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专利名称：提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法
技术领域：
本发明涉及正弦相位调制干涉仪，特别是一种提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法。
背景技术：
半导体激光正弦相位调制干涉仪作为国际上先进的准外差干涉测量技术，具有测量精度高、调制方便、结构简单等优点，在振动测量领域得到了广泛的应用。半导体激光正弦相位调制干涉仪是通过改变半导体激光器(简称为LD)的注入电流来实现波长调制的。通过注入电流调制波长的同时，LD的输出光强也被调制，而且光强调制与相位调制的频率相同。由于被测物理量的获得与干涉信号的频谱成分直接相关，而光源强度的变化将会影响干涉信号的频谱分布，因此注入电流产生的光强调制将带来一定的测量误差。如何消除LD光强调制产生的影响得到了相关研究者的关注。现有技术[1](X.F.Wang，X.Z.Wang，F. Qian, G. Chen, G. Chen, Ζ. Fang, "Photothermal modulation of laser diode wavelength !application to sinusoida 1phase—modu1 atiηg interferometer for displacement measurements,，，Optics & LaserTechnology，31(8), 559-564，1999.)利用 LD 的光热调制效应消除光强调制影响，但该技术同时使用了两个LD，使得干涉仪结构比较复杂，并且不能完全消除LD光强调制产生的影响，仅能使LD光强调制的影响减小大约1个数量级。现有技术[2] (Xuefeng Wang, Xiangzhao Wang, Yingming Liu, Caini Zhang， Danyang Yu, A sinusoidal phase-modulating fiber-optic interferometer insensitive to theintensity change of the light source，，，Optics & Laser Technology. 2003，35 (3)，219-222.)同时采集干涉信号与光源强度变化信号进行处理，但该技术使用了两个光电二极管，结构比较复杂，且对所采集的两个信号的相位同步性要求很高，不易实现。

发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法。该方法从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，减小了电路中的直流噪声引起的随机误差，提高了振动测量精度。本发明的技术解决方案如下一种提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法，所述的半导体激光正弦相位调制干涉仪包括带有光源控制器的光源、隔离器、光纤耦合器、准直器、光电探测器、数据采集卡、计算机、压电陶瓷和信号发生器，在所述的计算机的控制下所述的信号发生器为光源控制器输入控制信号，光源控制器为光源提供驱动电流，由光源发射的光束通过第一段光纤进入隔离器，由隔离器出射后，通过第二段光纤进入光纤耦合器内，由光纤耦合器出射后通过第三段光纤，经过准直器准直后照射到待测物体上，由待测物体表面反射的光和由准直器出射端面反射的光再次通过准直器、第三段光纤和光纤耦合器后，经过第四段光纤入射到光电探测器，该光电探测器将光信号转化为电信号后由数据采集卡采集，该数据采集卡输入端口与光电探测器的输出端口相连，输出端口与计算机的输入端口相连，信号发生器包含第一输出端口、第二输出端口和输入端口，第一输出端口与光源控制器的输入端口相连，第二输出端口与压电陶瓷的输入端口相连，输入端口与计算机的输出端口相连，计算机带有数据处理程序，特征在于该方法的测量过程包括以下步骤①参数测定开启光源，并使其注入电流保持为直流，此时光源发出激光的中心波长为Atl， 所述的计算机控制信号发生器产生的正弦信号驱动压电陶瓷，使压电陶瓷产生一个振幅大于λ/8的正弦振动，此时所述的光电探测器所探测到的干涉信号为P' (t)= SS0+SSlCos [a (t)+ α J，其中α⑴和％分别为由压电陶瓷的振动和初始光程差决定的相位，由于cos[a (t) + aj的值可以达到1，干涉信号P' (t)的交流幅值为SS1，即为所测定的参数；②粗测光程差所述的计算机控制信号发生器停止压电陶瓷的振动，并控制信号发生器的第一输出端口向光源控制器输出三角波信号，该光源控制器对光源注入三角波电流进行调制，所述的数据采集卡采集所述的光电探测器探测的线性调频信号，截取一段干涉信号进行数波数，并利用下列公式计算光程差的粗测值1。
