基于光干涉的位移測量方法技術

一種基于光干涉的位移測量方法，涉及一種位移測量方法，該方法是利用光學諧振腔對波長選擇性透過的特性，通過對透射光波長的分析得到腔長，當腔長變化時，透射波長隨之產生變化，光電接收裝置檢測并分析透射波長得出腔長變化量，通過腔長變化量計算出被測物位移。本發明專利技術可實現對位移的精密測量，具有測量精度高、量程大、可從nm級跨越至m級、可大大提高系統的響應時間等特點，易于推廣使用。

Displacement measurement method based on optical interference

A displacement measurement method based on optical interference, relates to a displacement measurement method, this method is characteristic of wavelength selective through using optical resonant cavity, through the analysis of the transmission wavelength obtained when the cavity length, cavity length change, the transmission wavelength changed, photoelectric receiving device to detect and analyze the transmission wavelength of cavity long amount of change through the cavity length change calculated from the measured displacement. The invention can realize the precise measurement of displacement, and has the advantages of high measuring precision, large measuring range, being able to span from nm to m, and greatly improving the response time of the system.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種位移測量方法，特別是一種基于光干涉的位移測量方法。
技術介紹
在精密機械設計和材料研制等分析過程中，零部件的位移、振動振幅和振動頻率、變形、材料的熱膨脹系數等數據的采集成為分析的關鍵。而現有的位移測量系統，一般都是精度高則量程短，量程大則精度低，波形匹配好其精度高但運算時間長響應慢，響應快則精度低，不能滿足現代化分析的需要。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是：提供一種可實現對位移的精密測量、且精度高、量程大、響應快的基于光干涉的位移測量方法。解決上述技術問題的技術方案是：一種基于光干涉的位移測量方法，該方法是利用光學諧振腔對波長選擇性透過的特性，通過對透射波長的分析得到腔長，當腔長變化時，透射波長隨之產生變化，光電接收裝置檢測并分析透射波長得出腔長變化量，通過腔長變化量計算出被測物位移。本專利技術的進一步技術方案是：該方法是采用基于光干涉的位移測量裝置進行測量，包括以下步驟：①當被測件未移動時，第四分光棱鏡組與被測件相接處，系統未開啟時，第二反射鏡相對于第一反射鏡之間的距離、第二直角反射棱鏡組相對于第一角反射棱鏡組之間的距離均為h；系統開啟后，驅動器開始沿光路方向高頻伸縮變化，使第二反射鏡和第二直角反射棱鏡組相對于第一反射鏡和第一直角反射棱鏡組之間的距離產生△h的變化，即距離變為h+△h；當光線由激光發射裝置發射由第一分光棱鏡分開后，分為測量光束a和掃描光束b，測<br>量光束a、掃描光束b經過一系列傳播最后分別變為光束g和光束j所經過的光程相當時，激光發射裝置發出的所有光譜λ0～λn在第二光電接收裝置顯示為光束g和光束j產生干涉光能量最強值，即所有波長的光能量都為最強，此時記錄第一光電接收裝置給出的第一反射鏡和第二反射鏡之間的距離h〞；②當第四分光棱鏡組隨被測物體沿掃描光束b傳播方向移動位移x時，驅動器持續高頻伸縮，總能使得由激光發射裝置發出的激光經第一分光棱鏡分開后的測量光束a和掃描光束b最后到達第二光電接收裝置的光程相等，使第二光電接收裝置顯示為光束g和光束j產生干涉光能量最強值，記錄此時第一光電接收裝置給出的第一射鏡和第二反射鏡之間的距離h〞+△h〞，此時2x=2×（2N+1）×△h〞，N為第一直角反射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組中各自標準直角棱鏡的個數，通過腔長變化△h〞計算出被測物位移x。