專利名稱：基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光激振測(cè)振儀，特別是一種基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀。
背景技術(shù)：
采用微結(jié)構(gòu)器件，如NEMS(nanoelectromechanical systems)器件以及MEMS(microelectromechanical systems)器件對(duì)物質(zhì)成分的屬性及含量進(jìn)行高精度檢測(cè)的硅微諧振傳感器，由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、尺寸小、成本低、性能可靠、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是近年來國際上的研究熱點(diǎn)之一。其中，采用光激勵(lì)和光檢測(cè)工作方式的硅微機(jī)械諧振傳感器兼有多種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，得到了該領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。
目前該領(lǐng)域的相關(guān)研究中，大多采用雙光源實(shí)驗(yàn)裝置，即微諧振器的激勵(lì)及其諧振信號(hào)的測(cè)量采用兩個(gè)不同的激光光源。這種實(shí)驗(yàn)裝置雖然相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)器件的激勵(lì)和檢測(cè)，但是由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，限制了向多傳感頭系統(tǒng)的發(fā)展。為了解決上述問題，提出了一些單光源的激振測(cè)振裝置?；贔abry-Perot(F-P)干涉技術(shù)的自激勵(lì)硅微諧振器(在先技術(shù)1，J David Zook，David W.Bums，William R.Herb et al..Optically excited self-resonant microbeams，Sensors and Actuators[J].1996，A52(1-3)，92-98)，該裝置不需要調(diào)制源，可以簡(jiǎn)化傳感器設(shè)計(jì)，降低成本，而且容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)物理參量的集成傳感，但是存在的諸如F-P腔加工精度要求太高、激振結(jié)構(gòu)易受外界干擾、需采用特殊裝置穩(wěn)定諧振狀態(tài)等缺點(diǎn)一直沒有得到很好地解決；基于光強(qiáng)調(diào)制檢測(cè)方式的單光源裝置(在先技術(shù)2，Liu Yueming，Liu Junhua，Zhang Shaojun.A laboratory study of photothermal excited silicon microresonators with coated film[J].Acta Optica Sinica，2003，23(5)，529-533)，諧振信號(hào)的測(cè)量采用光強(qiáng)調(diào)制檢測(cè)方式，易受外界干擾，測(cè)量精度較低；采用單光源短光脈沖激勵(lì)微諧振器的裝置(在先技術(shù)3，L.M.Zhang，D，Uttamchandani，B.Culshaw.Excitation of silicon microresonatorsusing short optical pulses[J].Sensors and Actuators，1990，A21-23，391-393)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是信號(hào)處理比較困難，而且該裝置存在對(duì)激光器功率要求高，需較大尺寸諧振器的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，其結(jié)構(gòu)為帶有溫度控制器的光源由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)；沿光源發(fā)射光前進(jìn)方向依次置放隔離器、耦合器，所述的光源與隔離器由第一段光纖相連，所述的隔離器與耦合器的第一端口之間由第二段光纖相連，該耦合器的第三端口經(jīng)第三段光纖與準(zhǔn)直器相連，該耦合器的第二端口通過第四段光纖與第一光電轉(zhuǎn)換器輸入端連接；該第一光電轉(zhuǎn)換器的輸出端接第一前置放大器的輸入端，封裝在光源內(nèi)部的第二光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與第二前置放大器的輸入端相連，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)制信號(hào)輸出端、第一前置放大器的輸出端和第二前置放大器的輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器的第一輸入端、第二輸入端和第三輸入端連接；該信號(hào)處理器的輸出端與信號(hào)監(jiān)視器連接。
