專利名稱：補償式多模光纖傳光型微小位移測量系統的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及一種補償式多模光纖傳光型微小位移測量系統，它主要包括傳感器和后續信號處理兩部分。現有光纖位移傳感器大致可分為光強型和光干涉型兩類，前者包括光纖相對位置檢測、遮光型光強調制和反射式光強調制等型式，后者包括雙光束干涉和多光束干涉。
本發明專利，第一，提出兩個結構和參數一致的多模光纖傳光型多光束干涉傳感頭構成一種補償式測量位移方法。它可以補償因環境變化引起的信號變化，例如溫度變化使透射峰的漂移，從而可以放寬對材料熱膨脹系數的要求。第二，提出可以用兩個透射峰脈沖時間間隔測量值反映位移變化的測量方法(1)和第三，提出直接對兩組輸出信號檢波，然后進行放大，模/數轉換，以及用數字化處理后的結果表示位移變化的測量方法(2)。作為非光纖型補償式裝置和示波器測量方法，本作者已發表在“測量微小位移的新裝置-雙平面被動法布里-珀羅干涉儀”，激光雜志，1985年，第6卷，第2期中，但對多模光纖傳光型和時間間隔測定器方法仍屬首次提出，而直接檢波和數字化處理用于該系統以前未提出過。
本發明提出的方法目前達到的技術指標為1.測量范圍0-1微米;2.靈敏度閾1/1000波長。
本發明的原理，對測量方法(1)，參照測試裝置附圖
一，輸出信號附圖二，由于采用兩個等參數探頭，參見文獻二，我們已給出，可以用下式表示兩個腔長的變化△D1-△D2＝(R/2)＊(△12/K1) (1)式中△D1和△D2分別表示干涉腔1和干涉腔2的長度變化，R為光波長，K1為用示波器觀察時，兩透射峰原讀數分格值，以及△12為兩組透射峰間隔的相對變化值。當用時間間隔測定器測量時，式(1)改寫成△D1-△D2＝(R/2)＊(△t/T1) (2)式中T1為兩透射峰原時間間隔值，而△t為兩組透射峰的時間間隔變化值，相同符號意義同前述，以下也相同。
對應測量方法(2)，根據理論分析(過程省略)，給出光強輸出公式分別為以下四種情況1.峰值點附近小信號調制，且滿足F＊SIN(θ)＜＜1時，其中F為精巧系數，它等于4＊R/(1-R)2＞R為兩端面鏡的平均光強反射率，當兩鏡面分別為R1和R2時，等于(R1＊R2)1/2;θ等于(2＊3.1416/r)＊N＊D＊COS(B)，其中r為光波長，N為兩鏡面間介質折射率，D為腔長度和B為光束入射角，輸出光強Iθ1的二次諧波為Iθ1＝Iθ＊F＊J2(X)＊COS 2(WMt+BM) (3)式中Iθ為輸入光強;J2(X)為宗量X的第一類兩階貝塞爾函數，其中X等于(4＊3.1416/r)＊N＊KP＊VMθ，KP為壓電陶瓷的一次壓電常數，VMθ為調制電壓幅值;WM為調制電壓角頻率;BM為調制電壓初相位;t為時間。
2.偏離峰值點且滿足F＊SIN(θ)＜＜1時，輸出基波信號Iθ2Iθ2＝Iθ＊F＊△θ＊J1(X)＊SIN(WMt+BM) (4)式中△θ為偏離極值點的位相，它滿足θ等于M＊3.1416+△θ/2，且△θ＜＜3.1416，對應M為正整數;J1(X)為宗量X的第一類一階貝塞爾函數。
3.當F＊SIN(θ)＞＞1且峰值點附近調制時，輸出二次諧波Iθ3Iθ3＝(4/F)＊J2(X)＊COS(△θ)＊COS2(WMt+BM)(5)4.當F＊SIN(θ)＞＞1且偏離極值點時，輸出基次諧波Iθ4
Iθ4＝(4/F)＊J1(X)＊SIN(△θ)＊SIN(WMt+BM)(6)由上述分析可以得出以下結論(1).相位調制多光束干涉的交變光強幅值中包含由腔長度變化引起的位相變化信息，為直接測量信號光強有效值反映位相變化，從而為位移測量方法(2)奠定理論基礎，而且它已經被我們提出的實驗裝置所證實，其中必須注意到盡管在激光器穩頻技術中已應用相似技術穩定激光頻率，但是在光纖微小位移測量中，尤其在本發明涉及的補償式多模光纖傳光型微小位移測量中，結合兩組信號同時對信號諧波檢波和數字化處理，最后給出微小位移值的測量方法應屬首次提出。
(2).由于一般情況，J1(X)＞J2(X)，所以在偏離極值點時，干涉腔的靈敏度大于極值點靈敏度，而且宗量X中除了那些隨裝置確定不再可調的參數，如光波長r，介質折射率N，壓電陶瓷的壓電常數KP等以外，并且跟調制電壓幅值VMθ有關，所以本發明提出選擇適當調制電壓改進測量靈敏度，這同樣得到實驗驗證。
