化，之前設(shè)定好的工作點會發(fā)生變化。這帶來的影響是會減小機械振子振動信號的信噪比，有時還會丟失信號。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種激光干涉法信號提取系統(tǒng)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種激光干涉法信號提取系統(tǒng)，包括有激光器、激光器電源、PID控制單元、光電探測器、信號放大采集單元、噪聲隔離單元和電腦，所述的激光器電源輸出電流到激光器，激光器發(fā)出的激光干涉信號形成后，經(jīng)過光纖耦合器將激光功率衰減100倍，然后通過微透鏡聚焦于機械振子振動位移最大位置，光纖端面與機械振子表面形成光腔，機械振子與光纖端面反射回的光將發(fā)生干涉，光腔長度也就是機械振子位移的變化將引起反射光強的變化，通過光電探測器將機械振子位移的信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺妷盒盘枌⒎譃閮陕罚谝宦方?jīng)過信號放大采集單元后被放大并進行數(shù)據(jù)采集，再送入電腦內(nèi)做傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻譜，以反映機械振子的振動狀態(tài)，第二路信號作為PID控制單元的輸入，控制激光干涉工作點，所述的噪聲隔離單元位于PID控制單元的輸入端前面，避免PID控制單元的噪聲進入到信號放大采集部分中。

所述的激光器電源為電流源，電流范圍為0-100mA,所述的激光器采用波長為1550nm的單模激光器，所述的光纖耦合器采用99：1的衰減比，所述的光電探測器的型號為Newport1550。

所述的PID控制單元包括有有源低通濾波器、FPGA芯片和溫控單元，光電探測器的第二路信號經(jīng)過有源低通濾波器之后作為PID控制單元的輸入，控制激光干涉工作點，進入光電探測器的干涉信號強度隨腔長或激光波長是正弦關(guān)系，將PID控制程序?qū)懭隖PGA芯片中，經(jīng)過有源低通濾波器之后的信號被FPGA芯片的一個模擬輸入通道采集，然后經(jīng)FPGA芯片處理后，輸出值經(jīng)由FPGA的模擬輸出端口去控制溫控單元的調(diào)制端口，溫控單元再去控制激光器的溫度。

所述的溫控單元為TEC200溫控儀，所述的FPGA芯片的型號為PXIe7854R。