CN101290215A - 一种基于pgc解调干涉扫描的微位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器。它由光栅干涉，干涉光程差调制和信号处理三个部分组成。其中光栅干涉部分由光源、正弦振幅光栅条、分光棱镜和反射镜组成，该部分基于光栅干涉原理，由干涉条纹感知光栅条位移信息。干涉光程差调制部分由四块微型镜片和压电振动器组成，该部分位于光栅干涉部分的－1级(或+1级)光路上，对干涉信号进行PGC调制。信号处理部分由光电转换器、信号放大器和信号处理电路组成，该部分对干涉信号进行PGC解调，获取位移信息。本发明不但具有条状光栅干涉位移测量动态范围大的优点，而且在引入相位生成载波及其解调技术后，其测量精度得到大幅度提高，分辨率可达到纳米量级以上。

Description

一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器

技术领域

本发明涉及微位移传感器领域，特别涉及一种高分辨率、大动态范围的，基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器。

背景技术

传感器是测量系统中的一种前置部件，它将电子系统无法处理的外界物理量或者化学量转换为可用输出信号，以达到测量目的或者为后期处理提供信息。在科技发达的现代信息社会，传感器已被广泛应用于工业、农业、环保、交通运输业以及国防等领域。

在社会需求的强大推动力下，传感器正经历飞速发展时期。目前传感器技术正向小型化、集成化发展，向数字化、智能化发展，从工作原理上由电子传感逐步转向光电子传感，快速地提高传感灵敏度，并已成为21世纪世界各国发展的重点内容。

微位移传感器是众多传感器中最基础的组件之一，许多其他物理，化学或生物量的传感均基于位移传感。例如加速度传感器是传感器家族的重要成员，用来测量物体运动加速度的器件，且已经拥有了成熟的市场，低精度产品已广泛用于如汽车安全气囊，其模块使用的主要是50g动态范围的加速度传感器；同时加速度传感器市场已经从基础的汽车制造业市场，扩展到工业和消费品的应用方面。然而，从原理上来说，绝大部分加速度计都是通过测量位移(角位移或者线位移)来间接地测得加速度的。因而，研究位移传感器对开发加速度传感器具有极为重要的意义。

目前测量位移的方法有很多，比如利用莫尔条纹位移传感器，以及现在市场上的单光栅干涉仪等。但是它们存在一些问题，比如精度不够高，动态范围不够大，体积较大等。而大多数智能设备的应用需要高灵敏度，高分辨率和大动态范围位移传感器，并且要求有微小结构尺寸。这使得我们要寻求一种新的具有小体积，高灵敏度，高分辨率和大动态范围的微位移传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，利用了光栅干涉原理和相位生成载波解调(phase generated carrier，PGC)技术，具有体积小、分辨率大于10⁶，灵敏度高于纳米级，动态范围不受限制等突出优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

方案一：

由光栅干涉、干涉光程差调制和信号处理三个部分组成；其中：

1)光栅干涉部分：包括激光二极管、正弦振幅光栅条、分光棱镜和反射镜；正弦振幅光栅条与激光光源的光轴垂直；分光棱镜处于光栅衍射的+1级光路上，分光面与+1级光路成45度角，分光面与光栅栅线平行；反射镜在干涉光程差调制部分后面，反射镜的镜面与光栅栅线平行，并且使-1级光反射后与分光棱镜的分光面成45度角；

2)干涉光程差调制部分处于-1级光路上，并且不改变-1级光的传播方向；

3)信号处理部分：包括光电转换器、信号放大器和信号处理电路；光电转换器同光轴设置在分光棱镜后接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路连接。

方案二：

由光栅干涉、干涉光程差调制和信号处理三个部分组成；其中：

1)光栅干涉部分：包括激光二极管、正弦振幅光栅条、分光棱镜和反射镜；正弦振幅光栅条与激光光源的光轴垂直；分光棱镜在干涉光程差调制部分(6)后面，分光面与+1级光路成45度角，分光面与光栅栅线平行；反射镜在-1级光路上，反射镜的镜面与光栅栅线平行，并且使-1级光反射后与分光棱镜的分光面成45度角；