所述的信號(hào)處理器的構(gòu)成包括第一除法器和三倍頻處理器，該第一除法器的第一輸入端和第二輸入端即信號(hào)處理器的第二輸入端和第三輸入端，第一除法器的輸出端與第二乘法器第一輸入端口、第一乘法器第一輸入端連接；所述的三倍頻處理器的輸入端即信號(hào)處理器的第三輸入端，所述的三倍頻處理器的輸出端與第二乘法器的第二輸入端連接，第二乘法器輸出端與第二低通濾波器的輸入端連接，第一乘法器的輸出端與第一低通濾波器的輸入端連接，第二低通濾波器的輸出端同時(shí)與加法器的第一輸入端、減法器的第一輸入端連接，第一低通濾波器的輸出端同時(shí)與加法器的第二輸入端、減法器的第二輸入端連接，加法器的輸出端和減法器的輸出端分別與第二除法器的第一輸入端和第二輸入端連接，第二除法器的輸出端即信號(hào)處理器的輸出端。
所述的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源給光源提供直流驅(qū)動(dòng)電流和交流驅(qū)動(dòng)電流，并且其調(diào)制信號(hào)輸出端可以輸出與提供給光源的交流驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)同頻率的交流電壓信號(hào)。
所述的光源是指半導(dǎo)體激光器，并且其內(nèi)部封裝了第二光電轉(zhuǎn)換器，所說的第二光電轉(zhuǎn)換器是光電二極管。
所述的準(zhǔn)直器是指其出射光為平行光的光學(xué)元件，并且其出射端面鍍有增反膜，其反射率R滿足0.08＜R＜0.73。
所述的第一光電轉(zhuǎn)換器是光電二極管，或是光電池。
所述的信號(hào)監(jiān)視器是示波器，或者是萬用表。
所述的三倍頻控制器是將輸入的交流電壓信號(hào)的頻率的轉(zhuǎn)換成頻率為原來3倍的交流電壓信號(hào)的電子元件或系統(tǒng)。
所述的溫度控制器控制光源的溫度，使光源的溫度僅在較小的范圍內(nèi)變化本發(fā)明具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，采用了全光纖斐索干涉儀結(jié)構(gòu)作為硅微諧振器的激振測(cè)振系統(tǒng)，通過調(diào)整干涉儀的工作參數(shù)，使其工作在特定條件下，再通過相應(yīng)的信號(hào)處理方法從干涉信號(hào)中解調(diào)出硅微諧振器的振動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要采用特殊裝置穩(wěn)定系統(tǒng)的諧振狀態(tài)。
2、本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，采用特殊的信號(hào)處理方法從干涉信號(hào)中解調(diào)出硅微諧振器的振動(dòng)信號(hào)，可以高精度的測(cè)量出諧振器的振動(dòng)位移。
3、本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，采用干涉儀光源作為硅微諧振器的激勵(lì)光源，對(duì)光源等器件沒有特殊要求，易于實(shí)現(xiàn)微諧振器的光熱激勵(lì)。


圖1為本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)框3為諧振器振動(dòng)幅度A隨信號(hào)R變化的模擬結(jié)果圖4為信號(hào)R的測(cè)量曲線具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1及圖2，圖1為本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，其結(jié)構(gòu)為帶有溫度控制器2的光源3由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1驅(qū)動(dòng)；沿光源3發(fā)射光前進(jìn)方向依次置放隔離器4、耦合器5，所述的光源3與隔離器4由第一段光纖301相連，所述的隔離器4與耦合器5的第一端口a之間由第二段