权利要求
1. 一种提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法，所述的半导体激光正弦相位调制干涉仪包括带有光源控制器(1)的光源(2)、隔离器(3)、光纤耦合器(4)、准直器(5)、光电探测器(6)、数据采集卡(7)、计算机(8)、压电陶瓷(9)和信号发生器(10)， 在所述的计算机(8)的控制下所述的信号发生器(10)为光源控制器(1)输入控制信号，光源控制器(1)为光源(2)提供驱动电流，由光源(2)发射的光束通过第一段光纤(201)进入隔离器(3)，由隔离器(3)出射后，通过第二段光纤(301)进入光纤耦合器(4)内，由光纤耦合器(4)出射后通过第三段光纤(401)，经过准直器(5)准直后照射到待测物体(11)上， 由待测物体(11)表面反射的光和由准直器(5)出射端面反射的光再次通过准直器(5)、第三段光纤(401)和光纤耦合器(4)后，经过第四段光纤(402)入射到光电探测器(6)，该光电探测器(6)将光信号转化为电信号后由数据采集卡(7)采集，该数据采集卡(7)输入端口(7a)与光电探测器(6)的输出端口相连，输出端口(7b)与计算机⑶的输入端口相连， 信号发生器(10)包含第一输出端口(10a)、第二输出端口(IOb)和输入端口(10c)，第一输出端口(IOa)与光源控制器(1)的输入端口相连，第二输出端口(IOb)与压电陶瓷(9)的输入端口相连，输入端口(IOc)与计算机(8)的输出端口相连，计算机(8)带有数据处理程序，特征在于该方法的测量过程包括以下步骤①参数测定开启光源(2)，并使其注入电流保持为直流，此时光源(2)发出激光的中心波长为λ0, 所述的计算机(8)控制信号发生器(10)产生的正弦信号驱动压电陶瓷(9)，使压电陶瓷(9)产生一个振幅大于λ的正弦振动，此时所述的光电探测器(6)所探测到的干涉信号为P' (t) = SS0+SSlCos [α (t)+ α。]，其中α⑴和α Q分别为由压电陶瓷(9)的振动和初始光程差决定的相位，由于cos[ α (t) + aj的值可以达到1，干涉信号P' (t)的交流幅值为SS1,即为所测定的参数；②粗测光程差所述的计算机(8)控制信号发生器(10)停止压电陶瓷(9)的振动，并控制信号发生器(10)的输出端口(IOa)向光源控制器(1)输出三角波信号，光源控制器(1)对光源(2)注入三角波电流进行调制，所述的数据采集卡(7)采集所述的光电探测器(6)探测的线性调频信号，截取一段干涉信号进行数波数，并利用下列公式计算光程差的粗测值1。 / m^c fi0bAt，其中β C1为光源(2)输出的激光波长随驱动电流的变化系数，b为三角波电流的幅值； Δ t为所截取的干涉信号的时间，m为干涉信号的波数；③计算正弦调制电流幅度所述的计算机(8)根据所述的光程差的粗测值1。和正弦相位调制深度ζ = 3. 054按下式确定光源(2)调制的正弦电流幅值a， ζ = 4;ταβ0!"砣为 3. 054 ；④测量并计算待测物体(11)的振动信息所述的计算机(8)控制所述的信号发生器(10)输出正弦波信号，使所述的光源控制器 (1)向光源⑵注入具有所述的正弦电流幅值a的交变正弦电流后，通过数据采集卡(7)采集所述的光电探测器(6)探测所述的待测物体(11)反射的正弦相位调制的干涉信号，并利用快速傅里叶变换对干涉信号进行频谱分析，提取干涉信号的二阶频谱分量为P2 (t) = "2SSJ2(z)cosa，其中=J2(Z)为二阶贝塞尔函数，α = (4π/λ0)[10+(1οο8(ω0 )]为由准直器(5)和待测物体(11)之间的初始距离Itl和待测物体(11)的振动Clc0s(COcit)所决定的相位，则cosa 的表达式为
2.根据权利要求1所述的提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法， 其特征在于所述的光源(2)为半导体激光器。
全文摘要
一种提高半导体激光正弦相位调制干涉仪振动测量精度的方法，通过合理地选择正弦相位调制深度，从原理上消除了光源的光强调制引起的系统误差，减小了电路中的直流噪声引起的随机误差，提高了振动测量精度。
文档编号G01H9/00GK102169012SQ20111000428
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者李中梁, 王向朝, 王渤帆 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所