本測量系統參照附圖一，由穩頻氦氖激光器1、光耦合顯微物鏡2、大芯經光纖Y分路器3、多光束干涉位移傳感頭4和5、光電轉換器件6和7、前置放大器8和9、時間間隔測定器10、信號整形單元11和12、模/數轉換單元13和14以及微型計算機15組成。
測量系統的兩組光電轉換后的理想脈沖信號參照附圖二，其中上圖為加在壓電陶瓷上的高壓鋸齒波掃描信號，幅值θ-250伏特，掃描周期1毫秒;中圖實線為多光束干涉位移傳感頭4腔長度變化前的信號，虛線為腔長度變化后的信號，t1和t1′分別表示腔長度變化前和變化后離零時刻參考點的透射峰時間，T1為對應自由光譜范圍的透射峰時間間隔;下圖表示多光束干涉位移傳感頭5的信號，t2為第一個透射峰離零時刻參考點的時間，T2為對應它的自由光譜范圍透射峰間隔，由于兩干涉腔的參數一致，因此T1等于T2。
本發明專利提出的裝置(參照附圖三)，采用大芯經(340微米)光纖，有利于得到較大的輸出光功率，簡化后續電路處理和加工制作。光纖1粘接可調透明墊片2，然后粘接自聚焦透鏡3，目的得到平行光束照明，自聚焦透鏡3另一端面可以直接鍍多層介質反射膜(R＞98%)或再粘接簿平面反射鏡4，以上四個單件構成固定反射鏡部件Ⅰ。可調反射鏡部件Ⅱ由另一部分平面反射鏡6，彈性件7(可以是調節套的簿壁部分)，調節螺絲8，鏡座9，調節套10，和調節蓋11構成。測頭Ⅲ與鏡座9磁性連接，光學件用光學膠粘接，固定反射鏡部件Ⅰ與固定座13用環氧樹脂膠接，固定座13和調節套10通過壓電陶瓷5的兩端面用環氧樹脂膠接，最后，用殼體12和端蓋14封裝，固定座13與殼體12之間用制動螺絲15固緊。此結構特點為第一，實現壓電陶瓷掃描;第二，兩鏡面可調平行性;第三，盡量減少腔長度受環境的影響。
本專利提出的測頭Ⅲ由磁環30，柱體31，可調測桿32，半球型或其它型式測頭33，自聚焦透鏡34，和接收光纖35組成。它既能引出光信號又可以傳感位移信號，并利用磁力貼附在鏡座9上，給裝拆和調整帶來方便。整個裝置的外形尺寸由壓電陶瓷尺寸和精密加工技術限制，目前，我們可做成25＊8θ(毫米＊毫米)，鏡面通光孔經為10毫米。
本專利提出的測量電路，對應時間間隔測量方法(1)，主要由高壓鋸齒波掃描電路(0-250v)，時間間隔測定器(分辨率為0.1微秒)兩部分組成。測量結果八位數顯，它的核心集成塊為ICL 7216A(或B型)。對應交流信號諧波幅值測量方法(2)，主要由兩組對稱的檢波器，模數轉換，信號整形，然后輸入到微機處理完成。
本發明專利可用于微小位移測量領域，例如表面粗糙度測量，幾何量計量中的定位以及其它光通信中高分辨率濾波或多路光選頻用等。
參考文選1.劉瑞復、史錦珊“光纖傳感器及其應用”機械出版社，1987年。
2.朱若谷“測量微小位移新裝置-雙平面被動法布里-珀羅干涉儀”激光雜志，1985年，第6卷，第2期。
3.Stephen R.Mallinson “Wave length-selective filters for single-mode fiber WDM system using Fabry-Perot interferometers”Applied Optics，Vol.26，NO.3，1 February 1987.
權利要求
1.補償式多模光纖傳光型微小位移測量系統，其特征在于提出兩個結構和參數一致的多模光纖傳光型多光束干涉傳感頭構成一種補償式測量微小位移的方法。
2.根據權利要求1所述側量系統，其特征是用時間間隔器測量兩個傳感頭輸出的兩組透射峰的時間間隔反映微小位移的測量方法(1)。
3.根據權利要求1所述測量系統，其特征是對兩組傳感頭信號同時通過諧波分析和數字化信號處理給出微小位移的測量方法(2)。
全文摘要
本發明涉及一種多模光纖傳光型微位移測量系統。它采用兩個結構和參數一致的多光束干涉傳感頭構成一種補償式測量方法，能補償環境變化引起的信號漂移，從而放寬對材料的要求。本發明提出兩種信號處理方法，兩組透射峰的時間間隔測量法(1)，兩組光電信號振輻測量法(2)。本發明可用于表面粗糙度測量，幾何量計量中定位，以及開發應用于光通信中的波分多路復用等領域。
文檔編號G01B11/02GK1064932SQ9110167
公開日1992年9月30日 申請日期1991年3月16日 優先權日1991年3月16日
發明者朱若谷 申請人:中國計量學院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
