[发明专利]一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及绝对距离精密测量系统，尤其是具备微纳米级分辨能力的一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法及装置。

背景技术

作为物理学的第一个基本物理量，距离(或长度)在科技研究、工程应用和仪器制造等领域中具有广泛的用途，距离的测量所涉及的范围相当广泛，其中，精密距离测量涉及精密计量与微机电系统等，通过测量距离及其变化可以间接检测到很多物理量，如加速度、压强和应力等。目前，通常用电感式、光栅式、涡流式和扫描式等传感器来精密测距。电感式传感器带有无滑动触点，虽然工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，但是测量对象必须是金属导体，此外由于是接触测量，因此可能会对被测对象带来负面影响。光栅式传感器虽具有易实现数字化、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，但是测量精度一般在微米级，且大多数光栅传感器只能测量物体运动过程中产生的距离改变值(即位移)，不能测量静态下物体相对于某一原点的绝对距离。涡流式传感器利用电涡流效应能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离，但是被测体必须是金属导体，这个缺点限制了它的广泛应用。扫描式传感器包括波长扫描式、时间扫描式和空间扫描式，扫描式位移传感器难以兼顾测量精度和测量范围，系统的抗干扰能力较差，例如基于白光干涉原理的低相干干涉位移传感器就是一种典型的波长扫描式位移传感器，其测量精度可达到纳米，但测量量程只有几个毫米。综上所述，目前的精密测距技术难以兼顾测距精度和测量量程，难以满足精密计量与微机电系统等方面日益发展的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，为了对针对金属与非金属物体进行微纳米精度的距离测量，提供一种全光纤频域干涉绝对距离测量装置及对应测量方法，该装置方便易操作，能够高分辨力地测量反射体表面与光纤探头光出射端面的绝对距离，测量精度优于10nm，测量量程可达到100cm。

本发明采用的技术方案如下：

一种全光纤频域干涉绝对距离测量方法包括：

步骤1：宽带光源产生光波通过阵列光纤滤波器后，光波通过光纤环形器第一端口入射至光纤环形器，光波通过光纤环形器第二端口后入射至光纤探头尾纤，光纤探头光出射端面出射光波并照射在反射体上，光纤探头4光出射端面同时接收从反射体表面返回的反射光波；

步骤2：光波从光纤探头光出射端面发射时，由于菲涅耳效应，部分光从光纤探头光出射端面直接反射回来，成为参考光束，另一部分光波照射在反射体表面上发生反射，并由光纤探头光出射端面收集返回，叫做探测光束；宽带光源输出的光强度随光波频率f的分布函数为I₀(f)，其电场强度随光波频率f的分布函数为E₀(f)，两者关系为：

I₀(f)＝|E₀(f)|²  (1)

参考光束的光强度随光波频率f的分布函数I_r(f)为：

I_r(f)＝a₁I₀(f)＝a₁|E₀(f)|²  (2)

其中a₁为光纤探头光出射端面反射率，0<a₁≤1；假设光纤探头光出射端面到反射体表面的距离为d，探测光束相对于参考光束多传播的时间为(c为真空中光速)，所以探测光束电场强度相对于参考光束产生exp(2πTf)的相位延迟，其光强度随光波频率f的分布函数I_d(f)为：

I_d(f)＝(1-a₁)a₂I₀(f)＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(2πTf)|²

                                                                 (3)

＝(1-a₁)a₂|E₀(f)exp(4πdf/c)|²

其中a₂为反射体反射效率，0<a₂≤1，探测光束和参考光束在光纤探头中相遇后产生频域干涉；