一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及绝对距离精密测量系统，尤其是一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置。本发明针对现有技术存在的问题，提供一种全光纤频域干涉绝对距离测量装置及对应测量方法，该装置方便易操作，能够高分辨力地测量反射体表面与光纤探头光出射端面的绝对距离，测量精度优于10nm，测量量程可达到100cm。本装置包括宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器等；所述宽带光源、阵列光纤滤波器与光纤环形器第一端口依次连接，光纤环行器的第二端与光纤探头连接，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波，光纤环行器的第三端口、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪和计算机依次连接。
【专利说明】一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及绝对距离精密测量系统，尤其是具备微纳米级分辨能力的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]作为物理学的第一个基本物理量，距离(或长度)在科技研究、工程应用和仪器制造等领域中具有广泛的用途，距离的测量所涉及的范围相当广泛，其中，精密距离测量涉及精密计量与微机电系统等，通过测量距离及其变化可以间接检测到很多物理量，如加速度、压强和应力等。目前，通常用电感式、光栅式、涡流式和扫描式等传感器来精密测距。电感式传感器带有无滑动触点，虽然工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，但是测量对象必须是金属导体，此外由于是接触测量，因此可能会对被测对象带来负面影响。光栅式传感器虽具有易实现数字化、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，但是测量精度一般在微米级，且大多数光栅传感器只能测量物体运动过程中产生的距离改变值(即位移)，不能测量静态下物体相对于某一原点的绝对距离。涡流式传感器利用电涡流效应能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离，但是被测体必须是金属导体，这个缺点限制了它的广泛应用。扫描式传感器包括波长扫描式、时间扫描式和空间扫描式，扫描式位移传感器难以兼顾测量精度和测量范围，系统的抗干扰能力较差，例如基于白光干涉原理的低相干干涉位移传感器就是一种典型的波长扫描式位移传感器，其测量精度可达到纳米，但测量量程只有几个毫米。综上所述，目前的精密测距技术难以兼顾测距精度和测量量程，难以满足精密计量与微机电系统等方面日益发展的要求。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的问题，为了对针对金属与非金属物体进行微纳米精度的距离测量，提供一种全光纤频域干涉绝对距离测量装置及对应测量方法，该装置方便易操作，能够高分辨力地测量反射体表面与光纤探头光出射端面的绝对距离，测量精度优于1nm,测量量程可达到100cm。
[0004]本发明采用的技术方案如下:
[0005]一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法包括:
[0006]步骤1:宽带光源产生光波通过阵列光纤滤波器后，光波通过光纤环形器第一端口入射至光纤环形器，光波通过光纤环形器第二端口后入射至光纤探头尾纤，光纤探头光出射端面出射光波并照射在反射体上，光纤探头4光出射端面同时接收从反射体表面返回的反射光波；
[0007]步骤2:光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光纤探头光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光波照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头光出射端面收集返回，叫做探测光束；宽带光源输出的光强度随光波频率f的分布函数为10(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为EcXf)，两者关系为:
[0008]10(f) = |E0(f) I2 (I)
[0009]参考光束的光强度随光波频率f的分布函数IJf)为:
[0010]Ir (f) = B110 (f) = B11 E0 (f) 12 (2)
[0011]其中为光纤探头光出射端面反射率，(Ka1^ I ;假设光纤探头光出射端面到反射
2Λ
体表面的距离为d，探测光束相对于参考光束多传播的时间为T= 一(c为真空中光速)，所
c
以探测光束电场强度相对于参考光束产生exp (2 Tf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数Id (f)为:
[0012]Id(f) = (l-a^a^oif) = (^a1) a21E0 (f) exp (2 π Tf) |2
[0013](3)
[0014]= (1-B1) a21 E0 (f) exp (4 n df/c) |2
[0015]其中a2为反射体反射效率，0〈a2 ( 1，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉；
[0016]步骤3:参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤探头尾纤返回到光纤环行器的第二端口，再经光纤环行器的第三端口依次输送至可调光纤滤波器、光纤放大器；
[0017]步骤4:光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪；由光纤光谱仪记录的频域干涉光强I (f)的数学表达式可以写为:
【权利要求】
1.一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于包括: 步骤1:宽带光源产生光波通过阵列光纤滤波器后，光波通过光纤环形器第一端口入射至光纤环形器，光波传播至光纤环形器第二端口后入射至光纤探头尾纤，光纤探头光出射端面出射光波并照射在反射体上，光纤探头光出射端面同时接收从反射体表面返回的反射光波； 步骤2:光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光纤探头光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光波照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头光出射端面收集返回，叫做探测光束；宽带光源输出的光强度随光波频率f的分布函数为10(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为Etl (f)，两者关系为:
