一种高精度激光微距测量方法与流程

本发明属于微距测量技术领域，具体涉及一种高精度激光微距测量方法。

背景技术

随着激光技术、精密机械技术、电子技术和计算机技术的突飞猛进，激光微距测量逐渐向高速度、高精度、多功能、多参数、小尺寸的方向发展，它将在机器视觉、自动加工、工业在线检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学等领域具有重要的意义和广阔的应用前景，有望对提高生产效率以及现代化生产水平起到巨大的作用。

近年来，国内外对微小位移量测量的研究重点主要集中在提高其灵敏度和精度上。主要的微距测量方法有ccd技术、叠栅条纹技术、光的干涉技术、激光测距技术和反射式光纤传感技术等。ccd技术中ccd的脉冲的产生以及输出的光脉冲信号的处理很复杂，驱动脉冲由可编程逻辑控制器产生，外围电路很复杂，不适合在小型的测量系统中应用。叠栅条纹测量技术，通过数出移过的叠栅条纹数目得到相应的光栅移动的位移，但数据处理时没有对条纹数进行细分，因而精度较低，误差较大。光的干涉技术是利用对干涉条纹计数来实现对某种物理量的测量，然而采用双干涉仪结构提升了系统成本，无法广泛应用。另外，激光测距方法存在系统制作难度大、成本较高等缺点，不能被广泛应用。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中微距测量系统结构复杂、精度低和成本高等问题而提供了一种高精度激光微距测量方法，该方法通过光纤环腔衰荡光谱技术实现激光微距测量，分析、研究在衰荡腔结构下微小位移改变引起的光衰减的光衰荡信号来实现微距精确测量，本测量方法具有灵敏度高、测量范围广、分析速度快、操作简单、成本低和方便实时监测等优点，可用于测量1mm以下范围内的微小距离。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种高精度激光微距测量方法，其特征在于：由依次通过光纤相连的第一光纤耦合器、3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、三端口环形器、第二隔离器和第二光纤耦合器构成光纤衰荡腔，第一光纤耦合器依次通过光纤与第一隔离器和激光源连接，该激光源依次通过线路与半导体激光调制器和数字信号发生器相连，第二光纤耦合器通过光纤与光电探测器相连，该光电探测器通过线路与示波器相连，三端口环形器的隔离端口连接有带尾纤的镜头，镀反射膜的镜面放置于带尾纤的镜头之前，当数字信号发生器产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器，半导体激光调制器控制激光源的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器和第一光纤耦合器的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤、掺铒光纤放大器、三端口环形器和第二隔离器，通过三端口环形器输入端口输入的光信号从三端口环形器端输出口射出，经反射后的光信号从三端口环形器输出端口返回并从三端口环形器隔离端口射出，光纤衰荡腔中90％的输出光经第二光纤耦合器接入第一光纤耦合器，光纤衰荡腔中10％的输出光经第二光纤耦合器由光纤环路接入光电探测器，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器转换成电信号，最终显示在数字示波器上，随着镀反射膜的镜面与带尾纤的镜头之间距离的微小变化，通过带尾纤的镜头反射回光纤衰荡腔内的损耗随之变化，导致脉冲信号的衰减时间发生改变，根据设定特定的镀反射膜的镜面与带尾纤的镜头之间距离并通过检测得到对应距离的衰荡时间，建立距离与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的衰荡时间并结合距离与衰荡时间的线性关系曲线得到待测的镀反射膜的镜面与带尾纤的镜头之间的距离。

优选的，所述掺铒光纤放大器由一段低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和三端口的wdm耦合器组成，低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和wdm耦合器输出的光脉冲分别接在wdm耦合器的三个端口。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明提出了一种基于腔内放大的光纤腔衰荡技术的微距测量方法，有效实现了微距的高灵敏度测量；

2、本发明采用低增益低噪声掺铒光纤来减少波形失真并补偿光纤环腔内噪声衰减；

3、本发明利用掺铒光纤放大器来补偿光纤环腔内损耗增加脉冲峰数以提高微距测量的精度；

4、本发明测量系统结构紧凑、测量过程简化、方便迅速、可进行实时测量，且石英光纤具有抗电磁干扰、重量轻、纤芯直径粗易于加工等优点。

附图说明

图1是本发明中微距测量系统的光路连接图。

图中：1-数字信号发生器，2-半导体激光调制器，3-激光源，4-第一隔离器，5-第一光纤耦合器，6-3.6km单模光纤，7-掺铒光纤放大器，8-三端口环形器，9-带尾纤的镜头，10-镀发射膜的镜面，11-第二隔离器，12-第二光纤耦合器，13-光电探测器，14-示波器，15-光纤。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

