[发明专利]用于物理参数的光学测量的设备

说明书

本发明涉及光电设备领域。更具体而言，本发明涉及用于目标的位移的光学测量的测量设备。

存在多种用于测量目标的位移、振动、距离等的设备，这使得可以执行所谓的非破坏性测量，即，该测量不会对被测量的目标造成破坏。

经常使用光学方法，这是因为光学方法的优点在于不与目标接触并且是非侵入性的。它们基于：从激光光源向目标发射光束，然后利用适当的检测和测量手段测量被目标返回的光束的光学属性的变化。

迈克逊型干涉仪、光纤干涉仪和三角传感器是几种现有的光学设备。然而，这些类型的设备需要利用许多光学部件，这使得难以实现小型的、易于使用的且低成本的传感器。此外，这些设备中的一些设备的测量范围限于几厘米，甚至几毫米。

相比而言，基于光学反馈现象的（通常称作“自混合”）设备提出了一种小型、灵活的且低成本的实现系统。

这些设备易于实现并仅需要例如一个激光光源，该激光光源向要被测量位移的目标发射测量光束。测量光束的一部分被目标反射，并被反馈到激光光源的激活腔（active cavity），它在激光光源的激活腔中产生干涉。

当来自激光光源并遇到目标的测量光束所行进的光路发生变化时，例如，当该光路因为目标的位移或目标所在的介质的折射系数的变化而变化时，发生波动，尤其是所发生的光功率发生波动，这是由这些干涉导致的。这些波动或者被位于激光光源后侧的光电检测器（例如，光电二极管）检测到，或者直接地经由激光光源的结张力（junction tension）检测到。来自光电二极管或激光光源的结张力的信号经过适当的处理装置的处理，由此推导出关于目标的位移的信息或者关于介质的折射系数的变化的信息。以该方式，激光光源既扮演光源的角色又扮演微干涉仪的角色，而不需要外部的光学部件。然而，当目标位于几厘米之外时，可能在激光光源和目标之间放置透镜。

相比于利用传统的干涉测量法，以该方式，这些光学反馈设备具有自对准、小型且成本更低的优点。

然而，这些设备对寄生振动非常敏感。因此，它们需要被放置在相对于目标而稳定并固定的安装物（以光学桌为例）上，以保证所执行的测量的准确度。该条件首先导致附加成本，其次不适合于在现实世界的条件（以安装在工业站上为例）中利用这些设备。

因此，本发明的目标是提出一种基于光学反馈现象的测量设备，该测量设备解决了尺寸、性能和成本限制，因此使得该测量设备用于实际的工业情形。

为此，本发明的目的是用于物理参数的光学测量的测量设备。测量设备包括：

-激光光源，用于在目标的方向上产生测量光束并用于接收所述目标反射的测量光束，所述测量光束沿着随所要确定的物理参数而变化的光路行进，所述激光光源包括光学腔；

-针对所述激光光源的运动传感器；

-计算装置，用于根据在所述激光光源处测量到的信号和所述运动传感器测量到的信号来计算所述物理参数。

光路被定义为光束所行进的、按照光束穿过的介质的折射属性而缩放的几何距离，即，通过将该几何距离乘以介质的折射系数。

要被确定的、改变了测量光束的光路的物理参数例如是：目标所在的介质的折射系数的改变；施加于位于激光光源前方的光纤的应力（机械的、热的等等）；以及优选地，沿着激光光源的光轴线的移动目标的位移。

激光光源在目标的方向上发射测量光束，目标反射测量光束的一部分。所反射的测量光束被完全反馈或部分反馈到激光光源的光学腔中；这与所述腔中的发射测量光束干涉。

优选地，激光光源是激光二极管，但是也可以使用任意其他类型的激光光源，例如，气体激光器。

当测量光束所行进的光路改变时，所引起的干涉具体产生激光二极管所发生的入射光束的光功率的变化。

在激光光源处测量到的信号依赖于测量光束的光功率的变化。该变化依赖于光路的变化。所测量的信号例如是电压、电流或数字信号。

运动传感器有利地使得可以测量与工作中的激光光源的运动有关的位移。这些移动可以例如是激光光源随应用情形的需要而固有的位移、或者受到振动的激光光源所导致的寄生位移。

运动传感器是能够测量工作中的激光光源的位移的设备，例如，加速度计、回转仪或光学传感器。

当运动传感器是加速度计时，例如，它被优选地放置得尽可能靠近激光光源并紧固于激光光源。当运动传感器是非接触型传感器时，例如，光学的，则它可以被放置在一定距离处，并且其光束指向激光光源的方向。

运动传感器所测量的信号依赖于激光光源的位移。所测量的信号例如是电压、电流和数字信号。