一种新型光纤干涉测量系统

　　引　言

　　高精度绝对距离的测量是工业生产和质量控制中至关重要的一步。特别是近几年,人们对激光坐标测量机(LCMM)研究的兴趣的提高大大促进了距离测量的研究。对绝对距离的测量比对位移的测量更加困难,主要体现在以下三个方面:1.如何建立一个固定的不会丢失的起始点;2.如何同时达到高精度和大的测距范围;3.如何才能达到不用长距离的精确机械导向而实现对周期相位的绝对值恢复。有几种方法可以用于解决以上难题。一种方法是采用具有两个或更多不同波长的光源的干涉仪。这种方法的困难在于寻找到一种具有高稳定性的适当波长的光源。还有一种方法是外差法。可以证明,外差法用于绝对距离干涉测量是一种非常有效的方法。当半导体激光器(LD)用在干涉仪中作为光源时,波长变换和相位调制是信号处理的有效途径。但是,当采用外差法时,系统通常是很复杂的。

　　光纤由于具有许多优异的光学、机械特性而被广泛地应用于传统的干涉仪中。光纤干涉传感器几乎在每一个领域都能得到广泛的应用。为了解决上面所提到的三个问题,我们在这篇文章中将对一种用于绝对距离测量的光纤干涉系统作一下简略的介绍。

　　1　系统原理

　　系统由两部分干涉仪组成:调谐干涉仪和扫描干涉仪,如图1所示。两个干涉仪由扫描镜进行连接。当扫描干涉仪沿着导向运动时,它将分别对起始镜和目标镜进行调谐,从而使得OPi=OPsi及OPt=OPst。从起始镜到目标镜的绝对距离可以通过下面的公式计算出来:

　　其中N是扫描干涉仪的计数器所计的条纹数,OPm(m=1,2,3,4)是用以扩大系统动态范围的插入单模光纤的光程(后面我们将会对它进行讨论)。当每一个OPm经过精确的标定之后,系统就可以测量从起始镜到目标镜的绝对距离。

　　1.1　调谐干涉仪

　　调谐干涉仪对起始镜(或目标镜)与扫描镜之间的光程(OP)进行调谐,并送出一个脉冲信号,使扫描干涉仪开始计数。普通的体积型干涉仪具有很大的动态范围,但是它的体积庞大,而且在恶劣环境中有很高的不确定性。而完全的光纤干涉仪只有有限感知范围,但是它具有柔性结构和便于进行信号处理。我们使用的是一种基于马赫—泽得结构组合形式的干涉仪,从干涉仪的输出末端可以获得两路反相的干涉信号,它们非常便于进行信号处理。为了尽可能准确地调谐干涉仪的光程,应该用一种具有短相干长度的光源。如果使用白光作为光源,可以获得0.1μm或更高的精度,但是其结构复杂,要求对环境完善控制,并且要牺牲动态调谐范围。在我们的调谐干涉仪中,两束光在不同的介质中传播,一路通过光路进行传播,另一路则通过光纤进行传播。由于光纤的散射性,如果光源的相干长度太短,那么经过光纤和光路传播后再相遇的两路光就很可能无法干涉,从而观察不到干涉条纹。考虑到这个原因,在调谐干涉仪中我们选用一种半导体激光器作为光源。