2)干涉光程差调制部分处于+1级光路上；并且不改变+1级光的传播方向；

3)信号处理部分：包括光电转换器、信号放大器和信号处理电路；光电转换器同光轴设置在分光棱镜后接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路连接。

以上两种方案中所述的一种干涉光程差调制部分包括四块镜片，两个基座、陶瓷压电振动器和调制信号发生器；第一镜片和第四镜片分别固定在第一基座的90度棱角的两个面上，第二镜片和第三镜片分别固定在第二基座的90度V型槽的两个面上，第二基座底面固定在陶瓷压电振动器的振动面上，第一基座的棱角与第二基座V型槽不重合，陶瓷压电振动器由调制信号发生器驱动。

以上两种方案中所述的另一种干涉光程差调制部分包括四块镜片，两个基座、陶瓷压电振动器和调制信号发生器；第一镜片和第四镜片分别固定在第一基座的90度棱角的两个面上，第二镜片和第三镜片分别固定在第二基座的90度V型槽的两个面上，第一基座底面固定在陶瓷压电振动器的振动面上，第一基座的棱角与第二基座V型槽不重合，陶瓷压电振动器由调制信号发生器驱动。

现以方案一为例：本发明基于光栅干涉原理，由干涉条纹感知光栅条位移信息，是本系统实现微位移传感的基本部分。干涉光程差调制部分由四片按特定结构安装的微型反射镜片和振动器组成。它基于相位生成载波(PGC)原理，获取干涉信号的相位信息，可分辨光栅干涉部分的相长与相消干涉基础信号间的细节，从而实现大幅度提高光栅干涉的分辨率。信号处理部分由光电转换器、信号放大器和信号处理电路组成，该部分对干涉信号进行PGC解调，获取位移信息。

光栅干涉部分的工作原理是：激光垂直入射到正弦振幅光栅条，经光栅衍射分光后形成+1级和-1级两束衍射光；采用一块反射镜和一个分光棱镜将这两束衍射光汇聚产生干涉，形成干涉条纹；当光栅条在光栅平面内沿着与栅线垂直方向移动时，引起干涉条纹相应的移动；通过干涉条纹的计数和细分，可以得到光栅位移量的信息。

假设激光束经光栅衍射分光后+1级衍射光可表示为：

E₊₁＝E₀·cos(ωt+kz₊₁)

-1级衍射光可表示为：

E₁＝E₀·cos(ωt+kz_-1)

式中E₀为干涉时±1级光的振幅，因为两束光干涉时±1级光振幅相差不大，振幅的微小差异对计算结果的影响不大，所以可近似认为它们的振幅都是E₀；ω是光源的角频率；z₊₁和z_-1是±1级光各自经过的光程，t是时间，k是空间角频率。

当光栅条在光栅平面内沿着与栅线垂直方向移动x₀时，

$E_{+1}=E_0\·\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{kz}}_{+1}-2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d})$

$E_{-1}=E_0\·\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{kz}}_{-1}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d})$

$E_{+1}+E_{-1}=2E_0\·\cos (\mathrm{\ωt}+k\frac{z_{+1}+z_{-1}}{2})\·\cos (k\frac{z_{-1}-z_{+1}}{2}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d})$

$=E_0^{\′}\·\cos (k\frac{z_{-1}-z_{+1}}{2}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d})$

式中d是光栅条的光栅常数。结果表明干涉信号包含了光栅位移信息x₀。

干涉光程差调制部分(第一种实施例)的工作原理是：该部分位于正弦振幅光栅条和反射镜之间，并处在-1级光路上，对-1级光相位进行调制。-1级光以45度入射角射到第一镜片6.1上，经反射后以45度入射角射到第二镜片6.2上，从第二镜片6.2反射出来的光再次以45度入射角射到第三镜片6.3，经反射后再次以45度入射角射到第四镜片6.4上，最后以45度出射角从第四镜片6.4射出。由于镜片组的特殊结构，从第四镜片6.4出射的光线与入射到第一镜片6.1的光线共线。

