[發(fā)明專利]DFB陣列掃頻光源光纖頻域干涉測(cè)距系統(tǒng)和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811034265.8
• 申請(qǐng)日: 2018-09-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109029271B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段發(fā)階;程沁蕊;黃婷婷;馬凌;李秀明;傅驍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國(guó)威

本發(fā)明屬于激光干涉測(cè)距技術(shù)，為能夠最大程度地提高干涉信號(hào)的對(duì)比度，同時(shí)兼具寬掃頻范圍和很好的相干性，本發(fā)明，DFB陣列掃頻光源光纖頻域干涉測(cè)距系統(tǒng)和方法，DFB陣列掃頻光源產(chǎn)生的掃頻激光首先進(jìn)入分光比為20:80寬帶光纖耦合器，分出的20％光進(jìn)入?yún)⒖嫉鸟R赫澤德干涉儀MZI；另外的80％光通過(guò)分光比為10:90寬帶光纖耦合器，10％進(jìn)入兩干涉臂中的參考臂；另外90％進(jìn)入測(cè)試臂，測(cè)試臂采用三端環(huán)形器結(jié)構(gòu)，所述掃頻激光由三端環(huán)形器進(jìn)入光纖探頭后射到待測(cè)工件表面，從待測(cè)工件表面的反射光被同一光纖探頭收集，再由三端環(huán)形器進(jìn)入用于合束的耦合器，與參考光發(fā)生干涉。本發(fā)明主要應(yīng)用于激光干涉測(cè)距場(chǎng)合。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光干涉測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于掃頻光源光纖頻域干涉間隙測(cè)量技術(shù)。具體講,涉及基于DFB陣列掃頻光源的光纖頻域干涉測(cè)距系統(tǒng)。

背景技術(shù)

許多工業(yè)，科學(xué)和軍事系統(tǒng)需要可靠的高分辨率方法來(lái)測(cè)量距離，同時(shí)又有嚴(yán)格的傳感器尺寸，功率和復(fù)雜性要求。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等重大裝備中的間隙測(cè)量作為影響大型器械運(yùn)行性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，在國(guó)民生產(chǎn)和國(guó)防有著廣泛應(yīng)用。作為火電機(jī)組的核心部件，汽輪機(jī)的軸向間隙是提高超臨界汽輪機(jī)的熱力性能和影響超臨界汽輪機(jī)的運(yùn)行安全的關(guān)鍵指標(biāo)之一。動(dòng)葉片作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心做功元件，其自身運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，特別是動(dòng)葉片葉尖間隙的變化直接影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、工作效率和安全性能。此外，飛機(jī)以及其他重大裝備等都在向高智能、高性能的制造發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)件裝配，轉(zhuǎn)子和定子的軸向距離等等的有效控制有很高要求，以保證其裝配達(dá)標(biāo)和運(yùn)行安全。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大力發(fā)展了非接觸式的光學(xué)方法來(lái)測(cè)量距離，將傳感器安裝在機(jī)匣上，該方法不破壞測(cè)量對(duì)象的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)間隙實(shí)時(shí)在線測(cè)量。主要方法包括：光時(shí)域反射計(jì)(OTDR),光頻域反射計(jì)(OFDR),白光干涉技術(shù)，雙頻外差干涉法，掃頻OCT法。光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)被廣泛用于定位光纖線路及網(wǎng)絡(luò)中的斷點(diǎn)及其它異常。方法簡(jiǎn)單易行，但分布式傳感靈敏度低，測(cè)量誤差大，一般測(cè)量范圍在km級(jí)，可達(dá)到m級(jí)的測(cè)量空間分辨率。光頻率反射計(jì)(OFDR)基于光外差探測(cè)法和光源線性調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。該方法利用線性調(diào)頻光源發(fā)出的相干光的混頻來(lái)求取光程差。具有出色的微弱信號(hào)檢測(cè)能力和良好的濾波性能，動(dòng)態(tài)范圍寬，與光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)相比具有更高的空間分辨率，在層析技術(shù)，光波導(dǎo)測(cè)量，光纖測(cè)量和光纖傳感器領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。雙頻外差干涉利用多波長(zhǎng)干涉測(cè)量法實(shí)現(xiàn)大尺寸絕對(duì)距離測(cè)量，對(duì)光強(qiáng)波動(dòng)不敏感、響應(yīng)速度快、信噪比高等優(yōu)點(diǎn),易于實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，量程可達(dá)100mm，分辨力高于1nm，精度優(yōu)于10nm。存在的問(wèn)題是從根本上依賴于譜線分布適中的穩(wěn)頻激光器；不同的穩(wěn)頻激光器，適用于不同的測(cè)量范圍和精度要求。白光干涉法具有高精確度和快速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量范圍只可達(dá)1um～50um。適用于微米級(jí)、平面有較高光學(xué)反射率、具有鏡面反射或漫反射的物體的絕對(duì)距離測(cè)量。掃頻OCT的方法原理與光頻域反射計(jì)類似，都基于光低相干干涉和傅里葉變換的理論，主要應(yīng)用于mm級(jí)的探測(cè)范圍，可達(dá)到um級(jí)的測(cè)量精度。

但上述的光學(xué)測(cè)量方法目前主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，少有發(fā)展到適用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)。目前，成熟的方法主要針對(duì)5mm以內(nèi)的測(cè)量范圍，而對(duì)10mm左右測(cè)量量程的間隙測(cè)量少有研究，缺乏技術(shù)支撐。如何實(shí)現(xiàn)特殊運(yùn)行環(huán)境下10mm左右中等間隙的精密現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)打破國(guó)外間隙的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)封鎖，有著重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容