引 言
高精度绝对距离的测量是工业生产和质量控制中至关重要的一步。特别是近几年,人们对激光坐标测量机(LCMM)研究的兴趣的提高大大促进了距离测量的研究。对绝对距离的测量比对位移的测量更加困难,主要体现在以下三个方面:1.如何建立一个固定的不会丢失的起始点;2.如何同时达到高精度和大的测距范围;3.如何才能达到不用长距离的精确机械导向而实现对周期相位的绝对值恢复。有几种方法可以用于解决以上难题。一种方法是采用具有两个或更多不同波长的光源的干涉仪。这种方法的困难在于寻找到一种具有高稳定性的适当波长的光源。还有一种方法是外差法。可以证明,外差法用于绝对距离干涉测量是一种非常有效的方法。当半导体激光器(LD)用在干涉仪中作为光源时,波长变换和相位调制是信号处理的有效途径。但是,当采用外差法时,系统通常是很复杂的。
光纤由于具有许多优异的光学、机械特性而被广泛地应用于传统的干涉仪中。光纤干涉传感器几乎在每一个领域都能得到广泛的应用。为了解决上面所提到的三个问题,我们在这篇文章中将对一种用于绝对距离测量的光纤干涉系统作一下简略的介绍。
1 系统原理
系统由两部分干涉仪组成:调谐干涉仪和扫描干涉仪,如图1所示。两个干涉仪由扫描镜进行连接。当扫描干涉仪沿着导向运动时,它将分别对起始镜和目标镜进行调谐,从而使得OPi=OPsi及OPt=OPst。从起始镜到目标镜的绝对距离可以通过下面的公式计算出来:
其中N是扫描干涉仪的计数器所计的条纹数,OPm(m=1,2,3,4)是用以扩大系统动态范围的插入单模光纤的光程(后面我们将会对它进行讨论)。当每一个OPm经过精确的标定之后,系统就可以测量从起始镜到目标镜的绝对距离。
1.1 调谐干涉仪
调谐干涉仪对起始镜(或目标镜)与扫描镜之间的光程(OP)进行调谐,并送出一个脉冲信号,使扫描干涉仪开始计数。普通的体积型干涉仪具有很大的动态范围,但是它的体积庞大,而且在恶劣环境中有很高的不确定性。而完全的光纤干涉仪只有有限感知范围,但是它具有柔性结构和便于进行信号处理。我们使用的是一种基于马赫—泽得结构组合形式的干涉仪,从干涉仪的输出末端可以获得两路反相的干涉信号,它们非常便于进行信号处理。为了尽可能准确地调谐干涉仪的光程,应该用一种具有短相干长度的光源。如果使用白光作为光源,可以获得0.1μm或更高的精度,但是其结构复杂,要求对环境完善控制,并且要牺牲动态调谐范围。在我们的调谐干涉仪中,两束光在不同的介质中传播,一路通过光路进行传播,另一路则通过光纤进行传播。由于光纤的散射性,如果光源的相干长度太短,那么经过光纤和光路传播后再相遇的两路光就很可能无法干涉,从而观察不到干涉条纹。考虑到这个原因,在调谐干涉仪中我们选用一种半导体激光器作为光源。
1.2 扫描干涉仪
当扫描镜沿着一个短的导轨运动分别去调谐干涉仪的起始镜和目标镜时,其位移由扫描干涉仪进行测量。为了便于信号处理,采用一个光纤马赫—泽得结构干涉仪。通过处理两路反相的输出信号,就可以很容易地确定扫描镜的移动方向。由于期望获得一个大的动态范围,我们采用具有大的相干长度和高的稳定性的He-Ne气体激光器作为光源。
1.3 光程倍增
我们采用多个具有不同的预先设定长度的单模光纤来进行光程倍增,如图1所示,它们将系统的整个量程分割成多个互不相干的段。一旦它们的光程OPm(m=1,2,3,4)被精确标定以后,这些光纤就可以作为标准光程使用,并且可以放置到一个精密控制的小环境中去。通过采用这一方案,系统的动态范围可以大大提高而不用增加扫描导轨的长度。
2 信号处理
有两种捕捉两路光程的平衡点的方法被用在调谐干涉仪中,它们是密度检测法和频率调制法。
2.1 密度检测法
假设归一化的光源光谱密度分布函数为E(K),其中k0是中心波数,并且K=k-k0,如果A/2是每一束光的耦合效率,则干涉仪在K处的输出密度可以表述成:
2.2 频率调制法
半导体激光器的频率可以通过结电流进行线性调制。在结电流的斜线区,半导体激光器的频率可以表达为:
3 仿真结果
我们对系统干涉图样对比度和密度关系曲线分别作了初步的仿真实验,其实验结果如图2所示。在两路光程绝对相等时,干涉条纹对比度取得最大值,为100%,当光程逐渐失去平衡时,条纹对比度开始减小。如图2 (a)所示,当光程变化±100μm时,干涉条纹对比度大约下降了33%。图2 (b)是干涉图样的距离与密度关系图,当两路光程处于平衡点时,其干涉条纹的密度取得最大值。
结束语
把光纤引入到绝对距离干涉测量系统中,除了便于信号处理以外,我们还发现在布置光纤光程时具有很大的柔韧性。通过精确标定的光纤进行光程倍增,系统的动态范围可以扩大到1米以上而不用增加干涉仪的体积。系统的精度将主要受以下因素的影响:1.调谐方法的精度;2.标定的精度;3.对扫描干涉仪所处环境的控制。从以上所展示的分析,我们发现系统在改善其精度和动态范围上具有潜在的前景,而且可以做成一种轻便式的仪器,以适应实际和工厂环境的要求。
参考文献
1 Tilford C R.Analytical Procedure for DetermiNIng Lengths from Fractional Fringe, App. Opt,1977,16(7): 1857～1859
2 Kikuta H,Iwata K,Nagata R. Absolute Distance Measurement by Wavelength Shift Interferometry,App. Opt,1986,25(17): 2976～2980
3 A.J.den Boef.Interferometric laser Range Finder Using a Frequency Modulated Diode Laser,App. Opt,1987,26(21):4545～4550
4 Sasaki O, Yoshida T,Suzuki T. Double Sinusoidal Phased-Modulating Laser Diode Interferomater for DistanceMeasurement,App. Opt,1991,30(25):3617～3622
国家自然科学基金资助项目。
作者简介：
洪海涛:女,1969年4月生,1990年毕业于天津大学精密仪器专业,1993年3月毕业于天津大学测试计量技术及仪器专业(工学硕士)。博士研究生,现从事激光及光电测试技术和光纤传感技术的研究。
孟 天龙:男,1971年生,1994年毕业于天津大学精密仪器专业,硕士研究生,现从事激光及光电测试技术和光纤传感技术的研究。