当陶瓷压电(PZT)振动器以正弦规律振动时，-1级光引入的光程变化是：

Δ＝2A·sin(ω′t)

其中A和ω′分别为陶瓷压电(PZT)振动器振幅和振动频率。

调制后的-1级光变为：

$E_{-1}=E_0\·\cos [\mathrm{\ωt}+{\mathrm{kz}}_{-1}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d}+2\mathrm{kA}\sin \left({\mathrm{\ω}}^{\′}t\right)]$

干涉信号变为：

$E\left(x_0\right)=E_{+1}+E_{-1}=E_0^{\′\′}\·\cos [k\frac{z_{-1}-z_{+1}}{2}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d}+\mathrm{kA}\·\sin \left({\mathrm{\ω}}^{\′}t\right)]$

其中， $E_0^{\′\′}=2E_0\·\cos [\mathrm{\ωt}+k\frac{z_{+1}+z_{-1}}{2}+\mathrm{kA}\·\sin \left({\mathrm{\ω}}^{\′}t\right)],$

$k\frac{z_{-1}-z_{+1}}{2}+2\mathrm{\π}\frac{x_0}{d}$ 为原始干涉信号的相位，A·sin(ω′t)为调制信号。

干涉信号E(x₀)实际上是一个调相波，利用相位生成载波(PGC)解调技术对该调相波进行解调，便可获得精度极其高的相位信息，也就是光栅位移信息x₀。典型的相位生成载波解调方法有：零差解调法(Homodyne demodulation)、伪外差解调法(Pseudo-heterodyne demodulation)、合成外差解调法(Synthetic-heterodyne demodulation)以及参考传感器法等。利用这些解调方法就可以得到干涉信号的相位信息，从而提高光栅干涉测量的分辨率。

信号处理部分基于相位生成载波(PGC)解调原理。光电转换器为一装有光阑的光电二极管，光阑开有极小的小孔(约0.1mm直径)，用于接收从分光棱镜出射的干涉信号；光电二极管把干涉信号转变为电信号，电信号经过信号放大器连接到信号处理电路；信号处理电路基于相位生成载波(PGC)解调原理设计。这样，干涉信号的相位信息就能被信号处理电路解调出来。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明采用光栅干涉原理组成基本结构，结构简单，光栅条在其长度方向上不受限制，从而极大地提高此微位移传感器的动态范围。

2)本发明采用激光二极管作为光源，无需经过扩束就可以进行光栅干涉传感。光斑尺寸极小，所以光栅条横向尺寸(与待测量相垂直的方向)可以很小，例如可以小至2-5mm左右。其他元件，例如镜片，反光镜等都可以使用光学口径为2-5mm的器件或集成小元件，从而极大地缩小系统体积。另外，本系统可封装成微小模块，具有结构小，性能稳定，使用方便，通用性强等优点。

3)本发明提出四块微型镜片组成的相位调制结构，实现不改变光路条件下的光程调制，以新的形式实现了相位生成载波(PGC)技术。从而能在光栅干涉分辨率的基础上大幅度提高位移传感器的分辨率，使其从数百纳米提高到或超过纳米量级。而其动态范围，即光栅条的可运动范围则无限制，从技术上可使用如柔性光栅带实现长距离，高精度的测量。

附图说明

图1是基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器的第一种实施例原理示意图；

图2是干涉光程差调制部分第一种实施例结构示意图；

图3是相位生成载波(PGC)原理示意图；

图4是基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器的第二种实施例原理示意图；

图5是干涉光程差调制部分第二种实施例结构示意图。

图中：1、激光二极管，2、正弦振幅光栅条，3、分光棱镜，4、光电转换器，5、信号放大器和信号处理电路，6、干涉光程差调制部分，6.1、镜片，6.2、镜片，6.3、镜片，6.4、镜片，6.5、基座，6.6、基座，6.7、陶瓷压电振动器，7、反射镜，

