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专利名称：激光纵模分裂力/重量传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于力和重量的测量技术和装置。
本发明旨在于利用激光纵模分裂原理发明一种比压电式传感器有更高精度的力/重量传感器。
本发明由激光力/重量传感头，激光稳频单元，加力单元及信号接收与处理单元等部分组成。所说的激光力/重量传感头包括外腔He-Ne激光器及置于此He-Ne激光谐振腔中的一片通光的应力双折射元件等组成，所说的加力单元与所说的双折射元件相连接，使其受力。所说的激光稳频单元由与激光器的一块反射镜固定在一起的压电陶瓷，分别置于激光光路中的半透半反镜、偏振器、光电接收器及比较与驱动电路等构成。所说的信号接收处理单元由置于激光光路中的偏振器、光电探测器及频率计、微计算机所组成。
本发明原理如下激光频率可表示为V＝(C/2L)q(1)式中，V是激光频率，C是光速，L是激光谐振腔长，即该谐振腔的两个反射镜之间的距离。q是一个很大的正整数。从(1)式容易求得下述微分式△v＝-(△L/L)v(2)式中△L是谐振腔长的改变，它可由在应力双折射元件(光学玻璃或聚碳酸脂等)加一个力P获得。当力P加于双折射元件上时，由光弹理论可知，应力双折射元件内将产生出两个互相垂直的主方向。通过该元件的光束将被分解成两种成分，这两个成分的光的偏振方向分别与上述两主方向平行而且有不同折射率。也即这两种成分的光在双折射元件中有不同光程长度。这就导致了几何长度唯一的激光激光揩振腔有两个不同的物理长度，这就是式(2)中的△L。△L可表为△L＝8(λ/πfoD)P(3)式中，λ是激光波长，fo是应力双折射元件的材料条纹值，D是双折射元件的直径。代(3)λ(2)并取绝对值，有△ν＝(ν/L)(8λ/πfoD)P或P＝(πL/8C)(Dfo)△ν (4)即由于在双折射元件上加力，激光的一个纵模(频率)被分成偏振方向正交的两个频率，其之间的频率差正比于加在其上的力P。反过来，如果我们测出频率差△ν也就知道了加在双折射元件上的力P。
含有两种频率的光进入信号接收与处理单元，通过偏振器后在光路上形成光拍，光拍频率即公式(4)中的△ν。光电探测器把这光拍频变成正弦电信号。频率计记下光拍的频率并送入计算机，计算机把光拍频转算成加于双折射元件上力的大小。


图1为本发明的一种实施例总体结构示意图。
图2为激光原子频示意图。
本发明提供一种激光纵模分裂力/重量传感器的实施例，其总体结构如图1所示。本实施例由激光力/重量传感头(100)，加力单元(200)(其结构图中未画出)，稳频单元(300)，及信号接收与处理单元(400)等组成。其中激光激光力/重量传感头包括两端贴有增透窗片的He-Ne激光增益管(2)及两块反射镜(1)(4)组成的外腔激光器，在该谐振腔的光路中放置一块应力双折射板(3)，该板可采用两表面均镀有增透膜的光学玻璃，熔石英片或碳酸脂板。所说的He-Ne增益管与应力双折射板均固定在一殷钢支撑架(17)的座板上，所说的两块反射镜中的一块(1)直接固定在该支撑架的一侧壁上，另一块反射镜(4)的外表面与一块压电陶瓷环(16)粘接在一起，再固定在该支撑架的另一侧壁上。所说的稳频单元(300)可采用已商业化的等光强稳频系统，从激光力/重量传感头(100)出射的光束由部分反射镜反射到半透半反镜[11]，一束光射向偏振器[12]，另一束射向偏振器[14]。[12]、[14]的通光轴正交放置，于是光电探测器[15]、[13]接收到的分别是两正交偏振光中的一个。它们的强度被转化成电信号送入比较电路[5]中比较，两光强不相等时，[5]把比较的结果转化成电信号去驱动压电陶瓷[16]，使其伸长缩短，以保持两频率以激光介质的中心频率为对称，从而实现频率稳定。
本发明的加力单元(200)可采用目前通用的杠杆或直接垂直加力/重量等方式(图中未画出)。
从激光力/重量传感头中发出含有两种频率的光进入信号接收与处理单元(400)通过偏振器[7]后在光路上形成光拍频(△νo)光电探测器[8]把这光拍频变成正弦电信号，频率计[9]记下光拍的频率并送入计算机[10]，计算机把光拍频转换成加于应力双折射元件上力的大小。
在本实施例中频率与加力的换算采用如下方法首先用一系列已知的标准力P1～Pn逐个加于应力双折射元件上，频率计依次记录每次加力所对应的光拍频率值△ν1～△νn，据此数据得到力与拍频的曲线关系，并事先存储到计算机中，至此就可对未知力/重量进行测量。
本发明的优点之一是灵敏度高。以使用条纹值为fo＝6.6的碳酸脂为例，如果谐振腔反射镜[1][4]之间的距离为150mm，双折射元件[3]的直径为20mm，△ν＝1Hz时，由式(4)得到P＝2.6×10-9kg/Hz本发明的优点之二是量程大。按上述灵敏度，其最大测力(秤重)为几公斤，这可由激光物理证明，如图2所示。图2中νo是激光原子谱线中心频率，ν1、ν2是由于在[3]上加力P后出现的两个频率。在[1]、[3]之间的距离为150mm时，激光纵模间隔为1000MHz，即在图2宽度为1500MHz曲线之下不再有除ν1、ν2之外的任何激光频率。因此，ν1-ν2＝△ν的最大范围是曲线的宽度约为1500MHz，按上述2.6×10-9Kg/Hz计算相当于3.9公斤。
权利要求
1.激光纵模分裂力/重量传感器，其特征在于包括激光力/重量传感头、激光稳频单元、加力单元及信号接收与处理单元等部分，所说的激光力/重量传感头包括He-Ne激光增益管及及两块反射镜构成的激光谐振腔，该腔内光路上放置的一块通光的应力双折射元件等组成，所说的加力单元与所说的双折射元件相连接使其受力。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所说的激光谐振腔还包括一支撑架，所说的He-Ne增益管及应力双折射元件固定在该支撑架的底板上，所说的两反射镜中的一块直接固定在该支撑架的一侧壁上，另一块反射镜的外表面与一块压电陶瓷环粘接在一起再固定在该支撑架的另一侧壁上，所说的稳频单元采用等光强稳频系统，包括分别置于激光光路中的半透半反镜、偏振器、光接收器及比较与驱动电路等部件，所说的信号接收处理单元由置于激光光路中的偏振器、光电探测器及频率计、微计算机所组成，所说的加力单元采用杠杆结构。
全文摘要
激光纵模分裂力/重量传感器，属于力/重量的测量技术的装置。本发明的原理是设置在激光谐振腔内的应力双折射元件受力后在两个方向上产生不同的折射率，使激光的一个纵模分裂成两种不同频率，由此测出加在双折射元件的力/重量的大小。本发明由激光力/重量传感头，激光稳频单元、加力单元及信号接收与处理单元所组成，该力/重量传感器构成的测力/重量装置具有灵敏度高、量程大等优点。
文档编号G01L1/25GK1073524SQ9111150
公开日1993年6月23日 申请日期1991年12月12日 优先权日1991年12月12日
发明者张书练 申请人:清华大学