三角波相位調(diào)制半導體激光自混合測速儀及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明具體涉及一種三角波相位調(diào)制半導體激光自混合測速儀及其測量方法，屬 于光學干涉測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 速度是衡量微小振動、位移、加速度的基本物理量；對振動敏感的微機電或傳感器 等先進制造業(yè)來說，一般要求測速儀器所占空間要小，靈敏度高，被測物體不能被接觸等特 點。
[0003] 使用各式激光器為光源的干涉型測速儀已取得一定成果，比如現(xiàn)有的邁克爾遜干 涉儀、法布里珀羅干涉儀、零差或外差干涉儀、多普勒測振儀、激光雷達測速儀等。這些現(xiàn)有 測速儀需要參考信號和輔助硬件，光路中常用參考鏡、光分束器、偏振分光棱鏡、聲光調(diào)頻 等，數(shù)據(jù)處理中需配合高頻計數(shù)電路、DSP系統(tǒng)等，使市場上光學測速儀結(jié)構(gòu)大、占用更多空 間、成本高、硬件復(fù)雜、系統(tǒng)更加脆弱，這些缺點迫切需要改善。
[0004] 激光自混合效應(yīng)中激光器只受反饋光影響，無需輔助，具有結(jié)構(gòu)緊湊，易準直等優(yōu) 點而備受重視，輔助的硬件電路少，解調(diào)錯誤率低，但精度只有幾百納米，仍不能滿足先進 制造業(yè)對精度的苛求。典型的提高精度方法是對基于半導體激光器的自混合干涉儀注入 電流來調(diào)制光頻率，但電流注入同時也會改變輸出光強，引入多余強度噪聲，這同樣亟待解 決。
[0005] 現(xiàn)有的聲波測距或壓電式、電渦流、電容式振動傳感器在測量范圍、精度或方式上 有不少局限。比如聲波較光波的波長更長，精度低，聲波傳播過程中損耗大距離短，信號質(zhì) 量遠低于高度相干的激光束信號，極大限制了測量的范圍和準確度；壓電式傳感器需緊貼 被測物表面，容易損壞微機械系統(tǒng)或樣品；電渦流或電容式振動傳感器受制于電氣特性，被 測運動的頻率和幅度受到限制；其他機械式的速度傳感器同樣很難達到微米以上的分辨 率，更不具備對微納米級振動或位移感知的能力。
[0006] 對于已有的精密光學測速結(jié)構(gòu)，如大型的德國PloyTec5000型多普勒測振儀，該 儀器包含馬赫澤德干涉儀，激光傳感模組，高集成度的硬件解調(diào)電路和復(fù)雜軟件，價格高于 40萬人民幣，十分昂貴，且應(yīng)用條件苛刻，操作繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種三角波相位調(diào)制半 導體激光自混合測速儀，該儀器是一種利用電光調(diào)制效應(yīng)和光反饋效應(yīng)產(chǎn)生的自混合信號 實時解調(diào)物體振動速度與位移的精密測量儀器。本發(fā)明另一個目的是提供利用該測速儀進 行測量的方法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0009] 三角波相位調(diào)制半導體激光自混合測速儀，包括驅(qū)動電路、半導體激光二極管、制 冷片、溫度控制器、非球面補償透鏡、起偏器、光線密度濾波器、電光晶體調(diào)制器、信號發(fā)生 器、運算放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機；驅(qū)動電路連接半導體激光二極管，半導體激光二極 管的正向發(fā)射端軸線上依次設(shè)置有非球面補償透鏡、起偏器、光線密度濾波器、電光晶體調(diào) 制器和待測目標；所述半導體激光二極管內(nèi)置有感光二極管、半導體激光器和光電探測器， 所述感光二極管用于檢測反射回半導體激光器諧振腔內(nèi)的光束，所述光電探測器接收自混 合干涉信號后輸出給所述運算放大器；所述信號發(fā)生器分別輸出三角波信號和方波觸發(fā)信 號至電光晶體調(diào)制器和運算放大器；所述運算放大器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機依次連接；所 述計算機基于交叉微分解調(diào)技術(shù)獲得速度曲線，進一步得出待測目標的位移和加速度，并 由顯示終端輸出。
[0010] 所述制冷片設(shè)置在半導體激光二極管的底部，由溫度控制器采用PID算法控制所 述制冷片的通斷狀態(tài)。
[0011] 所述待測目標固定在振源的垂直表面。
[0012] 所述起偏器與電光晶體調(diào)制器的偏振方向一致。
[0013] 進一步地，所述半導體激光器采用工作波長為635nm的激光器。
[0014] 進一步地，所述運算放大器內(nèi)置電流電壓轉(zhuǎn)換器件。
[0015] 本發(fā)明利用上述測速儀進行測量的方法，具體步驟如下：
[0016] (1)驅(qū)動電路向半導體激光二極管注入電流，啟動半導體激光二極管，旋轉(zhuǎn)起偏器 使透過非球面補償透鏡后激光束偏振態(tài)與電光晶體調(diào)制器偏振態(tài)的夾角最小；旋轉(zhuǎn)光線密 度濾波器控制激光自混合處于弱反饋水平，即用外接示波器觀察到的干涉條紋沒有傾斜現(xiàn) 象時，即可測試；