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，由光栅干涉、干涉光程差调制和信号处理三个部分组成；其中：

1)光栅干涉部分：包括激光二极管1、正弦振幅光栅条2、分光棱镜3和反射镜7；正弦振幅光栅条2与激光光源的光轴垂直；分光棱镜3处于光栅衍射的+1级光路上，分光面与+1级光路成45度角，分光面与光栅栅线平行；反射镜7在干涉光程差调制部分6后面，反射镜7的镜面与光栅栅线平行，并且使-1级光反射后与分光棱镜3的分光面成45度角；

2)干涉光程差调制部分6处于-1级光路上，并且不改变-1级光的传播方向；

如图2、图3所示，所述的干涉光程差调制部分6包括四块镜片6.1、6.4、6.2、6.3，两个基座6.5、6.6，陶瓷压电振动器6.7和调制信号发生器6.8；第一镜片6.1和第四镜片6.4分别固定在第一基座6.5的90度棱角的两个面上，第二镜片6.2和第三镜片6.3分别固定在第二基座6.6的90度V型槽的两个面上，第二基座6.6底面固定在陶瓷压电振动器6.7的振动面上，第一基座6.5的棱角与第二基座6.6 V型槽不重合，陶瓷压电振动器6.7由调制信号发生器6.8驱动。基座6.5固定在-1级光的光路上，使第一镜片6.1和第四镜片6.4的镜面分别与光栅栅线平行，且使-1级光与第一镜片6.1的镜面成45度角；第一镜片6.1与第二镜片6.2的镜面相互平行，分开的间隔为1～3mm，第三镜片6.3与第四镜片6.4的镜面相互平行，分开的间隔也为1～3mm，并且第一镜片6.1与第四镜片6.4所成二面角的角平分面和第二镜片6.2与第三镜片6.3所成二面角的角平分面重合。陶瓷压电(PZT)振动器6.8所在平面与镜片6.1、6.2、6.3、6.4都成45度角。陶瓷压电(PZT)振动器6.8在其所在平面的垂直方向上振动。进入干涉光程差调制部分的光束与压电振动器平面平行，与第一镜片6.1成45度角；射出干涉光程差调制部分的光束与压电振动器平面平行，与第四镜片6.4成45度角，即干涉光程差调制部分不改变光路方向。当压电振动器按A·sin(ω′t)规律振动的时候，被调制光束的光程按2A·sin(ω′t)的规律变化。

如图3、图5所示，所述的干涉光程差调制部分6包括四块镜片6.1、6.4、6.2、6.3，两个基座6.5、6.6，陶瓷压电振动器6.7和调制信号发生器6.8；第一镜片6.1和第四镜片6.4分别固定在第一基座6.5的90度棱角的两个面上，第二镜片6.2和第三镜片6.3分别固定在第二基座6.6的90度V型槽的两个面上，第一基座6.5底面固定在陶瓷压电振动器6.7的振动面上，第一基座6.5的棱角与第二基座6.6V型槽不重合，陶瓷压电振动器6.7由调制信号发生器6.8驱动。光程调制原理与第一种实施例相似，当压电振动器按A·sin(ω′t)规律振动的时候，被调制光束的光程也是按2A·sin(ω′t)的规律变化。两种调制部分实施例各有优点，分别适合于不同的安装结构。

3)信号处理部分：包括光电转换器4、信号放大器和信号处理电路5，光电转换器4、信号放大器和信号处理电路5都可根据具体需要在市场上买到；光电转换器4同光轴设置在分光棱镜3后接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路5连接。光电转换器接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路相连。光电转换器为一封装在小暗盒里的光电二极管，暗箱开有极小的小孔作为光阑，用于接收由分光棱镜合束产生的干涉信号；光电二极管把干涉信号转变为电信号，电信号接到信号放大器和信号处理电路；信号放大器和信号处理电路基于相位生成载波(PGC)解调原理设计，已有现成的产品。