光纖501相連，該耦合器5的第三端口c經(jīng)第三段光纖502與準(zhǔn)直器6相連，該耦合器5的第二端口b通過第四段光纖503與第一光電轉(zhuǎn)換器8輸入端連接；該第一光電轉(zhuǎn)換器8的輸出端接第一前置放大器9的輸入端，封裝在光源3內(nèi)部的第二光電轉(zhuǎn)換器10的輸出端與第二前置放大器11的輸入端相連，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1的調(diào)制信號(hào)輸出端、第一前置放大器9的輸出端和第二前置放大器11的輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器12的第一輸入端x1、第二輸入端x2和第三輸入端x3連接；該信號(hào)處理器12的輸出端與信號(hào)監(jiān)視器13連接。
所述的信號(hào)處理器12的構(gòu)成如圖2所示，包括第一除法器1201和三倍頻處理器1202，該第一除法器1201的第一輸入端D1和第二輸入端D2即信號(hào)處理器12的第二輸入端X2和第三輸入端X3，第一除法器1201的輸出端與第二乘法器1203第一輸入端口M1、第一乘法器1204第一輸入端M3連接；所述的三倍頻處理器1202的輸入端即信號(hào)處理器12的第三輸入端X3，所述的三倍頻處理器1202的輸出端與第二乘法器1203的第二輸入端M2連接，第二乘法器1203輸出端與第二低通濾波器1205的輸入端連接，第一乘法器1204的輸出端與第一低通濾波器1206的輸入端連接，第二低通濾波器1205的輸出端同時(shí)與加法器1207的第一輸入端A1、減法器的第一輸入端S1連接，第一低通濾波器1206的輸出端同時(shí)與加法器1207的第二輸入端A2、減法器的第二輸入端S2連接，加法器1207的輸出端和減法器1208的輸出端分別與第二除法器1209的第一輸入端D3和第二輸入端D4連接，該第二除法器1209的輸出端即信號(hào)處理器12的輸出端。
所述的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1給光源提供直流驅(qū)動(dòng)電流和交流驅(qū)動(dòng)電流，并且其調(diào)制信號(hào)輸出端可以輸出與提供給光源的交流驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)同頻率的交流電壓信號(hào)。
本實(shí)施例中的光源3是一半導(dǎo)體激光器，并且其內(nèi)部封裝了第二光電轉(zhuǎn)換器10，所說的第二光電轉(zhuǎn)換器10是光電二極管。
所述的準(zhǔn)直器6是指其出射光為平行光的光學(xué)元件，并且其出射端面鍍有增反膜，其反射率R滿足0.08＜R＜0.73，也可以說所述的準(zhǔn)直器6是本發(fā)明基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀的探測(cè)頭。
所述的第一光電轉(zhuǎn)換器8是光電二極管，或是光電池。
所述的信號(hào)監(jiān)視器(13)是示波器，或者是萬用表。
所述的三倍頻控制器1202是將輸入的交流電壓信號(hào)的頻率的轉(zhuǎn)換成頻率為原來3倍的交流電壓信號(hào)的電子元件或系統(tǒng)。
本發(fā)明的激振測(cè)振儀的工作過程如下
將本發(fā)明的激振測(cè)振儀的探測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)諧振體7，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1向光源3提供直流驅(qū)動(dòng)電流和正弦交流驅(qū)動(dòng)電流，向數(shù)據(jù)處理器1提供直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使由光源3發(fā)出的光的波長和強(qiáng)度被正弦調(diào)制，被調(diào)制的光依次經(jīng)過隔離器4、耦合器5和準(zhǔn)直器6后，該準(zhǔn)直器6即探測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)待測(cè)諧振體7，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源提供直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使由光源3發(fā)出的光的波長和強(qiáng)度被正弦調(diào)制；被調(diào)制的光依次經(jīng)過隔離器4、耦合器5和準(zhǔn)直器6后，一部分光在準(zhǔn)直器6與空氣交界的端