10(f) = |E0(f) I2 (I) 参考光束的光强度随光波频率f的分布函数IJf)为:
Ir (f) = ajjf) = B1 |E0 (f) I2 (2) 其中S1S光纤探头光出射端面反射率,(Ka1 < I ;假设光纤探头光出射端面到反射体表面的距离为d,探测光束相对于参考光束多传播的时间为T= 一 c为真空中光速,所以探测
C光束电场强度相对于参考光束产生exp (2 Tf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数Id(f)为:
Id(f) = (I^a21if) = (1-B1)a21E0(f) exp (2 π Tf) |2 (3)
=(1-B1) a21E0 (f) exp (4 π df/c) |2 其中a2为反射体反射效率，0〈a2 ( 1，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉； 步骤3:参考光束和探测光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉信号并一起通过光纤探头尾纤返回到光纤环行器的第二端口，再经光纤环行器的第三端口依次输送至可调光纤滤波器、光纤放大器； 步骤4:光纤放大器将频域干涉信号放大后传输到光纤光谱仪；由光纤光谱仪记录的频域干涉光强I (f)的数学表达式可以写为:
_ = (/) + -y/(l-a,)?2￡0 (f)exp(4ndf /c)f
=Ir if) + h (./') + 2^/,(/)./,(/) cos(4?f' / c)
=h) if).[^i + λ2 - Q1O2 +cos(4m|/7c)]( 4 y 对(4)式取傅立叶变换可得以时间t为横坐标的频域干涉光的功率谱函数G(t):G(0 = F[/(/)]
2eos( 4mif! c)] { =+a，- a,a.)δ(?)十:十2d/c) + V(1 ---5(?-2d/c)] (5)
=(^i 十 α? — CilC/，)Ο0 (f) + J(ι 二 “G(t 十 Id ? c) +(t ? 2d /c)
=^1G0(Z) + b2GQ(i + 2d! c) + h2G^{t — 2d / c)式中bj = (B^a2-B1B2)和b2)ata2为常数，G0(t)是10(f)经傅立叶变换后的功率谱函数；步骤5:计算机中计算距离d，具体过程:当GtlU)函数的特征时间点，即GtlU)的极大值点位于t = O时，式(5)在功率谱中表现为特征时间点在坐标t = O、?=—和/=——的三
/.>
K*个极大值点，依次称为第I特征时间点、第2特征时间点和第3特征时间点；通过判读第2、
2d第3特征时间点的在时间坐标上的位置，即可得到一的值，进而得到距离d。
c
2.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于所述光纤探头是平头石英光纤或者是光纤自聚焦透镜棒；平头石英光纤光出射端面镀增透膜，光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜；从光纤探头光出射端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于当待测距离不大于1mm时，要求可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于60nm，当待测距离大于1mm时，要求可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于2nm。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法，其特征在于所述距离测量值d’与真值d之间的误差Ad满足:Ai = /^ = h与宽带光源的调制频率
^ f有关；Ad的具体计算过程是: 步骤21:对于常用的宽带光源，其光强函数Ic^f)的光谱平坦度较差，导致函数Ic^f)经傅立叶变换后的Gc^t)的特征时间点偏离坐标t = O的位置，并且随着电流、温度等外部环境的波动，表现为:光谱平坦度越差，则特征时间点的位置的波动就越大，进而第2、第3
2J,2d特征时间点相对于坐标一**和I=-一出现与第I特征时间点相同的位置偏差，使得距尚d的测量结果出现误差；设宽谱光源输出的光强IcXf)的函数表达式为:
10 (f) = 10COS (2 n ft0+ Φ) (6) 即光强Itl (f)在频率f坐标轴下表现为受时间h调制的余弦函数，Itl为大于O的常数，Φ为随机相位，通过傅里叶变化可知，其功率谱函数为GtlU): Gn1-γΙδ(? + ?η) +(?) 由式(7)可知，G0(t)的特征时间点相对于坐标t = O的偏离量为土tQ ； 步骤22:根据式(5)，频域干涉光的功率谱函数G(t)的第I特征时间点、第2特征时间
2 j点和第3特征时间点将出现在t = ±t0、t = 一土?(ι和I =--±^0的位置,导致判读的困难；
CC因此需要对光源输出光强进行整形，以获取较好平坦度的光强函数IcXf);通过调整阵列光纤滤波器中各个单滤波器的衰减值，从而消除光强函数10(f)曲线中的波动；根据式(5)和式(7)推导，宽带光源的调制频率为h时，距离测量值d’与真值d之间的误差Ad满足: M = d'= ?(8)?
2
5.根据权利要求1所述的一种全光纤频域干涉绝对测量距离装置，其特征在于所述包括宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪、计算机；所述宽带光源、阵列光纤滤波器与光纤环形器第一端口依次连接，光纤环行器的第二端与光纤探头连接，光纤探头将光波照射在反射体表面并同时接收从反射体表面返回的反射光波，光纤环行器的第三端口、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪、计算机依次连接，其中宽带光源、阵列光纤滤波器、光纤环形器、光纤探头、可调光纤滤波器、光纤放大器、光纤光谱仪的尾纤之间通过法兰盘或者熔接法连接。
6.根据权利要求5所述的一种全光纤频域干涉绝对测量距离装置，其特征在于所述光纤探头是平头石英光纤或者是光纤自聚焦透镜棒，平头石英光纤光出射端面镀增透膜，光纤自聚焦透镜棒光出射端面镀增反膜；从光纤探头端面菲涅耳反射的参考光波与反射体表面反射的探测光波以共轴方式在光纤探头的尾纤中传输。
7.根据权利要求6所述的一种全光纤干涉绝对距离测量装置，其特征在于所述当待测距离不大于1mm时，可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于60nm，当待测距离大于1mm时，可调光纤滤波器和光纤光谱仪的带宽大于2nm。
【文档编号】G01B11/02GK104197844SQ201410478855
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】翁继东, 马鹤立, 陶天炯, 刘盛刚, 王翔, 陈宏 , 戴诚达, 刘仓理, 吴强, 谭华, 李剑峰, 蔡灵仓, 王为, 叶素华, 汪小松, 贾路峰 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所