基于激光調(diào)頻外差干涉的位移量精密測(cè)量系統(tǒng)研究*

張 娟 王 凱 武宏璋

(西安計(jì)量技術(shù)研究院，西安 710068)

?

基于激光調(diào)頻外差干涉的位移量精密測(cè)量系統(tǒng)研究*

張 娟 王 凱 武宏璋

(西安計(jì)量技術(shù)研究院，西安 710068)

通過對(duì)日常計(jì)量檢測(cè)工作的深入了解，提出研制一款具有微型化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化特點(diǎn)的位移量精密測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以激光調(diào)頻外差干涉測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體功能架構(gòu)、光路原理和測(cè)距信號(hào)計(jì)算模型。

計(jì)量檢測(cè)；位移量精密測(cè)量；激光調(diào)頻外差干涉

0 引言

近年來，我國(guó)裝備制造業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，產(chǎn)品的質(zhì)量、精確度、生產(chǎn)工藝不斷提高。為適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和高精度先進(jìn)儀器對(duì)計(jì)量、校準(zhǔn)工作的需求，作為法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，我們必須不斷提升自身的檢測(cè)能力，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展提供更加有效的服務(wù)[1]。

通過對(duì)我院長(zhǎng)度檢測(cè)中心日常計(jì)量檢測(cè)工作的深入研究，發(fā)現(xiàn)位移量精密測(cè)量在裝備制造業(yè)中具有廣泛的需求和越來越高的要求。為有效解決長(zhǎng)度檢測(cè)中心在對(duì)位移量檢測(cè)過程中遇到的讀數(shù)過程繁瑣、測(cè)量精度低、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、人為主觀誤差大和無法現(xiàn)場(chǎng)快速判斷等方面存在的問題，在對(duì)激光調(diào)頻外差干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行深入研究后，提出研制一款具有微型化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化特點(diǎn)的位移量精密測(cè)量系統(tǒng)[2-3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

位移量精密測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于激光調(diào)頻外差干涉測(cè)量技術(shù)。通過對(duì)激光源進(jìn)行連續(xù)調(diào)頻，并將此調(diào)頻光束輸入至測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的兩個(gè)干涉子系統(tǒng)，一個(gè)為參考干涉系統(tǒng)，另一個(gè)為測(cè)量干涉系統(tǒng)，兩子系統(tǒng)共同處理干涉信息，以單片機(jī)為控制核心，配合相關(guān)硬件電路，進(jìn)行信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理，完成對(duì)被測(cè)物體或設(shè)備位移量的自動(dòng)測(cè)量。

1.1 主要設(shè)計(jì)原則

1)無損原則：測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮到被測(cè)物體或設(shè)備的自身功能，應(yīng)盡量采用外掛、間接結(jié)合等方式參與測(cè)量，不損壞設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)。

2)便捷性原則：由于被測(cè)物體或設(shè)備的工作方式不一樣，測(cè)距設(shè)備應(yīng)盡量輕巧便攜，與被測(cè)設(shè)備的工作方式較好地吻合。

3)高穩(wěn)定性原則：系統(tǒng)的高穩(wěn)定性體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是多次測(cè)量的數(shù)值具有較高的精度與可信度；二是測(cè)量設(shè)備的固定精度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)備的測(cè)量精度，以保證測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性。

1.2 主要技術(shù)目標(biāo)

測(cè)量距離：1～5m；測(cè)量精度：0.01mm；調(diào)頻激光中心波長(zhǎng)：632nm；干涉光束質(zhì)量因子：M2<1.2；激光外差頻率范圍：Δf<80MHz；探測(cè)器光譜響應(yīng)范圍：400～1100nm；響應(yīng)度：0.5A/W；響應(yīng)時(shí)間：0.55ns。

1.3 總體功能架構(gòu)

測(cè)量系統(tǒng)的主要功能包括：激光調(diào)制發(fā)射模塊、參考干涉模塊、測(cè)量干涉模塊、光電探測(cè)接收模塊、頻率綜合模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。兩個(gè)干涉模塊將各自接收到的光信息，通過測(cè)頻、混頻進(jìn)行比較、運(yùn)算，最終得到物體的距離信息[4]?？傮w功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光調(diào)頻干涉測(cè)距系統(tǒng)總體功能架構(gòu)圖