面被反射，產(chǎn)生參考光C，另一部分透射光以平行光T出射照射到待測(cè)諧振體7的表面；照射到待測(cè)諧振體7的平行光T經(jīng)待測(cè)諧振體7反射后，產(chǎn)生的物光W入射進(jìn)準(zhǔn)直器6，與參考光C發(fā)生干涉，產(chǎn)生的干涉光信號(hào)含有待測(cè)諧振體7的位移信息；此干涉光信號(hào)經(jīng)耦合器5的第二端口b輸出，被第一光電轉(zhuǎn)換元件8接收，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；第一前置放大器9對(duì)此電信號(hào)放大后輸入數(shù)據(jù)處理器12，封裝在光源3內(nèi)的第二光電轉(zhuǎn)換器10測(cè)量光源3的光強(qiáng)變化，第二光電轉(zhuǎn)換器10的輸出信號(hào)通過第二前置放大器11放大后輸出到數(shù)據(jù)處理器12。待測(cè)諧振體7在平行光T的照射下，由于光熱效應(yīng)，發(fā)生形變。數(shù)據(jù)處理器12輸出一個(gè)與待測(cè)諧振體7振動(dòng)幅度一一對(duì)應(yīng)的電信號(hào)R，通過信號(hào)監(jiān)視器13觀察信號(hào)R。本發(fā)明的激振測(cè)振儀工作時(shí)，逐漸增大調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1輸出的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，當(dāng)該信號(hào)頻率與待測(cè)諧振體7的固有頻率一致時(shí)，待測(cè)諧振體7的振動(dòng)幅度最大，將達(dá)到諧振狀態(tài)，此時(shí)信號(hào)監(jiān)視器13顯示的信號(hào)R與待測(cè)諧振體7非諧振狀態(tài)時(shí)的信號(hào)R相比，有一個(gè)明顯的變化。通過測(cè)量信號(hào)R獲得待測(cè)諧振體7的諧振頻率。
光源3在直流驅(qū)動(dòng)電流i0和交流驅(qū)動(dòng)電流Δi(t)＝αcos(ωct+θ)的驅(qū)動(dòng)下，光源3的輸出光波長λ(t)和輸出光強(qiáng)度g(t)分別表示為λ(t)＝λ0+β1Δi(t) (1)g(t)＝β2[i0+Δi(t)] (2)其中，α為交流驅(qū)動(dòng)電流的幅度，λ0是光源3的中心波長，β1是光源3的波長隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)，β2是光源3的光強(qiáng)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)。
設(shè)參考光C和物光W的振幅比為1∶1，第一光電探測(cè)器8檢測(cè)到的干涉光信號(hào)為S0(t)＝IB(t)+IM(t)cos[z1cos(ωct+θ)+α0+α(t)](3)其中
IB(t)＝g(t-τ0)+g(t-τr) (4)IM(t)=2g(t-τo)g(t-τr)---(5)]]>z1=2πβ1ar0/λ02---(6)]]>α0(t)＝2πr0/λ0(7)α(t)＝4πr(t)/λ0(8)IB(t)和IM(t)分別為干涉信號(hào)非相干部分和相干部分的幅度調(diào)制；τ0＝l0/c，τr＝lr/c，l0和lr分別為參考光C和物光W的光程，c為光速；r0為靜止時(shí)準(zhǔn)直器6的端面與待測(cè)諧振體7的端面之間的光程差r(t)為待測(cè)諧振體7的振動(dòng)位移。
封裝在光源3中的第二光電探測(cè)器探測(cè)到的光源3的強(qiáng)度變化為I(t)＝β2{i0+αcos[ωc(t-τ)+θ]}(9)其中，τ是光傳播引起的時(shí)間延遲。
將式(3)與式(9)相除，可以得到S(t)＝C+Ccos[z1cos(ωct+θ)+α0+α(t)] (10)常數(shù)C不隨時(shí)間變化。
設(shè)待測(cè)諧振體7的位移r(t)＝Acos(ωct)，則式(10)可以寫為S(t)＝C+Ccos[z1cos(ωct+θ)+z2cos(ωct)+α0] (11)z2=4πAλ0---(12)]]>由式(6)可知，z1與r0有關(guān)，通過調(diào)整準(zhǔn)直器6與待測(cè)諧振體7之間的初始距離，可以使z1相對(duì)較小，因此式(11)可以近似寫為S(t)≈C+Ccos[z2cos(ωct)+α0]＝C+Ccosα0[J0(z2)-2J2(z2)cos(2ωct)+...](13)-Csinα0[2J1(z2)cos(ωct)-2J3(z2)cos(3ωct)+...]其中，Jn(z2)表示n階貝塞爾函數(shù)。
