[发明专利]多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪

说明书

本发明属于机械精密测量的技术领域，特别是属于位移量的精密测量，以及对能够直接或间接地转化为位移量的其它机械量和物理量的测量。

目前在机械量精密测量的技术领域中，利用激光调频、光纤传感技术对位移量进行非接触式测量正开始进入实际应用领域。例如本申请人于88年11月3日向专利局递交的发明专利申请《非接触式激光调频光纤位移测量仪》（申请号88107425）就是其中的一种实用化的位移测量仪。该测量仪由半导体激光器[1]、激光调频电源[2]、耦合透镜[3]、光纤[4]、定向耦合器[5]、光纤测头[6]、光电检测器[10]等部件构成一种外差干涉光纤位移测量仪，如图1所示。其测量原理是：由激光调频电源使半导体激光器发出的一束调频的激光经耦合透镜进入光纤[4]，再由光纤定向耦合器分成探测光[8]和解调参考光[9]，分别由两路光纤[8]、[9]传导，探测光从光纤测头端面射出，出射光射到被测物[7]上被反射回测头，它与原探测光在测头端面产生的部分反射光之间有一个被测距离为l的光程差（或有一相对时延τ），这两束反射光相互干涉形成拍频信号，拍频信号频谱为一个受Sinc函数调制的δ函数序列的各次谐波，δ函数序列的周期为原激光调制频率ωs，拍频的位置位于Sinc函数的最大值处。在进行位移测量时，当光程差有微小变化量△τ，引起的拍频频率ωb变化不大，但这时拍频信号各次谐波的位相变化却很大。这一拍频信号由光电探测器接收，解调参考光由另一个光电探测器接收去消除拍频信号中的外差频率调制，然后利用相位比较测出位相变化，从而得到位移量。

采用这种激光光纤测量技术具有测量精度高、量程范围大、抗干扰力强等优点。但这种测量仪只限于对被测物某部位的单点测量或监控，而在工业、国防、航天等许多领域中，越来越需要能够对被测物几个部分同时测量或对某部分多点同时进行监测。为满足多点同时检测的需要，往往需要多个相同的测量仪，这会增加仪器成本，占据较大空间，而且还会给使用带来不便。

为克服上述测量仪的不足之处，本发明提出一种多路复用光纤位移测量仪，可以对被测物多点同时进行位移测量。

本发明提出一种多路复用激光调频外差干涉光纤位移测量仪，由半导体激光器[1]、激光调频电源[2]、耦合透镜[3]、光纤[4]和光纤定向耦合器[5]、光纤测头[6]、光电检测器[10]及信号检测系统等部件所组成，其特征在于由耦合透镜、光纤及定向耦合器构成的光纤网络回路，组成多个共光源光纤外差干涉仪，即由半导体激光器发出的频率被调制的激光经耦合透镜进入光纤，该光纤另一端与一定向耦合器相连，所说激光束经定向耦合器分成多束激光由多路光纤分别导出，每路光纤输出端装有测头，该路光束的一部分由测头出射到被测物点，反射后经测头进入光纤作为探测光，该光束的另一部分经测头端面直接反射返回光纤作为参考光，所说探测光与参考光是共光路的，它们相互干涉后由光电检测器接收，构成一个光纤外差干涉仪。同样各路光纤构成多个光纤外差干涉仪，如图2所示。

由本发明采用的调频外差干涉原理可知，外差拍频信号频率随延时时间τ增加而增大，在原有技术中是单路测量，即只有一路信号确定一定的延时时间τ，通常使这一信号拍频频率ωb为一次谐波（ωb＝ωs）。而在本发明多路复用测量中有多路信号，比如两路信号，设置第一路信号拍频频率ωb₁＝ωs，设置第二路信号的延时时间τ₂比第一路信号的τ₁大一定数量，使得两路信号的拍频频率之差△ωb（△ωb＝ωb₂-ωb₁）大于ωs，（可取ωb2＝nωs，n＝1，2…），这样两路信号的拍频值不同。依此类推，可以有三路、四路…等拍频值各不相同的多路信号。当这些信号由同一个光电探测器接收后，再分别通过中心频率不同的带通滤波器后，即可输出各路测量信号。