測(cè)量系統(tǒng)整體功能架構(gòu)體現(xiàn)了無損、便捷、高穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)原則，不需要復(fù)雜的人機(jī)交互，用戶只需要簡(jiǎn)單的反射光校準(zhǔn)操作，就可以實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)讀取。反射光校準(zhǔn)主要保證激光照射在被測(cè)物體的反射表面時(shí)按照原光路返回至系統(tǒng)參與干涉。其中測(cè)量干涉模塊用虛線標(biāo)出是因?yàn)樗粌H包含了測(cè)距系統(tǒng)本身，也包含了被測(cè)物體的信息，即被測(cè)物體反射回來的激光進(jìn)入干涉系統(tǒng)共同構(gòu)成了測(cè)量干涉模塊。用戶整個(gè)工作流程如圖2所示。

圖2 用戶工作流程圖

1.4 光路原理

測(cè)量系統(tǒng)光路原理如圖3所示，其中帶箭頭部分為光束傳播路徑，該光路圖由兩個(gè)邁克爾遜干涉儀構(gòu)成。激光通過PZT調(diào)制電壓源來控制激光輸出頻率的變化，將頻率微變化的光在光闌后的半透半反鏡片處分為兩路，一路向上傳輸通過一個(gè)分光棱鏡和一個(gè)角錐棱鏡將光束反射如光電探測(cè)器PD2。同時(shí)，水平傳輸?shù)囊宦烦錾渲凉潭ㄓ谕獠勘粶y(cè)表面的角錐棱鏡，返回的光路經(jīng)過分光棱鏡進(jìn)入光電探測(cè)器PD1，兩路信號(hào)分別進(jìn)入測(cè)頻系統(tǒng)來估算兩束光干涉的拍頻量，利用拍頻量來計(jì)算被測(cè)物體的距離。

圖3 光路原理圖

2 測(cè)距信號(hào)計(jì)算模型

測(cè)量系統(tǒng)采用線性調(diào)頻激光雙干涉測(cè)量距離。其中線性調(diào)頻激光絕對(duì)距離測(cè)量是繼多波長(zhǎng)激光絕對(duì)距離測(cè)量之后出現(xiàn)的新技術(shù)，它以半導(dǎo)體激光器為調(diào)頻光源，半導(dǎo)體激光器的光譜線寬一般大于幾十兆赫, 相干長(zhǎng)度很強(qiáng), 所以線性調(diào)頻激光絕對(duì)距離測(cè)量范圍在幾米以內(nèi)，并且具有很高的分辨率，即測(cè)量精度[5]。

半導(dǎo)體激光器出射光的頻率隨時(shí)間按三角波規(guī)律變化, 射入臂長(zhǎng)不相等的邁克耳遜干涉儀中。在三角波的直線上升和下降段內(nèi), 調(diào)頻激光的頻率可分別表示為：

fup(t)=f0+at和fdown(t)=f0-at

式中，f0為激光中心頻率；a為激光頻率調(diào)制率。于是,干涉儀中兩相干光波的相位差為：

式中，d為干涉儀兩臂長(zhǎng)度差；c為真空中光速。

由于入射激光頻率線性連續(xù)變化，干涉儀在參考鏡和測(cè)量鏡均靜止的狀態(tài)下輸出一個(gè)交變光信號(hào)，通常稱之為光拍。光拍的強(qiáng)度為：

式中，I1(t)和I2(t)是激光頻率調(diào)制引起的光強(qiáng)變化。由上式可見，光拍的頻率為：

fb=2ad/c

即光拍頻率與干涉儀兩臂長(zhǎng)度差成正比。

將調(diào)頻激光同時(shí)射入兩個(gè)邁克爾遜干涉儀中，一個(gè)用以測(cè)量距離，一個(gè)用以提供參考。測(cè)量干涉儀的兩臂長(zhǎng)度差dm為被測(cè)距離；參考干涉儀的兩臂長(zhǎng)度差dr固定不變，為參考距離。由以上分析可得兩個(gè)拍頻信號(hào)：

fbm=2adm/c和fbr=2adr/c

由此可得到測(cè)距公式：

由于參考距離dr為已知，所以通過分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)干涉儀的輸出光拍頻信號(hào)頻率，即可直接得到被測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌距離測(cè)量。