本專利技術的再進一步技術方案是：所述的測量光束a和掃描光束b經過一系列傳播最后分別變為光束g和光束j的具體過程如下：測量光束a經過第二分光棱鏡后分成光束c和光束d，光束c進入由第一反射鏡和第二反射鏡組成的光學諧振腔，光束c經過諧振多次反射后透射到第一光電接收裝置，得出第一反射鏡和第二反射鏡之間的距離；光束d進入第一直角反射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組，經過多次反射后回到第二分光棱鏡后變為光束f，光束f經過第三分光棱鏡后變為光束g；掃描光束b經過第四分光棱鏡組后變為光束e，光束e經過直角反射鏡后再進入第三分光棱鏡變為光束j，此時光束g和光束j產生的干涉圖譜的波長和中心光能量由第二光電接收裝置進行接收和處理，并分析和繪制光能量的變化圖。本專利技術的再進一步技術方案是：所述的基于光干涉的位移測量裝置包括所述的激光發射裝置、第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組、第四分光棱鏡、第一光電接收裝置、第二光電接收裝置、驅動器以及第二分光棱鏡、第三分光棱鏡；其中：所述的激光發射裝置發射出的激光光路上設置第一分光棱鏡，第一分光棱鏡的分光光路包括分光光路A、分光光路B；所述的分光光路A上設置第二分光棱鏡，第二分光棱鏡的分光光路包括分光光路C、分光光路D；所述的分光光路C上設有光學諧振腔，該光學諧振腔由第一反射鏡、第二反射鏡構成；光學諧振腔之后設置有所述的第一光電接收裝置；第二分光棱鏡的分光光路D上設置有所述的第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組，第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的一端與第一反射鏡、第二反射鏡固定連接，第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的另一端與驅動器連接，第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的反射光回射到第二分光棱鏡形成分光光路F，第二分光棱鏡的分光光路F上設有所述的第三分光棱鏡；所述的第一分光棱鏡的分光光路B上設置第四分光棱鏡，第四分光棱鏡的分光光路E上設置有直角反射鏡，直角反射鏡的反射光進入第三分光棱鏡，第三分光棱鏡的分光光路G上設有所述的第二光電接收裝置。本專利技術的再進一步技術方案是：所述的第一分光棱鏡包括直角棱鏡Ⅰ和直角棱鏡Ⅱ，直角棱鏡和直角棱鏡的斜面粘合在一起；所述的第二分光棱鏡包括直角棱鏡Ⅲ和直角棱鏡Ⅳ，直角棱鏡Ⅲ和直角棱鏡Ⅳ的斜面粘合在一起，且直角棱鏡Ⅲ和直角棱鏡Ⅳ相對的直角面平行；所述的直角棱鏡Ⅲ在其直角面處設有光吸收及漫反射層Ⅰ，直角棱鏡Ⅳ在直角面處設有光吸收及漫反射層Ⅱ。本專利技術的再進一步技術方案是：所述的第一反射鏡在靠近第二反射鏡一側鍍履有反射膜；所述的第二反射鏡在靠近第一反射鏡一側鍍履有反射膜。本專利技術的更進一步技術方案是：所述的激光發射裝置的光譜寬度為λ0～λn；所述的第一反射鏡在光譜寬度λ0～λn的光束中對光譜寬度λi～λj的波長反射率為90～99%；第二反射鏡在光譜寬度λ0～λn的光束中對光譜寬度λi～λj的波長反射率為90～99%。本專利技術的更進一步技術方案是：所述的第一光電接收裝置用于對波長λi～λj光束的能量進行分析，并計算出第一反射鏡和第二反射鏡的距離；所述的第二光電接收裝置，用于對不同波長λ0～λn的光束能量進行分析，并分析出光能量最強的波長。本專利技術的進一步技術方案是：所述的第一直角反射棱鏡組包括一個利用斜面對光產生反射的直角棱鏡Ⅴ，N個利用兩直角面對光產生反射的標準直角棱鏡Ⅵ；所述的第二直角反射棱鏡組包括一個利用直角面對光產生反射的小直角棱鏡、N個利用兩直角面對光產生反射的標準直角棱鏡Ⅶ；所述的小直角棱鏡的直角面面積是標準直角棱鏡Ⅶ直角面面積的0.3～0.8倍，N≥1；所述的第三分光棱鏡包括直角棱鏡Ⅷ和直角棱鏡Ⅸ，直角棱鏡Ⅷ和直角棱鏡Ⅸ的斜面粘合在一起，且彼此相對的直角面平行；所述的直角棱鏡Ⅸ直角面處設有光吸收及漫反射層Ⅲ；所述的第四分光棱鏡由四塊同樣的直角棱鏡Ⅹ彼此直角面膠合組成的正方形，其中直角棱鏡Ⅹ斜面上設有光吸收及漫反射層Ⅳ，該第四分光棱鏡隨被測直線移動物體一起移動。本專利技術的進一步技術方案是：所述的驅動器包括驅動件、粘接游動塊、補償塊、固定塊，所述的游動塊和固定塊分別粘接在驅動件的兩端，固本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于光干涉的位移測量方法，其特征在于：該方法是利用光學諧振腔對波長選擇性透過的特性，通過對透射波長的分析得到腔長，當腔長變化時，透射波長隨之產生變化，光電接收裝置檢測并分析透射波長得出腔長變化量，通過腔長變化量計算出被測物位移。

