[发明专利]基于光纤耦合器的小型化单光栅干涉测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到测量仪器设备领域，特指一种基于光纤耦合器的小型化单光栅干涉测量系统及测量方法。

背景技术

纳米测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。随着超精密加工和超微细加工技术的发展，行程达100毫米量级、运动分辨率达到纳米级的超精密和超微细加工设备，对大量程、纳米级高精度的测试手段提出了迫切需求。在众多纳米测量仪器中，光栅测量仪器具有测量范围大、测量分辨率高等特点。而光纤干涉仪由于体积小、重量轻、抗电磁干扰、能波分复用、高度集成和价格低廉等优点被广泛应用于精密测量领域,对位移、振动、速度、加速度、应变以及温度等参量进行测量。

光栅测量仪器将栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量基准是光栅的栅距而不是光波的波长。测量精度主要取决于光栅的刻制精度，受入射光波长变化的影响相对较小。目前，光栅测量仪器虽然可以得到较高的测量分辨率，但其测量精度受到了较多因素的限制，尚未达到应有的纳米级水平。首先，传统的光栅干涉测量都是将两束衍射光经过一定的光路系统在空气中发生干涉，一方面光路结构较为复杂、工作人员调试起来相对困难；另一方面光路系统随着时间的变化会发生缓慢微小的偏移、光路相对结构发生了变化，影响测量结果。其次，随着激光器的老化、大气湍流引起的光束偏转及波面变形、外界振动等因素都有可能造成光强的波动。尤其是对于传统的干涉测量，干涉场在普通的大气环境下，空气扰动、大气湍流引起的测量误差尤为突出。而在现有测量位移的光纤干涉测量系统中，为了提高测量精度，需要对环境干扰引起的相位的随机变化进行补偿。利用共路干涉的方法抑制环境干扰对测量系统的影响，但测量量程很小。

因此，现有光栅测量仪器虽然能够得到纳米级的测量分辨率，但测量精度尚未达到纳米级水平；且目前传统的光栅干涉测量系统与光纤干涉测量结合并不紧密。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种小型化、一体化、大量程、高精度的基于光纤耦合器的小型化单光栅干涉测量系统及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于光纤耦合器的小型化单光栅干涉测量系统，包括激光器、用于产生衍射的光栅、光纤耦合器和光电探测器，所述激光器输出的光经光纤传输并入射到光栅上形成各级衍射光；一组对称级次的衍射光通过耦合后进入光纤耦合器；该组衍射光在光纤耦合器中发生干涉后经光纤耦合器输出光干涉场信号，在光纤耦合器输出端设有记录输出光信号的光电探测器，并对接收信号进行处理后得到光栅在某一方向的位移量。

作为本发明测量系统的进一步改进：

所述光栅、光纤耦合器和光电探测器封闭在一个小型化测量模块内，所述光电探测器的输出信号经导线由测量模块引出，所述激光器输出的光经光纤传输进入小型化测量模块内。

所述激光器经光纤耦合后进入小型化测量模块内并垂直入射光栅，在入射光两侧形成对称分布的各级次衍射光。

所述光纤耦合器的两个输入端设置在光栅与耦合器之间的衍射光光路上，所述光纤耦合器的两个输入端沿入射光路的两侧呈对称放置，将一组对称级次的衍射光耦合进入光纤耦合器。

所述光纤耦合器优为2×1、2×2、2×3或3×3耦合器。

所述光纤耦合器工作波长应与激光器输出光波长一致，耦合比均匀。

所述光栅优为反射光栅或透射光栅。

所述光栅为低热膨胀系数的石英或零膨胀玻璃材料制作的光栅。

本发明进一步提供一种基于上述测量系统的测量方法，其步骤为：先令激光器输出的光耦合进入光纤，并由光纤传输垂直入射到光栅上；所述经光栅衍射形成各级次的衍射光，将其中的±n级衍射光分别耦合进入光纤耦合器的两个输入端，两束衍射光经过输入端聚焦透镜耦合进入光纤耦合器并在光纤耦合器中发生干涉；从光纤耦合器的M个输出端输出M路光干涉信号，其中M为2或3；用N个光电探测器对光信号进行接收，将接收到的信号经导线引出封闭测量模块并进行处理，其中N≤M；当光栅发生位移时，会引起N路探测器接收信号发生变化，使得所述测量光路产生相位相差特定度数的N路信号，信号的周期数与位移量存在对应关系，将待测参量的变化转换为所述光栅的运动；对N路接收信号进行采集并分别同时记录光干涉信号的变化，最后用数字相位测量法再进行高倍数的电子细分，即可精确测量光栅的位移量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：