[发明专利]用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及绝对距离测量干涉仪，特别是一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪及其测量方法。

背景技术

距离测量在工业生产及科研中占有重要地位。干涉测量技术因为具有高精度、高分辨率、非接触性等优点被广泛应用于绝对距离测量。正弦相位调制干涉技术是一种国际前沿的干涉测量技术，具有精度高、调制方便、结构简单等优点，长期以来受到研究人员的重视，在绝对距离测量领域得到了很大发展。

用于绝对距离测量的正弦相位调制干涉仪具有纳米精度，但测量范围只有半个波长。为了解决这个问题，O.Sasaki等提出了一种双波长半导体激光干涉仪(在先技术[1]：“Two-wavelength sinusoidal phase modulating laser-diodeinterferometer insensitive to external disturbances”，Appl.Opt.30，4040-4045，1991)。此干涉仪采用两个光源，利用合成波长技术将测量范围扩大到152μm，扩大了测量范围，但仍然无法满足厘米量级的大范围测量，此外，由于在测量过程中，利用近似的干涉信号表达式对数据进行处理：

S(t)＝A₀+A₁cos(z₁cosω₁t+α₁)+A₂cos(z₂cosω₂t+α₂)

上式在信号处理得过程中没有考虑光强调制项的影响，从而引入了一定的系统误差测量精度只有6μm，无法满足高精度测量的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种大范围高精度的绝对距离测量干涉仪。该干涉仪将线性调频技术与正弦相位调制干涉测量技术相结合，扩大了测量范围，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，提高了测量精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于绝对距离测量的双频激光干涉仪，特点在于其结构包括：带有第一光源控制器的第一光源、带有第二光源控制器的第二光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、隔离器、准直器、光电探测器、压电陶瓷、数据采集卡和计算机，所述的第一光源控制器为第一光源提供直流驱动电流和正弦交流电流，由第一光源发射的光束通过第一段光纤进入第一光纤耦合器内，由第一光纤耦合器出射后，通过第二段光纤进入隔离器，由隔离器出射后，通过第三段光纤进入第二光纤耦合器内，由第二光纤耦合器出射后通过第四段光纤，经过准直器准直后照射到被测物体上，由被测物体表面反射的光和由准直器出射端面反射的光通过准直器后，经过第五段光纤入射到光电探测器内，所述的第二激光控制器为第二光源提供直流驱动电流和正弦交流电流，第二光源的中心波长λ₂不等于第一光源的中心波长，由第二光源发射的光束通过第六段光纤进入第一光纤耦合器内，由第一光纤耦合器出射后，通过第二段光纤射入隔离器，由隔离器出射后，通过第三段光纤进入第二光纤耦合器内，由第二光纤耦合器出射后通过第四段光纤，经过准直器准直后照射到被测物体上，由被测物体表面反射的光和由准直器端面反射的光通过准直器后，经过第五段光纤进入光电探测器内，准直器上固定有压电陶瓷，数据采集卡包含三个输出端口：第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口和两个输入端口：第一输入端口、第二输入端口，第一输出端口与第一光源控制器相连，第二输出端口与第二光源控制器相连，第三输出端口与计算机的输入端相连，第四输出端口与压电陶瓷相连，第一输入端口与光电探测器的输出端相连，第二输入端口与计算机的输出端口相连。计算机带有绝对距离测量程序，该程序包括粗测模块和细测模块，在测量过程中，粗测模块利用线性调频技术得到距离粗测值，细测模块根据距离粗测值确定正弦相位调制深度，并利用相关参数通过求解线性方程组计算干涉信号的相位。

上面所说的第一光源、第二光源均是半导体激光器，均作为测量光源用，而且两光源的发射波长λ₁、λ₂不相等。

所说的第一光源控制器具有温度控制和电流控制两个模块，温度控制模块用于控制第一光源的温度，使第一光源的温度仅在±0.01℃的范围内变化，电流控制模块为第一光源提供直流偏置和交流信号。