利用兩個(gè)頻率的拍頻量以及參考干涉系統(tǒng)的工作距離來計(jì)算，測(cè)量精度取決于拍頻量的調(diào)制度，將拍頻調(diào)節(jié)至100kHz，這與激光的1GHz頻率來說占比非常小，因此可實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。

3 應(yīng)用工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由激光干涉測(cè)量系統(tǒng)與用于反射的角錐棱鏡組成。在測(cè)量時(shí)，應(yīng)保證角錐棱鏡的安裝穩(wěn)定性，使得其反射光順利反射回測(cè)距儀進(jìn)行干涉。因此在應(yīng)用平臺(tái)中應(yīng)設(shè)計(jì)了一組激光校準(zhǔn)光路，保證射激光與返回激光束同軸。

3.1 系統(tǒng)測(cè)量方式

系統(tǒng)的測(cè)量應(yīng)方式有兩種。圖4(a)主要用于導(dǎo)軌之間的水平位移測(cè)量。首先，激光干涉測(cè)量系統(tǒng)被固定于被測(cè)物體或設(shè)備一側(cè)相對(duì)穩(wěn)定的平面上，保證激光束照射被測(cè)表面時(shí)無阻擋，將角錐棱鏡固定在被測(cè)表面，用以反射干涉儀出射的激光。角錐棱鏡的固定座也需固定在被測(cè)面上，并且設(shè)計(jì)有微調(diào)裝置，可調(diào)節(jié)角錐棱鏡的俯仰與偏擺角度，使得光束能夠沿出射光軸返回參與干涉計(jì)算。圖4(b)主要用于拉力機(jī)等垂直方向的位移測(cè)量，其中M2為反射鏡，M1為固定在被測(cè)表面的角錐棱鏡，同樣調(diào)節(jié)角錐棱鏡的方位角，使得光束正確返回。

圖4 測(cè)量設(shè)備工作平臺(tái)

3.2 反射光校準(zhǔn)

在被測(cè)物體或設(shè)備上安裝角錐棱鏡，測(cè)量干涉儀的光束出射后經(jīng)其反射回光路。首先，在角錐棱鏡的基座應(yīng)設(shè)計(jì)輕便的方位、俯仰調(diào)節(jié)裝置，保證光反射方向可調(diào)。其次，在光束出射端應(yīng)設(shè)計(jì)回光校準(zhǔn)裝置，其校準(zhǔn)示意圖如圖5所示。

圖5 返回光校準(zhǔn)光路

校準(zhǔn)光窗口處進(jìn)行人眼觀測(cè)，當(dāng)反射光進(jìn)入接收窗口，并且在校準(zhǔn)光處有光束反射出來時(shí)，說明光束已調(diào)整完畢。

4 結(jié)束語

目前該裝置的前期理論研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，原型系統(tǒng)開發(fā)工作已經(jīng)基本完成，在我院長(zhǎng)度檢測(cè)中心進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的主要技術(shù)目標(biāo)，同時(shí)極大地提高了檢測(cè)工作的效率，有效地減輕了檢測(cè)人員的工作量，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 國(guó)務(wù)院頒布.“十二五”計(jì)量發(fā)展規(guī)劃.2013

[2] 于梅，孫橋.外差式激光干涉儀應(yīng)用于正弦直線和旋轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的研究.計(jì)量學(xué)報(bào)，2005(3)

[3] 孫長(zhǎng)庫(kù),何明霞,王鵬.激光測(cè)量技術(shù).天津大學(xué)出版社,2008

[4] 楊珅，榮強(qiáng)周，忽滿利,等.基于Michelson干涉儀的高靈敏度光纖高溫探針傳感器.物理學(xué)報(bào),2013,62(8)

[5] 陳千頌，楊成偉,等.激光飛行時(shí)間測(cè)距關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展.激光與紅外， 2002，32(1)

*陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)：2014KY06

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.05