【技術特征摘要】
1.一種基于光干涉的位移測量方法，其特征在于：該方法是利用光學諧振腔對波長選
擇性透過的特性，通過對透射波長的分析得到腔長，當腔長變化時，透射波長隨之產生變
化，光電接收裝置檢測并分析透射波長得出腔長變化量，通過腔長變化量計算出被測物位
移。
2.根據權利要求1所述的基于光干涉的位移測量方法，其特征在于：該方法是采用基于
光干涉的位移測量裝置進行測量，包括以下步驟：
①當被測件未移動時，第四分光棱鏡組（10）與被測件相接處，系統未開啟時，第二反射
鏡（5）相對于第一反射鏡（4）之間的距離、第二直角反射棱鏡組（8）相對于第一角反射棱鏡
組（7）之間的距離均為h；系統開啟后，驅動器（13）開始沿光路方向高頻伸縮變化，使第二反
射鏡（5）和第二直角反射棱鏡組（8）相對于第一反射鏡（4）和第一直角反射棱鏡組（7）之間
的距離產生△h的變化，即距離變為h+△h；
當光線由激光發射裝置（1）發射由第一分光棱鏡（2）分開后，分為測量光束a和掃描光
束b，測量光束a、掃描光束b經過一系列傳播最后分別變為光束g和光束j所經過的光程相
當時，激光發射裝置（1）發出的所有光譜λ0～λn在第二光電接收裝置（12）顯示為光束g和光
束j產生干涉光能量最強值，即所有波長的光能量都為最強，此時記錄第一光電接收裝置
（6）給出的第一反射鏡（4）和第二反射鏡（5）之間的距離h〞；
②當第四分光棱鏡組（10）隨被測物體沿掃描光束b傳播方向移動位移x時，驅動器（13）
持續高頻伸縮，總能使得由激光發射裝置（1）發出的激光經第一分光棱鏡（2）分開后的測量
光束a和掃描光束b最后到達第二光電接收裝置（12）的光程相等，使第二光電接收裝置（12）
顯示為光束g和光束j產生干涉光能量最強值，記錄此時第一光電接收裝置（6）給出的第一
射鏡（4）和第二反射鏡（5）之間的距離h〞+△h〞，此時2x=2×（2N+1）×△h〞，N為第一直角反
射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組中各自標準直角棱鏡的個數，通過腔長變化△h〞計算出被
測物位移x。
3.根據權利要求2所述的基于光干涉的位移測量方法，其特征在于：所述的測量光束a
和掃描光束b經過一系列傳播最后分別變為光束g和光束j的具體過程如下：
測量光束a經過第二分光棱鏡（3）后分成光束c和光束d，光束c進入由第一反射鏡（4）和
第二反射鏡（5）組成的光學諧振腔，光束c經過諧振多次反射后透射到第一光電接收裝置
（6），得出第一反射鏡（4）和第二反射鏡（5）之間的距離；光束d進入第一直角反射棱鏡組（7）
和第二直角反射棱鏡組（8），經過多次反射后回到第二分光棱鏡（3）后變為光束f，光束f經
過第三分光棱鏡（9）后變為光束g；掃描光束b經過第四分光棱鏡組（10）后變為光束e，光束e
經過直角反射鏡（11）后再進入第三分光棱鏡（9）變為光束j，此時光束g和光束j產生的干涉
圖譜的波長和中心光能量由第二光電接收裝置（12）進行接收和處理，并分析和繪制光能量
的變化圖。
4.根據權利要求2所述的基于光干涉的位移測量方法，其特征在于：所述的基于光干涉
的位移測量裝置包括所述的激光發射裝置（1）、第一分光棱鏡（2）、第一反射鏡（4）、第二反
射鏡（5）、第一直角反射棱鏡組（7）、第二直角反射棱鏡組（8）、第四分光棱鏡（10）、第一光電
接收裝置（6）、第二光電接收裝置（12）、驅動器（13）以及第二分光棱鏡（3）、第三分光棱鏡
（9）；其中：
所述的激光發射裝置（1）發射出的激光光路上設置第一分光棱鏡（2），第一分光棱鏡
（2）的分光光路包括分光光路A、分光光路B；所述的分光光路A上設置第二分光棱鏡（3），第
二分光棱鏡（3）的分光光路包括分光光路C、分光光路D；所述的分光光路C上設有光學諧振
腔，該光學諧振腔由第一反射鏡（4）、第二反射鏡（5）構成；光學諧振腔之后設置有所述的第
一光電接收裝置（6）；第二分光棱鏡（3）的分光光路D上設置有所述的第一直角反射...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林澎，孫榮敏，龍盛保，楊靈敏，張樹林，丁偉，張宏獻，許孝忠，鐘禮君，耿雪霄，
申請(專利權)人：廣西科技大學鹿山學院，
類型：發明
國別省市：廣西;45