張 娟 王 凱 武宏璋

(西安計量技術(shù)研究院，西安 710068)

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基于激光調(diào)頻外差干涉的位移量精密測量系統(tǒng)研究*

張 娟 王 凱 武宏璋

(西安計量技術(shù)研究院，西安 710068)

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

計量檢測；位移量精密測量；激光調(diào)頻外差干涉

0 引言

近年來，我國裝備制造業(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)展和高精度先進儀器對計量、校準(zhǔn)工作的需求，作為法定計量技術(shù)機構(gòu)，我們必須不斷提升自身的檢測能力，為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會發(fā)展提供更加有效的服務(wù)[1]。

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

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

1.1 主要設(shè)計原則

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

2)便捷性原則：由于被測物體或設(shè)備的工作方式不一樣，測距設(shè)備應(yīng)盡量輕巧便攜，與被測設(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)在兩個方面，一是多次測量的數(shù)值具有較高的精度與可信度；二是測量設(shè)備的固定精度應(yīng)遠遠高于設(shè)備的測量精度，以保證測量結(jié)果的真實性。

1.2 主要技術(shù)目標(biāo)

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

1.3 總體功能架構(gòu)

測量系統(tǒng)的主要功能包括：激光調(diào)制發(fā)射模塊、參考干涉模塊、測量干涉模塊、光電探測接收模塊、頻率綜合模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等。兩個干涉模塊將各自接收到的光信息，通過測頻、混頻進行比較、運算，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)頻干涉測距系統(tǒng)總體功能架構(gòu)圖

測量系統(tǒng)整體功能架構(gòu)體現(xiàn)了無損、便捷、高穩(wěn)定性的設(shè)計原則，不需要復(fù)雜的人機交互，用戶只需要簡單的反射光校準(zhǔn)操作，就可以實現(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物體的反射表面時按照原光路返回至系統(tǒng)參與干涉。其中測量干涉模塊用虛線標(biāo)出是因為它不僅包含了測距系統(tǒng)本身，也包含了被測物體的信息，即被測物體反射回來的激光進入干涉系統(tǒng)共同構(gòu)成了測量干涉模塊。用戶整個工作流程如圖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分光棱鏡和一個角錐棱鏡將光束反射如光電探測器PD2。同時，水平傳輸?shù)囊宦烦錾渲凉潭ㄓ谕獠勘粶y表面的角錐棱鏡，返回的光路經(jīng)過分光棱鏡進入光電探測器PD1，兩路信號分別進入測頻系統(tǒng)來估算兩束光干涉的拍頻量，利用拍頻量來計算被測物體的距離。

圖3 光路原理圖

2 測距信號計算模型

測量系統(tǒng)采用線性調(diào)頻激光雙干涉測量距離。其中線性調(diào)頻激光絕對距離測量是繼多波長激光絕對距離測量之后出現(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, 相干長度很強, 所以線性調(diào)頻激光絕對距離測量范圍在幾米以內(nèi)，并且具有很高的分辨率，即測量精度[5]。

半導(dǎo)體激光器出射光的頻率隨時間按三角波規(guī)律變化, 射入臂長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量鏡均靜止的狀態(tài)下輸出一個交變光信號，通常稱之為光拍。光拍的強度為：

式中，I1(t)和I2(t)是激光頻率調(diào)制引起的光強變化。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度差成正比。

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

fbm=2adm/c和fbr=2adr/c

由此可得到測距公式：

由于參考距離dr為已知，所以通過分別測量兩個干涉儀的輸出光拍頻信號頻率，即可直接得到被測距離，實現(xiàn)無導(dǎo)軌距離測量。

利用兩個頻率的拍頻量以及參考干涉系統(tǒng)的工作距離來計算，測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，因此可實現(xiàn)較高的測量精度。

3 應(yīng)用工作平臺設(shè)計

測量系統(tǒng)由激光干涉測量系統(tǒng)與用于反射的角錐棱鏡組成。在測量時，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距儀進行干涉。因此在應(yīng)用平臺中應(yīng)設(shè)計了一組激光校準(zhǔn)光路，保證射激光與返回激光束同軸。

3.1 系統(tǒng)測量方式

系統(tǒng)的測量應(yīng)方式有兩種。圖4(a)主要用于導(dǎo)軌之間的水平位移測量。首先，激光干涉測量系統(tǒng)被固定于被測物體或設(shè)備一側(cè)相對穩(wěn)定的平面上，保證激光束照射被測表面時無阻擋，將角錐棱鏡固定在被測表面，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面上，并且設(shè)計有微調(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算。圖4(b)主要用于拉力機等垂直方向的位移測量，其中M2為反射鏡，M1為固定在被測表面的角錐棱鏡，同樣調(diào)節(jié)角錐棱鏡的方位角，使得光束正確返回。

圖4 測量設(shè)備工作平臺

3.2 反射光校準(zhǔn)

在被測物體或設(shè)備上安裝角錐棱鏡，測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)光窗口處進行人眼觀測，當(dāng)反射光進入接收窗口，并且在校準(zhǔn)光處有光束反射出來時，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，原型系統(tǒng)開發(fā)工作已經(jīng)基本完成，在我院長度檢測中心進行了大量的現(xiàn)場實驗，達到了設(shè)計的主要技術(shù)目標(biāo)，同時極大地提高了檢測工作的效率，有效地減輕了檢測人員的工作量，取得了良好的應(yīng)用效果。

[1] 國務(wù)院頒布.“十二五”計量發(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)振動測量技術(shù)的研究.計量學(xué)報，2005(3)

[3] 孫長庫,何明霞,王鵬.激光測量技術(shù).天津大學(xué)出版社,2008

[4] 楊珅，榮強周，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,2013,62(8)

[5] 陳千頌，楊成偉,等.激光飛行時間測距關(guān)鍵技術(shù)進展.激光與紅外， 2002，32(1)

*陜西省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃項目，編號：2014KY06

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.12.05