由式(13)可見，從信號(hào)S(t)中求解出某階貝塞爾函數(shù)Jn(z2)，就能夠測(cè)量出待測(cè)諧振體7的振動(dòng)幅度。然而貝塞爾函數(shù)的單值區(qū)間較小，將會(huì)限制該方法的測(cè)量范圍。此外，由于r0難以準(zhǔn)確測(cè)量，所以很難給出sin(α0)和cos(α0)的準(zhǔn)確數(shù)值，導(dǎo)致直接從式(13)求解某階貝塞爾函數(shù)存在困難。
因此采用如圖2所示的信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行處理。將第一光電轉(zhuǎn)換器8檢測(cè)到的干涉信號(hào)S0(t)和第二光電轉(zhuǎn)換器10檢測(cè)到的光源3的強(qiáng)度變化信號(hào)I(t)同時(shí)送入第一除法器1201，得到信號(hào)S(t)。將S(t)分為兩路，一路信號(hào)和調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源調(diào)制信號(hào)輸出端輸出的正弦調(diào)制信號(hào)一起輸入第一乘法器1204，第一乘法器1204的輸出信號(hào)再輸入第一低通濾波器1206，得到信號(hào)S1，S1＝-K1Csinα0J1(z2) (14)K1是第一增益系數(shù)。
將調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源調(diào)制信號(hào)輸出端輸出的正弦調(diào)制信號(hào)輸入三倍頻處理器1202，輸出的信號(hào)與S(t)一起輸入第二乘法器1203，第二乘法器1203的輸出信號(hào)輸入第二低通濾波器1205，得到信號(hào)S2，S2＝K2Csinα0J3(z2)(15)K2是第二增益系數(shù)。
再將S1與S2分別輸入加法器1207和減法器1208，加法器1207和減法器1208的輸出信號(hào)經(jīng)第二除法器1210運(yùn)算后輸出信號(hào)R，R=S1+S2S1-S2=-K1J1(z2)+K2J3(z2)-K1J1(z2)-K2J3(z2)=f(A)---(16)]]>待測(cè)諧振體7振動(dòng)幅度A隨信號(hào)R變化的模擬結(jié)果如圖3所示(令K1＝K2)。可見，由于采用貝塞爾函數(shù)比值法，一定程度上減少了貝塞爾函數(shù)單值區(qū)間對(duì)測(cè)量范圍的限制。
如圖1所示的激振測(cè)振儀的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，待測(cè)諧振體7是采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的懸臂梁，表面鍍鋁，長1000微米、寬300微米、厚20微米。半導(dǎo)體激光器3的中心波長為1303.9nm，最大輸出功率2.5mw，其波長調(diào)制系數(shù)β1和強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)β2分別為0.0188nm/mA，0.1mW/mA。測(cè)試時(shí)，調(diào)整準(zhǔn)直器與懸臂梁的初始距離，使r0約為100μm；調(diào)整半導(dǎo)體激光器3的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度，使α約為1.5mA(則z1約為0.0104)；第一增益系數(shù)和第二增益系數(shù)均為10。逐漸增大半導(dǎo)體激光器交流調(diào)制信號(hào)的頻率，當(dāng)調(diào)制頻率遠(yuǎn)離待測(cè)諧振體7的諧振頻率時(shí)，信號(hào)監(jiān)視器顯示的測(cè)量曲線如圖4(a)所示，其平均值在1左右；當(dāng)調(diào)制頻率在8.81kHz左右時(shí)，信號(hào)監(jiān)視器顯示的測(cè)量曲線變化為如圖4(b)所示，其大小約為0.85。此時(shí)待測(cè)諧振體7達(dá)到諧振狀態(tài)，其振動(dòng)幅度約為135nm，諧振頻率為8.81kHz。
