[发明专利]基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：包括第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)、第三半导体激光传感头(3)、反射式二维平面光栅(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、数据采集卡(7)和计算机(8)，第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)、第三半导体激光传感头(3)垂直于反射式二维平面光栅(4)，它们在反射式二维平面光栅(4)的投影呈等腰直角三角形，第一半导体激光传感头(1)的投影为顶点，第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)分别设置在第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)到反射式二维平面光栅(4)的垂线上，数据采集卡(7)的一端连接第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)，另一端连接计算机(8)。

2.根据权利要求1所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)均包括稳流电源、半导体激光器和电光相位调制器，所述半导体激光器内部集成了半导体发光二极管和背向光电探测器，所述半导体激光器在稳流电源驱动下发射激光，经电光相位调制器调制后出射，反馈光返回至到所述电光相位调制器，经过第二次调制后回馈到所述半导体激光器，发生激光自混合干涉效应后干涉信号被背向光电探测器转化为电信号，输出到所述数据采集卡(7)。

3.根据权利要求2所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：所述电光相位调制器主轴方向和通过的激光偏振方向一致，其对通过的激光进行纯相位调制，调制幅度为π/2，调制初始相位为0。

4.根据权利要求2所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：所述反射式二维平面光栅(4)在x、y方向有相同的刻线周期d，与激光波长λ间满足λ/2d2λ。

5.根据权利要求2所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，其特征在于：所述第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)所发射的激光分别被第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)反射后的方向与所述反射式二维平面光栅(4)法线所成的利特罗入射角θ为:θ＝arcsin(λ/2d)，其中，d为刻线周期，λ为激光波长。

6.一种三维位移测量方法，基于权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化系统并开始工作；

(2)数据采集卡(7)对接收的干涉信号进行模数转换，并将转换后的信号输入计算机(8)；

(3)对信号进行时域正交解调，分别解调出的第一半导体激光传感头(1)、第二半导体激光传感头(2)和第三半导体激光传感头(3)所在光路的反馈光相位变化量

(4)根据上述反馈光相位变化量，计算反射式二维平面光栅(4)在x、y、z方向的位移。

7.根据权利要求6所述的三维位移测量方法，其特征在于：步骤(2)中所述模数转换的采样时间为t＝f_s/f_m,其中f_s为采样频率，f_m为电光调制频率。

8.根据权利要求6所述的三维位移测量方法，其特征在于：步骤(3)中所述的时域正交解调具体为，每个调制周期内对干涉信号进行采样间隔为π/6的12次采样，对采样结果进行线性组合计算，得到待测相位的正弦分量和余弦分量，然后进行反正切运算，再进行解包裹运算，得到

9.根据权利要求6所述的三维位移测量方法，其特征在于：步骤(4)中反射式二维平面光栅(4)在x、y、z方向的位移为，

其中，θ为利特罗入射角，d为平面光栅上x、y方向的刻线周期，λ为激光波长。