[发明专利]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

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。

主权项

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(8)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(10b)和输入端口(10c)，第一输出端口(10a)与光源控制器(1)的输入端口相连，第二输出端口(10b)与压电陶瓷(9)的输入端口相连，输入端口(10c)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λ0/8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+SS1cos[α(t)+α0]，其中：α(t)和α0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)+α0]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(10a)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lc： l c = m λ 0 2 β 0 bΔt , 其中：β0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；Δt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lc和正弦相位调制深度z＝3.054按下式确定光源(2)调制的正弦电流幅值a， z = 4 πa β 0 l c / λ 0 2 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(2)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)＝‑2SS1J2(z)cosα，其中：J2(z)为二阶贝塞尔函数，α＝(4π/λ0)[l0+dcos(ω0t)]为由准直器(5)和待测物体(11)之间的初始距离l0和待测物体(11)的振动dcos(ω0t)所决定的相位，则cosα的表达式为： cos α = - 1 2 SS 1 J 2 ( z ) P 2 ( t ) , cosα表达式中的常量SS1已在步骤①中测得，对干涉信号进行处理，通过反余弦函数求得α为： α = arccos ( - 1 2 SS 1 J 2 ( z ) P 2 ( t ) ) = ( 4 π / λ 0 ) [ l 0 + d cos ( ω 0 t ) ] , 则α中的交流成分即为待测物体(11)的振动信息dcos(ω0t)。