[0017] (2)信號發(fā)生器產(chǎn)生三角波信號驅(qū)動電光晶體調(diào)制器對光束進行相位調(diào)制；處于 微振動狀態(tài)的待測目標將經(jīng)過調(diào)制后的光束反射入半導體激光二極管諧振腔內(nèi)耦合，發(fā)生 自混合干涉效應(yīng)，自混合干涉信號的光強由封裝在二極管內(nèi)光電探測器接收，接收到的自 混合光強信號包含振動信息；
[0018] (3)光電探測器輸出的自混合信號經(jīng)運算放大器后由數(shù)據(jù)采集卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)換， 數(shù)據(jù)采集卡同步采集經(jīng)運算放大器放大后的感光二極管輸出的信號；
[0019] (4)物體振動隨時間變化為L⑴，由自混合效應(yīng)產(chǎn)生的相位表示為？<沒=%/^)/夂 式中λ代表激光波長，當已知時，振動位置表示為(6)(0 2/4；Γ;弱反饋條件 下，調(diào)制后的激光自混合相位數(shù)學表達式為C0S#(i)+g(t)).，g(t)是由調(diào)制引入的 三角波信號，顯然當g(t)等于-31/2、0、31/2時，對應(yīng)干涉信號的相位部分分別為 a)s(0>) -?r/2)、a)s(舛m、cos(⑶7}+ττ/2);將數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換得到的離散數(shù)字信號由三個 數(shù)據(jù)緩存器分別提取這三路信號；中間一路信號作為相位的余弦函數(shù)另兩 路信號相減后作為相位舛01的正弦函數(shù)sin(f(紐，將正、余弦信號相除后做反正切運算得到 舛0,由振動與相位之間的對應(yīng)關(guān)系，解包裹后即可求出待測目標的振動曲線；將正、余弦信 號歸一化處理使振幅等于1，隨后將dsin〇(i))/dt與COS(WO)湘乘，_〇s?〇)/dt與sin〇(〇)湘 乘，兩個乘積相減直接得出待測目標的速度曲線。
[0020] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0021] (1)本發(fā)明非接觸式地探測微納米級振動，可同步得出待測物體速度與位移，具備 高敏感度、納米級精度、噪聲低、解調(diào)速度快的特點。
[0022] (2)測量結(jié)果表示為微位移、速度、加速度的變化，更加直觀、可靠。
[0023] (3)與現(xiàn)有國外的光學測速結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明測速儀的光路簡單、體積小、成本低 于其20 %，而且對被測面的平整度要求也低、允許反射靶面有粗糙度。
[0024] (4)本發(fā)明的裝置設(shè)計的光路為一字型的直線結(jié)構(gòu)，無需輔助光學元件，系統(tǒng)呈光 電軟一體化；而且引入的三角波調(diào)制的線性度高，調(diào)制信號源波動小；同時，采用的單模半 導體激光器為系統(tǒng)光源，成本低，工作壽命長，其工作激光呈可見紅色，易準直。
[0025] (5)本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理由計算機完成，易于編程和安裝；本發(fā)明與計算機技術(shù)緊 密結(jié)合，能實時顯示測量曲線。
[0026] (6)當待測物體的振動振幅小于5um時，測量位移精度高于20nm，相對誤差小于 0. 2%，速度精度可達10nm/s，測速上限為10mm/s。
[0027] (7)本發(fā)明測量對象的范圍廣泛，可以是在工業(yè)或日常的處于振動態(tài)中的材料，如 塊狀固體、儀器、機械裝置、橋梁甚至運動中的艦艇、汽車、飛機等。由于本發(fā)明的高分辨率 和抗噪能力，可應(yīng)用于傳感器制造業(yè)、微納米機械加工、精密國防、醫(yī)學信息工程、航空航天 行業(yè)，或者供需要動態(tài)監(jiān)測的研發(fā)、實驗及計量類科研單位使用，特別適合對振動頻率在音 頻段或以內(nèi)的微位移、速度、加速度的測量精度要求高的場所。
【附圖說明】
[0028] 圖1本發(fā)明三角波相位調(diào)制型半導體激光自混合測速儀裝置的示意圖；
[0029] 圖2本發(fā)明采集與解調(diào)信號的流程圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0031] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題有：測速儀光路結(jié)構(gòu)和輔助電路復(fù)雜的問題；傳統(tǒng)激 光自混合干涉的相位不易提取和分辨率受限于半個波長的問題；He-Ne激光器體積大和工 作壽命不長的問題。
[0032] 原理上采用三角波相位調(diào)制激光自混合干涉信號，去除參考光路中的分光棱鏡、 參考鏡、外置ro等器件，構(gòu)成"一"字型的最簡光路，信號處理由普通計算機即可完成，也免 去了外圍電路；調(diào)制信號周期性改變自混合干涉的相位，單個調(diào)制周期內(nèi)的相位信號易于 提取，其分辨率明顯提高；半導體激光二極管作為測量系統(tǒng)光源相比氣體激光器體積小，工 作壽命長，現(xiàn)有的制造工藝已非常成熟