激光束垂直入射到正弦振幅光栅条2上，经一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光，衍射角为θ＝λ/d，其中λ为激光器1波长，d为光栅常数。+1级光直接射到分光棱镜3上。-1级光进入干涉光程差调制部分6被进行相位调制，在+1级和-1级光之间引入Δ＝2A·sin(ω′t)的相位差，其中ω′为驱动陶瓷压电(PZT)振动器6.7的调制信号发生器6.8的角频率。由于调制部分的特殊结构，-1级光被该部分调制过程中传播方向保持不变，出射后经反射镜7反射到分光棱镜3的另一面上。调节反射镜7的位置，使反射后的-1级光与分光棱镜3的分光面成45度角，并且使-1级光光斑与+1级光光斑在分光棱镜3的分光面上重合，然后调节分光棱镜3，使+1级和-1级光共线。经过分光棱镜3的合束，+1级和-1级光形成干涉。如果正弦振幅光栅条2没有移动，由于干涉光程差调制部分6的作用，+1级和-1级光之间的光程差是按正弦规律变化的。

测量位移的时候，位移量推动正弦振幅光栅条2，使正弦振幅光栅条2在光栅平面内沿着垂直栅线方向移动。因此，+1级和-1级光之间的光程差在按正弦规律变化的基础上引入一个额外的相位差4πx₀/d，其中，x₀是推动正弦振幅光栅条的位移量，d是光栅常数。若取1000线/mm的光栅，侧栅距d为0.001mm，即1μm。此时正弦电压的一个周期数代表d/2的位移量，即500nm。用相位生成载波解调(PGC)技术对电压信号细分，当系统对准并封装后，噪声可以限制在较低的水平，这样可将半个周期，即250nm(从最亮到最暗)分成250份。实验证实仅使用普通无DFB(Distributed feedback)激光二极管即可很容易实现此分解，使本传感器灵敏度超过纳米量级。

如图4所示，本发明的另一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，由光栅干涉、干涉光程差调制和信号处理三个部分组成；其中：

1)光栅干涉部分：包括激光二极管1、正弦振幅光栅条2、分光棱镜3和反射镜7；正弦振幅光栅条2与激光光源的光轴垂直；分光棱镜3在干涉光程差调制部分(6)后面，分光面与+1级光路成45度角，分光面与光栅栅线平行；反射镜7在-1级光路上，反射镜7的镜面与光栅栅线平行，并且使-1级光反射后与分光棱镜3的分光面成45度角；其优点在于减少原来集中在-1级光路上的光路反射次数，即光能损耗，因此可减少±1级两束光之间的强度差，从而提高干涉对比度。其原理与上一实施例类似。

2)干涉光程差调制部分6处于+1级光路上；并且不改变+1级光的传播方向；

3)信号处理部分：包括光电转换器4、信号放大器和信号处理电路5；光电转换器4同光轴设置在分光棱镜3后接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路5连接。

Claims (6)

1.一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，其特征在于：由光栅干涉、干涉光程差调制和信号处理三个部分组成；其中：

1)光栅干涉部分：包括激光二极管(1)、正弦振幅光栅条(2)、分光棱镜(3)和反射镜(7)；正弦振幅光栅条(2)与激光光源的光轴垂直；分光棱镜(3)处于光栅衍射的+1级光路上，分光面与+1级光路成45度角，分光面与光栅栅线平行；反射镜(7)在干涉光程差调制部分(6)后面，反射镜(7)的镜面与光栅栅线平行，并且使-1级光反射后与分光棱镜(3)的分光面成45度角；