一种高精度激光微距测量方法，由依次通过光纤15相连的第一光纤耦合器5、3.6km单模光纤6、掺铒光纤放大器7、三端口环形器8、第二隔离器11和第二光纤耦合器12构成光纤衰荡腔，第一光纤耦合器5依次通过光纤15与第一隔离器4和激光源3连接，该激光源3依次通过线路与半导体激光调制器2和数字信号发生器1相连，第二光纤耦合器12通过光纤15与光电探测器13相连，该光电探测器13通过线路与示波器14相连，三端口环形器8的隔离端口连接有带尾纤的镜头9，镀反射膜的镜面10放置于带尾纤的镜头9之前，其中掺铒光纤放大器7由一段低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和三端口的wdm耦合器组成，低增益的掺铒光纤、泵浦激光器和wdm耦合器输出的光脉冲分别接在wdm耦合器的三个端口，当数字信号发生器1产生一系列脉冲波接入半导体激光调制器2，半导体激光调制器2控制激光源3的输出功率和波长，经调制后的光脉冲串经由第一隔离器4和第一光纤耦合器5的10％端口耦合到光纤环路中，依次经过3.6km单模光纤6、掺铒光纤放大器7、三端口环形器8和第二隔离器11，通过三端口环形器8输入端口的输入光信号从三端口环形器8输出端口射出，经反射后的光信号从三端口环形器8输出端口返回并从三端口环形器8隔离端口射出，光纤衰荡腔中90％的输出光经第二光纤耦合器12接入第一光纤耦合器5，光纤衰荡腔中10％的输出光经第二光纤耦合器12由光纤环路接入光电探测器13，衰减脉冲的输出周期性序列被光电探测器13转换成电信号，最终显示在数字示波器14上，在光纤衰荡腔内的第二隔离器11用于确保信号信号单向传输，避免光源损坏，随着镀反射膜的镜面10与带尾纤的镜头9之间距离的微小变化，通过带尾纤的镜头9反射回光纤衰荡腔内的损耗随之变化，导致脉冲信号的衰减时间发生改变，根据设定特定的镀反射膜的镜面10与带尾纤的镜头9之间距离并通过检测得到对应距离的衰荡时间，建立距离与衰荡时间的线性关系曲线，然后根据测得的衰荡时间并结合距离与衰荡时间的线性关系曲线得到待测镀反射膜的镜面10与带尾纤的镜头9之间的距离。

本发明的原理基于光纤环腔衰荡光谱技术，数字信号发生器产生的一系列脉冲波通过“模拟调制输入”端口输送到半导体激光调制器调制成脉冲光，经第一光纤耦合器进入光纤环路，通过光纤衰荡腔腔内掺铒光纤放大器、三端口环形器和第二隔离器，经镀反射膜的镜面反射从第二光纤耦合器的一端出来，接入光电探测器。为了提高衰荡时间的测量精度，有必要增加脉冲个数。所以用一个掺铒光纤放大器来补偿光纤环路的损耗。通过不同长度掺铒光纤的放大器实验，发现掺铒光纤过长会产生激光，掺铒光纤太短，增益不够、脉冲间隔比较小。因此，在实验室搭建了长度为2m的掺铒光纤的光放大器和980nm泵浦激光器。在相同条件下，对比了放置在腔内和腔外的掺铒光纤放大器(edfa)的衰减光谱，当edfa放置在腔内时，脉冲信号的峰值强度更大、数量更多，更有利于检测到衰荡时间。与常规的crd信号处理相比，光纤衰荡腔内带有edfa的衰荡系统对微距测量灵敏度的提高有很大改善。

时域分析法通常是通过监测引入到光纤回路的光脉冲的衰减寿命来确定光纤环路内的光损耗。在flrds系统中，调制的脉冲光通过第一光纤耦合器进入光纤环路，然后在光纤环路内多次往返，在每次往返过程中，由于光纤衰荡腔内损耗少量的光会丢失，其结果是环形腔内的光随时间呈指数衰减，光腔衰荡信号可表示为：

it＝i0exp(-t/τ)(1)

其中i0为初始光强，τ为光腔衰荡时间。

指数衰减信号由光电探测器检测记录每次经过第二耦合器的少量泄漏光得到。在微距测量实验中，光纤衰荡腔内衰减随着距离的变化而变化，当环形腔内的损耗越低，衰减时间τ越大。因此τ反映了由距离变化引起的损耗，并且可以通过测量τ获得。光腔的衰减时间τ被定义为光衰减到其初始强度的1/e所需的时间，该表达式为

式中，d为光纤环腔的长度，c为光速，n是光纤环腔的折射率，a是每次腔衰荡过程中的总损耗，包括光纤衰荡腔固有损耗和镜头与高反射镜面对接的损耗。在光纤环形腔内，光纤环形腔的固有损耗主要来自光纤环腔的吸收、光纤耦合器的插入损耗、光纤的散射损耗和光纤的连接损耗。

由1550nm光源发出的入射光通过第一光纤耦合器进入光纤环路中，经过掺铒光纤放大器进入三端口环形器，入射光在镀反射膜的镜面上反射，由三端口环形器输出端口输出，经由第二光纤耦合器，最终传输到光电探测器上检测反射光强的变化，从而测定带尾纤的镜头与镀反射膜的镜面之间的距离，即得到反射面的位移量。系统中位移量的准确值由千分尺控制，带尾纤的镜头固定，千分尺作垂直于传感方向的移动。

从实验可以看出：当被测距离为零时，经过三端口环形器隔离端口的光全部被反射回光纤环路中，此时光电探测器的输出光强最大，示波器上的衰荡脉冲最多；随着带尾纤的镜头与镀反射膜的镜面之间的距离逐渐增大，反射回光纤环路中的光越来越少，光电探测器输出光强越来越小，衰荡脉冲也随之变少。因此，该测量方法可以用于微距的精确测量。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。