一部分光在準(zhǔn)直器6與空氣交界的端面被反射，產(chǎn)生參考光R，另一部分光以平行光T出射照射到待測(cè)諧振體7的表面，反射回來的物光O入射進(jìn)準(zhǔn)直器6后，與參考光R發(fā)生干涉；產(chǎn)生的干涉光含有待測(cè)諧振體7的位移信息，此干涉光經(jīng)過耦合器5后由第一光電轉(zhuǎn)換元件8接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)第一前置放大器9對(duì)此電信號(hào)放大后輸入信號(hào)處理器12。封裝在光源3內(nèi)的第二光電轉(zhuǎn)換器10測(cè)量光源3的光強(qiáng)變化，第二光電轉(zhuǎn)換器10的輸出信號(hào)通過第二前置放大器11放大后輸出到信號(hào)處理器12。待測(cè)諧振體7在平行光T的照射下，由于光熱效應(yīng)，發(fā)生形變。當(dāng)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源輸出的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與待測(cè)諧振體7的固有頻率一致時(shí)，待測(cè)諧振體7的振動(dòng)幅度最大，達(dá)到諧振狀態(tài)。信號(hào)處理器12輸出一個(gè)與待測(cè)諧振體7振動(dòng)幅度一一對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，通過信號(hào)監(jiān)視器13可以觀察到該信號(hào)。
下面對(duì)工作原理作一說明光源3在直流驅(qū)動(dòng)電流i0和交流驅(qū)動(dòng)電流Δi(t)＝αcos(ωct+θ)的驅(qū)動(dòng)下，光源3的輸出光波長λ(t)和輸出光強(qiáng)度g(t)分別表示為λ(t)＝λ0+β1Δi(t) (1)g(t)＝β2[i0+Δi(t)] (2)其中，α為交流驅(qū)動(dòng)電流的幅度，λ0是光源3的中心波長，β1是光源3的波長隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)，β2是光源3的光強(qiáng)隨驅(qū)動(dòng)電流的變化系數(shù)。
設(shè)參考光C和物光W的振幅比為1∶1，第一光電探測(cè)器8檢測(cè)到的干涉光信號(hào)為S0(t)＝IB(t)+IM(t)cos[z1cos(ωct+θ)+α0+α(t)] (3)其中IB(t)＝g(t-τ0)+g(t-τr)(4)IM(t)=2g(t-τo)g(t-τr)---(5)]]>z1=2πβ1ar0/λ02---(6)]]>α0(t)＝2πr0/λ0(7)α(t)＝4πr(t)/λ0(8)IB(t)和IM(t)分別為干涉信號(hào)非相干部分和相干部分的幅度調(diào)制；τ0＝l0/c，τr＝lr/c，l0和lr分別為參考光C和物光W的光程，c為光速r0為靜止時(shí)準(zhǔn)直器6的端面與待測(cè)諧振體7的端面之間的光程差；r(t)為待測(cè)諧振體7的振動(dòng)位移。
封裝在光源3中的第二光電探測(cè)器探測(cè)到的光源3的強(qiáng)度變化為I(t)＝β2{i0+αcos[ωc(t-τ)+θ]} (9)其中，τ是光傳播引起的時(shí)間延遲。
將式(3)與式(9)相除，可以得到S(t)＝C+Ccos[z1cos(ωct+θ)+α0+α(t)](10)常數(shù)C不隨時(shí)間變化。
設(shè)待測(cè)諧振體7的位移r(t)＝Acos(ωct)，則式(10)可以寫為S(t)＝C+Ccos[z1cos(ωct+θ)+z2cos(ωct)+α0] (11)z2=4πAλ0---(12)]]>由式(6)可知，z1與r0有關(guān)，通過調(diào)整準(zhǔn)直器6與待測(cè)諧振體7之間的初始距離，可以使z1相對(duì)較小，因此式(11)可以近似寫為S(t)≈C+Ccos[z2cos(ωct)+α0]＝C+Ccosα0[J0(z2)-2J2(z2)cos(2ωct)+...] (13)-Csinα0[2J1(z2)cos(ωct)-2J3(z2)cos(3ωct)+...]其中，Jn(z2)表示n階貝塞爾函數(shù)。
由式(13)可見，從信號(hào)S(t)中求解出某階貝塞爾函數(shù)Jn(z2)，就能夠測(cè)量出待測(cè)諧振體7的振動(dòng)幅度。然而貝塞爾函數(shù)的單值區(qū)間較小，將會(huì)限制該方法的測(cè)量范圍。此外，由于r0難以準(zhǔn)確測(cè)量，所以很難給出sin(α0)和cos(α0)的準(zhǔn)確數(shù)值，導(dǎo)致直接從式(13)求解某階貝塞爾函數(shù)存在困難。
因此采用如圖2所示的信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行處理。將第一光電轉(zhuǎn)換器8檢測(cè)到的干涉信號(hào)S0(t)和第二光電轉(zhuǎn)換器10檢測(cè)到的光源3的強(qiáng)度變化信號(hào)I(t)同時(shí)送入第一除法器1201，得到信號(hào)S(t)。將S(t)分為兩路，一路信號(hào)和調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源調(diào)制信號(hào)輸出端輸出的正弦調(diào)制信號(hào)一起輸入第一乘法器1204，第一乘法器1204的輸出信號(hào)再輸入第一低通濾波器1206，得到信號(hào)S1，S1＝-K1Csinα0J1(z2) (14)K1是第一增益系數(shù)。