2)干涉光程差调制部分(6)处于-1级光路上，并且不改变-1级光的传播方向；

3)信号处理部分：包括光电转换器(4)、信号放大器和信号处理电路(5)；光电转换器(4)同光轴设置在分光棱镜(3)后接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，其特征在于：所述的干涉光程差调制部分(6)包括四块镜片(6.1、6.4、6.2、6.3)，两个基座(6.5、6.6)、陶瓷压电振动器(6.7)和调制信号发生器(6.8)；第一镜片(6.1)和第四镜片(6.4)分别固定在第一基座(6.5)的90度棱角的两个面上，第二镜片(6.2)和第三镜片(6.3)分别固定在第二基座(6.6)的90度V型槽的两个面上，第二基座(6.6)底面固定在陶瓷压电振动器(6.7)的振动面上，第一基座(6.5)的棱角与第二基座(6.6)V型槽不重合，陶瓷压电振动器(6.7)由调制信号发生器(6.8)驱动。

3.根据权利要求1所述的一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，其特征在于：所述的干涉光程差调制部分(6)包括四块镜片(6.1、6.4、6.2、6.3)，两个基座(6.5、6.6)、陶瓷压电振动器(6.7)和调制信号发生器(6.8)；第一镜片(6.1)和第四镜片(6.4)分别固定在第一基座(6.5)的90度棱角的两个面上，第二镜片(6.2)和第三镜片(6.3)分别固定在第二基座(6.6)的90度V型槽的两个面上，第一基座(6.5)底面固定在陶瓷压电振动器(6.7)的振动面上，第一基座(6.5)的棱角与第二基座(6.6)V型槽不重合，陶瓷压电振动器(6.7)由调制信号发生器(6.8)驱动。

4.一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，其特征在于：由光栅干涉、干涉光程差调制和信号处理三个部分组成；其中：

1)光栅干涉部分：包括激光二极管(1)、正弦振幅光栅条(2)、分光棱镜(3)和反射镜(7)；正弦振幅光栅条(2)与激光光源的光轴垂直；分光棱镜(3)在干涉光程差调制部分(6)后面，分光面与+1级光路成45度角，分光面与光栅栅线平行；反射镜(7)在-1级光路上，反射镜(7)的镜面与光栅栅线平行，并且使-1级光反射后与分光棱镜(3)的分光面成45度角；

2)干涉光程差调制部分(6)处于+1级光路上；并且不改变+1级光的传播方向；

3)信号处理部分：包括光电转换器(4)、信号放大器和信号处理电路(5)；光电转换器(4)同光轴设置在分光棱镜(3)后接收干涉信号，其输出端与信号放大器和信号处理电路(5)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，其特征在于：所述的干涉光程差调制部分(6)包括四块镜片(6.1、6.4、6.2、6.3)，两个基座(6.5、6.6)、陶瓷压电振动器(6.7)和调制信号发生器(6.8)；第一镜片(6.1)和第四镜片(6.4)分别固定在第一基座(6.5)的90度棱角的两个面上，第二镜片(6.2)和第三镜片(6.3)分别固定在第二基座(6.6)的90度V型槽的两个面上，第二基座(6.6)底面固定在陶瓷压电振动器(6.7)的振动面上，第一基座(6.5)的棱角与第二基座(6.6)V型槽不重合，陶瓷压电振动器(6.7)由调制信号发生器(6.8)驱动。

6.根据权利要求4所述的一种基于PGC解调干涉扫描的微位移传感器，其特征在于：所述的干涉光程差调制部分(6)包括四块镜片(6.1、6.4、6.2、6.3)，两个基座(6.5、6.6)、陶瓷压电振动器(6.7)和调制信号发生器(6.8)；第一镜片(6.1)和第四镜片(6.4)分别固定在第一基座(6.5)的90度棱角的两个面上，第二镜片(6.2)和第三镜片(6.3)分别固定在第二基座(6.6)的90度V型槽的两个面上，第一基座(6.5)底面固定在陶瓷压电振动器(6.7)的振动面上，第一基座(6.5)的棱角与第二基座(6.6)V型槽不重合，陶瓷压电振动器(6.7)由调制信号发生器(6.8)驱动。

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