三角波相位调制半导体激光自混合测速仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种三角波相位调制半导体激光自混合测速仪及其测量方法，属 于光学干涉测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 速度是衡量微小振动、位移、加速度的基本物理量；对振动敏感的微机电或传感器 等先进制造业来说，一般要求测速仪器所占空间要小，灵敏度高，被测物体不能被接触等特 点。
[0003] 使用各式激光器为光源的干涉型测速仪已取得一定成果，比如现有的迈克尔逊干 涉仪、法布里珀罗干涉仪、零差或外差干涉仪、多普勒测振仪、激光雷达测速仪等。这些现有 测速仪需要参考信号和辅助硬件，光路中常用参考镜、光分束器、偏振分光棱镜、声光调频 等，数据处理中需配合高频计数电路、DSP系统等，使市场上光学测速仪结构大、占用更多空 间、成本高、硬件复杂、系统更加脆弱，这些缺点迫切需要改善。
[0004] 激光自混合效应中激光器只受反馈光影响，无需辅助，具有结构紧凑，易准直等优 点而备受重视，辅助的硬件电路少，解调错误率低，但精度只有几百纳米，仍不能满足先进 制造业对精度的苛求。典型的提高精度方法是对基于半导体激光器的自混合干涉仪注入 电流来调制光频率，但电流注入同时也会改变输出光强，引入多余强度噪声，这同样亟待解 决。
[0005] 现有的声波测距或压电式、电涡流、电容式振动传感器在测量范围、精度或方式上 有不少局限。比如声波较光波的波长更长，精度低，声波传播过程中损耗大距离短，信号质 量远低于高度相干的激光束信号，极大限制了测量的范围和准确度；压电式传感器需紧贴 被测物表面，容易损坏微机械系统或样品；电涡流或电容式振动传感器受制于电气特性，被 测运动的频率和幅度受到限制；其他机械式的速度传感器同样很难达到微米以上的分辨 率，更不具备对微纳米级振动或位移感知的能力。
[0006] 对于已有的精密光学测速结构，如大型的德国PloyTec5000型多普勒测振仪，该 仪器包含马赫泽德干涉仪，激光传感模组，高集成度的硬件解调电路和复杂软件，价格高于 40万人民币，十分昂贵，且应用条件苛刻，操作繁琐。
【发明内容】
[0007] 针对以上现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种三角波相位调制半 导体激光自混合测速仪，该仪器是一种利用电光调制效应和光反馈效应产生的自混合信号 实时解调物体振动速度与位移的精密测量仪器。本发明另一个目的是提供利用该测速仪进 行测量的方法。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009] 三角波相位调制半导体激光自混合测速仪，包括驱动电路、半导体激光二极管、制 冷片、温度控制器、非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调制器、信号发生 器、运算放大器、数据采集卡和计算机；驱动电路连接半导体激光二极管，半导体激光二极 管的正向发射端轴线上依次设置有非球面补偿透镜、起偏器、光线密度滤波器、电光晶体调 制器和待测目标；所述半导体激光二极管内置有感光二极管、半导体激光器和光电探测器， 所述感光二极管用于检测反射回半导体激光器谐振腔内的光束，所述光电探测器接收自混 合干涉信号后输出给所述运算放大器；所述信号发生器分别输出三角波信号和方波触发信 号至电光晶体调制器和运算放大器；所述运算放大器、数据采集卡和计算机依次连接；所 述计算机基于交叉微分解调技术获得速度曲线，进一步得出待测目标的位移和加速度，并 由显示终端输出。
[0010] 所述制冷片设置在半导体激光二极管的底部，由温度控制器采用PID算法控制所 述制冷片的通断状态。
[0011] 所述待测目标固定在振源的垂直表面。
[0012] 所述起偏器与电光晶体调制器的偏振方向一致。
[0013] 进一步地，所述半导体激光器采用工作波长为635nm的激光器。
[0014] 进一步地，所述运算放大器内置电流电压转换器件。
[0015] 本发明利用上述测速仪进行测量的方法，具体步骤如下：
