[发明专利]一种激光干涉法信号提取系统

说明书

本发明公开了一种激光干涉法信号提取系统，机械振子与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子位移的变化将引起反射光强的变化，通过光电探测器将机械振子位移的信号转变为电压信号，电压信号将分为两路，第一路经过信号放大采集单元后被放大并进行数据采集，再送入电脑内做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子的振动状态，第二路信号作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，所述的噪声隔离单元位于PID控制单元的输入端前面，避免PID控制单元的噪声进入到信号放大采集部分中。本发明能够将工作点始终锁定在干涉曲线的斜率最大点,并解决外界干扰引起的光干涉腔距离变化引起干扰问题。

技术领域

本发明涉及信号读取与稳定系统技术领域，尤其涉及一种激光干涉法信号提取系统。

背景技术

基于微纳机械振子的力探测具有很高的局部空间响应和灵敏度，这使它成为测量微纳尺度小样品的理想工具，推动了相关科学问题更深入的研究。在进行磁性或表面测量时，信号反映在机械振子共振频率的变化上，比如扭矩测磁学测量小尺寸的磁性样品，原子力显微镜采用交流模式进行测量等。微纳米量级的机械振子的振动位移只有皮米（pm）量级，测量如此小的位移对测量仪器提出了较高的要求。

目前主流用于测量微纳机械振子位移的方法有电容耦合，磁感应和光纤干涉这3种。而光纤干涉法是被认为灵敏度最高，对测试样品影响最小的一种方法。就激光干涉法来说，目前常用的做法是激光器连接光纤耦合器，然后通过微透镜将光聚焦到机械振子上，机械振子与光纤前端组成光干涉腔，光纤前端反射的光与机械振子反射的光发生干涉，干涉信号通过光纤耦合器用光电探测器测量，然后进行数据采集与处理。通过调节激光的波长，将光纤干涉信号的工作点设置在干涉信号斜率最大处，这时的位移信号也大，测量效果达到最好。

在实际的测量中情况并非如此理想，比如在进行扭矩磁测量的过程中，磁场由小到大的扫场过程中，由磁性样品引起的扭矩会改变，悬臂梁会受到扭矩而变弯，这会引起光干涉腔长度的变化，之前设定好的工作点会发生变化。这带来的影响是会减小机械振子振动信号的信噪比，有时还会丢失信号。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种激光干涉法信号提取系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光干涉法信号提取系统，包括有激光器、激光器电源、PID控制单元、光电探测器、信号放大采集单元、噪声隔离单元和电脑，所述的激光器电源输出电流到激光器，激光器发出的激光干涉信号形成后，经过光纤耦合器将激光功率衰减100倍，然后通过微透镜聚焦于机械振子振动位移最大位置，光纤端面与机械振子表面形成光腔，机械振子与光纤端面反射回的光将发生干涉，光腔长度也就是机械振子位移的变化将引起反射光强的变化，通过光电探测器将机械振子位移的信号转变为电压信号，电压信号将分为两路，第一路经过信号放大采集单元后被放大并进行数据采集，再送入电脑内做傅里叶变换，将时域信号转换为频谱，以反映机械振子的振动状态，第二路信号作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，所述的噪声隔离单元位于PID控制单元的输入端前面，避免PID控制单元的噪声进入到信号放大采集部分中。

所述的激光器电源为电流源，电流范围为0-100mA,所述的激光器采用波长为1550nm的单模激光器，所述的光纤耦合器采用99：1的衰减比，所述的光电探测器的型号为Newport1550。

所述的PID控制单元包括有有源低通滤波器、FPGA芯片和温控单元，光电探测器的第二路信号经过有源低通滤波器之后作为PID控制单元的输入，控制激光干涉工作点，进入光电探测器的干涉信号强度随腔长或激光波长是正弦关系，将PID控制程序写入FPGA芯片中，经过有源低通滤波器之后的信号被FPGA芯片的一个模拟输入通道采集，然后经FPGA芯片处理后，输出值经由FPGA的模拟输出端口去控制温控单元的调制端口，温控单元再去控制激光器的温度。

所述的温控单元为TEC200温控仪，所述的FPGA芯片的型号为PXIe7854R。