將調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源調(diào)制信號(hào)輸出端輸出的正弦調(diào)制信號(hào)輸入三倍頻處理器1202，輸出的信號(hào)與S(t)一起輸入第二乘法器1203，第二乘法器1203的輸出信號(hào)輸入第二低通濾波器1205，得到信號(hào)S2，S2＝K2Csinα0J3(z2) (15)K2是第二增益系數(shù)。
再將S1與S2分別輸入加法器1207和減法器1208，加法器1207和減法器1208的輸出信號(hào)經(jīng)第二除法器1210運(yùn)算后輸出信號(hào)R，R=S1+S2S1-S2=-K1J1(z2)+K2J3(z2)-K1J1(z2)-K2J3(z2)=f(A)---(16)]]>待測(cè)諧振體7振動(dòng)幅度A隨信號(hào)R變化的模擬結(jié)果如圖3所示(令K1＝K2)?？梢?，由于采用貝塞爾函數(shù)比值法，一定程度上減少了貝塞爾函數(shù)單值區(qū)間對(duì)測(cè)量范圍的限制。
如圖1所示的激振測(cè)振儀的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖，待測(cè)諧振體7是采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的懸臂梁，表面鍍鋁，長1000微米、寬300微米、厚20微米。半導(dǎo)體激光器3的中心波長為1303.9nm，最大輸出功率2.5mw，其波長調(diào)制系數(shù)β1和強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)β2分別為0.0188nm/mA，0.1mW/mA。測(cè)試時(shí)，調(diào)整準(zhǔn)直器與懸臂梁的初始距離，使r0約為100μm；調(diào)整半導(dǎo)體激光器3的交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度，使α約為1.5mA(則z1約為0.0104)；第一增益系數(shù)和第二增益系數(shù)均為10。逐漸增大半導(dǎo)體激光器交流調(diào)制信號(hào)的頻率，當(dāng)調(diào)制頻率遠(yuǎn)離待測(cè)諧振體7的諧振頻率時(shí)，信號(hào)監(jiān)視器顯示的測(cè)量曲線如圖4(a)所示，其平均值在1左右；當(dāng)調(diào)制頻率在8.81kHz左右時(shí)，信號(hào)監(jiān)視器顯示的測(cè)量曲線變化為如圖4(b)所示，其大小約為0.85。此時(shí)待測(cè)諧振體7達(dá)到諧振狀態(tài)，其振動(dòng)幅度約為135nm，諧振頻率為8.81kHz。
權(quán)利要求
1.一種基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，特征在于其結(jié)構(gòu)為帶有溫度控制器(2)的光源(3)由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源(1)驅(qū)動(dòng)；沿光源(3)發(fā)射光前進(jìn)方向依次置放隔離器(4)、耦合器(5)，所述的光源(3)與隔離器(4)由第一段光纖(301)相連，所述的隔離器(4)與耦合器(5)的第一端口(a)之間由第二段光纖(501)相連，該耦合器(5)的第三端口(c)經(jīng)第三段光纖(502)與準(zhǔn)直器(6)相連，該耦合器(5)的第二端口(b)通過第四段光纖(503)與第一光電轉(zhuǎn)換器(8)輸入端連接；該第一光電轉(zhuǎn)換器(8)的輸出端接第一前置放大器(9)的輸入端，封裝在光源(3)內(nèi)部的第二光電轉(zhuǎn)換器(10)的輸出端與第二前置放大器(11)的輸入端相連，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源(1)的調(diào)制信號(hào)輸出端、第一前置放大器(9)的輸出端和第二前置放大器(11)的輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器(12)的第一輸入端(x1)、第二輸入端(x2)和第三輸入端(x3)連接；該信號(hào)處理器(12)的輸出端與信號(hào)監(jiān)視器