[0016] (1)驱动电路向半导体激光二极管注入电流，启动半导体激光二极管，旋转起偏器 使透过非球面补偿透镜后激光束偏振态与电光晶体调制器偏振态的夹角最小；旋转光线密 度滤波器控制激光自混合处于弱反馈水平，即用外接示波器观察到的干涉条纹没有倾斜现 象时，即可测试；
[0017] (2)信号发生器产生三角波信号驱动电光晶体调制器对光束进行相位调制；处于 微振动状态的待测目标将经过调制后的光束反射入半导体激光二极管谐振腔内耦合，发生 自混合干涉效应，自混合干涉信号的光强由封装在二极管内光电探测器接收，接收到的自 混合光强信号包含振动信息；
[0018] (3)光电探测器输出的自混合信号经运算放大器后由数据采集卡完成模数转换， 数据采集卡同步采集经运算放大器放大后的感光二极管输出的信号；
[0019] (4)物体振动随时间变化为L⑴，由自混合效应产生的相位表示为？<沒=%/^)/夂 式中λ代表激光波长，当已知时，振动位置表示为(6)(0 2/4；Γ;弱反馈条件 下，调制后的激光自混合相位数学表达式为C0S#(i)+g(t)).，g(t)是由调制引入的 三角波信号，显然当g(t)等于-31/2、0、31/2时，对应干涉信号的相位部分分别为 a)s(0>) -?r/2)、a)s(舛m、cos(⑶7}+ττ/2);将数据采集卡转换得到的离散数字信号由三个 数据缓存器分别提取这三路信号；中间一路信号作为相位的余弦函数另两 路信号相减后作为相位舛01的正弦函数sin(f(纽，将正、余弦信号相除后做反正切运算得到 舛0,由振动与相位之间的对应关系，解包裹后即可求出待测目标的振动曲线；将正、余弦信 号归一化处理使振幅等于1，随后将dsin〇(i))/dt与COS(WO)湘乘，_〇s?〇)/dt与sin〇(〇)湘 乘，两个乘积相减直接得出待测目标的速度曲线。
[0020] 本发明具有以下有益效果：
[0021] (1)本发明非接触式地探测微纳米级振动，可同步得出待测物体速度与位移，具备 高敏感度、纳米级精度、噪声低、解调速度快的特点。
[0022] (2)测量结果表示为微位移、速度、加速度的变化，更加直观、可靠。
[0023] (3)与现有国外的光学测速结构相比，本发明测速仪的光路简单、体积小、成本低 于其20 %，而且对被测面的平整度要求也低、允许反射靶面有粗糙度。
[0024] (4)本发明的装置设计的光路为一字型的直线结构，无需辅助光学元件，系统呈光 电软一体化；而且引入的三角波调制的线性度高，调制信号源波动小；同时，采用的单模半 导体激光器为系统光源，成本低，工作寿命长，其工作激光呈可见红色，易准直。
[0025] (5)本发明的数据处理由计算机完成，易于编程和安装；本发明与计算机技术紧 密结合，能实时显示测量曲线。
[0026] (6)当待测物体的振动振幅小于5um时，测量位移精度高于20nm，相对误差小于 0. 2%，速度精度可达10nm/s，测速上限为10mm/s。
[0027] (7)本发明测量对象的范围广泛，可以是在工业或日常的处于振动态中的材料，如 块状固体、仪器、机械装置、桥梁甚至运动中的舰艇、汽车、飞机等。由于本发明的高分辨率 和抗噪能力，可应用于传感器制造业、微纳米机械加工、精密国防、医学信息工程、航空航天 行业，或者供需要动态监测的研发、实验及计量类科研单位使用，特别适合对振动频率在音 频段或以内的微位移、速度、加速度的测量精度要求高的场所。
【附图说明】
[0028] 图1本发明三角波相位调制型半导体激光自混合测速仪装置的示意图；
[0029] 图2本发明采集与解调信号的流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0031] 本发明主要解决的技术问题有：测速仪光路结构和辅助电路复杂的问题；传统激 光自混合干涉的相位不易提取和分辨率受限于半个波长的问题；He-Ne激光器体积大和工 作寿命不长的问题。
[0032] 原理上采用三角波相位调制激光自混合干涉信号，去除参考光路中的分光棱镜、 参考镜、外置ro等器件，构成"一"字型的最简光路，信号处理由普通计算机即可完成，也免 去了外围电路；调制信号周期性改变自混合干涉的相位，单个调制周期内的相位信号易于 提取，其分辨率明显提高；半导体激光二极管作为测量系统光源相比气体激光器体积小，工 作寿命长，现有的制造工艺已非常成熟