[发明专利]一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统

摘要

本发明公开了一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由宽带光源、光纤隔离器、三个3dB-耦合器、四个自准直镜、两个光纤光栅、四个反射镜、两个探测器、环行器、一维平移台、压电陶瓷、反馈控制电路、信号发生器、信号处理电路、A/D转换卡、计算机和结果输出组成；本发明用一光纤干涉仪感应位移，另一光纤干涉仪解调位移，实现远程测量；用于解调的光纤干涉仪同时工作在低相干干涉和高相干干涉状态，用低相干干涉信号决定位移的幅值，实现绝对测量；用高相干干涉信号测量位移的值，反馈控制抑制环境干扰对解调光纤干涉仪的影响，实现高精度测量。

主权项

一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统，其特征在于它是由宽带光源(S1)、光纤隔离器(I1)、三个3dB‑耦合器(N1，N2，N3)、四个自准直镜(G3，G4，G7，G8)、两个光纤光栅(FBG1，FBG2)、四个反射镜(G1，G2，G5，G6)、两个探测器(PD1，PD2)、环行器(H1)、一维平移台(M)、压电陶瓷(PZT)、反馈控制电路(B4)、信号发生器(B5)、信号处理电路(B1)、A/D转换卡(B2)、计算机(B3)和结果输出(B6)组成；宽带光源(S1)发出的光经过光纤隔离器(I1)和3dB‑耦合器(N1)后到达光纤光栅(FBG1)，满足光纤光栅(FBG1)的布拉格条件的波长的光被反射回来，其余波长的光透过光纤光栅(FBG1)到达3dB‑耦合器(N2)后被分成两路，这两路光分别由自准直镜(G3，G4)准直后，垂直入射到测量镜(G1)和参考镜(G2)上，再由测量镜(G1)和参考镜(G2)反射回系统并在3dB‑耦合器(N2)会合，此合光透过光纤光栅(FBG1)、3dB‑耦合器(N1)后，一路合光到达光纤隔离器(I1)，由于光纤隔离器(I1)的作用，这路合光不能到达光源(S1)，因此不会对光源(S1)产生影响，另一路合光到达3dB‑耦合器(N3)，然后又被分成两路，这两路合光分别被自准直镜(G7，G8)准直后分别垂直入射到两个反射镜(G5，G6)上，再由这两个反射镜(G5，G6)反射回系统，两路被反射回来的光在3dB‑耦合器(N3)再一次会合，此合光经过环形器(H1)后，透过光纤光栅(FBG2)由探测器(PD1)探测，当两个光纤干涉仪(M1，M2)的光程差之差小于宽带光源的相干长度时，探测器(PD1)探测到的是低相干干涉信号，当两个光纤干涉仪(M1，M2)的光程差之差为零时，探测器(PD1)探测到的低相干干涉信号取最大值，当被测位移变化时，探测器(PD1)探测到的信号峰值点的位置将成比例地移动，用探测器(PD1)探测的信号峰值点的位置的移动量决定被测位移的幅值；由光纤光栅(FBG1)反射回来的光，一路光到达光纤隔离器(I1)，由于光 纤隔离器(I1)的作用，这路合光不能到达光源(S1)，因此不会对光源(S1)产生影响，另一束光经过3dB‑耦合器(N3)后被分成两路，这两路光分别被自准直镜(G7，G8)准直后，垂直入射到两面反射镜(G5，G6)上，再由这两面反射镜(G5，G6)分别反射回系统，并在3dB‑耦合器(N3)处再次相遇，并发生干涉，此干涉信号经过环形器H1后到达光纤光栅(FBG2)，并由光纤光栅(FBG2)反射，再次经过环形器(H1)后，由探测器(PD2)探测，探测器(PD2)探测到的是高相干干涉信号；测量位移时，信号发生器(B5)产生周期性锯齿波，对位于解调光纤干涉仪(M2)的一个干涉臂中的一维平移台(M)加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节解调光纤干涉仪(M2)的光程差，探测器(PD1，PD2)分别探测到在一个调节周期内的低相干干涉信号和高相干干涉信号；当位移变化时，探测器(PD1)探测到的低相干干涉信号峰值点的位置将成比例地移动，利用此峰值点的位置的移动范围决定被测位移的幅值，利用探测器(PD2)探测到的高相干干涉信号在探测器(PD1)探测到的低相干干涉信号峰值点的位置的移动范围内的干涉条纹数决定被测位移的值；探测器(PD1，PD2)探测到的信号同时经过信号处理电路(B1)、A/D转换卡(B2)、以及计算机(B3)中的程序作数据处理后，由结果输出(B6)输出测量结果；探测器(PD2)探测到的高相干干涉信号还同时输入反馈控制电路(B4)，经过反馈控制电路(B4)处理后，其输出信号加在压电陶瓷(PZT)上，驱动压电陶瓷(PZT)调节解调光纤干涉仪(M2)的光程差，在解调光纤干涉仪(M2)中的两面反射镜(G5，G6)以及一维平移台(M)处于静止状态时，使解调光纤干涉仪(M2)始终处于正交状态，从而抑制环境干扰对光纤干涉仪的影响。