(13)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的信號(hào)處理器(12)的構(gòu)成包括第一除法器(1201)和三倍頻處理器(1202)，該第一除法器(1201)的第一輸入端(D1)和第二輸入端(D2)即信號(hào)處理器(12)的第二輸入端(X2)和第三輸入端(X3)，第一除法器(1201)的輸出端與第二乘法器(1203)第一輸入端口(M1)、第一乘法器(1204)第一輸入端(M3)連接；所述的三倍頻處理器(1202)的輸入端即信號(hào)處理器(12)的第三輸入端(X3)，所述的三倍頻處理器(1202)的輸出端與第二乘法器(1203)的第二輸入端(M2)連接，第二乘法器(1203)輸出端與第二低通濾波器(1205)的輸入端連接，第一乘法器(1204)的輸出端與第一低通濾波器(1206)的輸入端連接，第二低通濾波器(1205)的輸出端同時(shí)與加法器(1207)的第一輸入端(A1)、減法器的第一輸入端(S1)連接，第一低通濾波器(1206)的輸出端同時(shí)與加法器(1207)的第二輸入端(A2)、減法器的第二輸入端(S2)連接，加法器(1207)的輸出端和減法器(1208)的輸出端分別與第二除法器(1209)的第一輸入端(D3)和第二輸入端(D4)連接，第二除法器(1209)的輸出端即信號(hào)處理器(12)的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源(1)給光源提供直流驅(qū)動(dòng)電流和交流驅(qū)動(dòng)電流，并且其調(diào)制信號(hào)輸出端可以輸出與提供給光源的交流驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)同頻率的交流電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的光源(3)是指半導(dǎo)體激光器，并且其內(nèi)部封裝了第二光電轉(zhuǎn)換器，所說的第二光電轉(zhuǎn)換器是光電二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的準(zhǔn)直器(6)是指其出射光為平行光的光學(xué)元件，并且其出射端面鍍有增反膜，其反射率R滿足0.08＜R＜0.73。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的第一光電轉(zhuǎn)換器是光電二極管，或是光電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的信號(hào)監(jiān)視器(13)是示波器，或者是萬用表。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單光源激振測(cè)振儀，其特征在于所述的三倍頻控制器(1202)是將輸入的交流電壓信號(hào)的頻率的轉(zhuǎn)換成頻率為原來3倍的交流電壓信號(hào)的電子元件或系統(tǒng)。
全文摘要
一種基于正弦相位調(diào)制的單光源激振測(cè)振儀，其結(jié)構(gòu)為帶有溫度控制器的光源由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)；沿光源發(fā)射光前進(jìn)方向依次置放隔離器、耦合器、準(zhǔn)直器相連，四者之間由光纖段連接；該第一光電轉(zhuǎn)換器的輸出端接第一前置放大器的輸入端，封裝在光源內(nèi)部的第二光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與第二前置放大器的輸入端相連，調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)制信號(hào)輸出端、第一前置放大器的輸出端和第二前置放大器的輸出端分別與數(shù)據(jù)處理器的第一輸入端、第二輸入端和第三輸入端連接；該信號(hào)處理器的輸出端與信號(hào)監(jiān)視器連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)微諧振器的光熱激勵(lì)，而且可以同時(shí)高精度地測(cè)量出待測(cè)諧振體的頻率和振動(dòng)幅度。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1948949SQ200610118188
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月10日
發(fā)明者劉英明, 王向朝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所