用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置

本发明涉及一种单频激光干涉仪位移检测装置，属于纳米级精度的位移测量。

背景技术：

1、纳米级位移测量的方法主要可以分为机械测量法、电学测量法和光学测量法三个方面,其中单频激光干涉仪由于结构简单，价格低廉，不限制物体运动速度等优点被广泛应用。传统的单频激光干涉仪往往存在直流漂移误差、幅值不等误差及非正交误差，这三项误差是导致单频激光干涉仪相比双频激光干涉仪精度较低，而这些误差又都是激光发生器发出的激光频率不稳定所造成的。

2、单频激光干涉仪的激光发生器通常采用he-ne激光发生器。目前he-ne激光发生器的激光稳频方法主要以热稳频方法为主，即通过控制he-ne激光发生器谐振腔温度来控制谐振腔腔长从而达到激光稳频的目的，目前激光热稳频多数采用外加冷却风扇或者采用特殊材料等方法对he-ne激光发生器谐振腔温度进行控制，这些方法稳频速度慢，稳频过程时间长，而且有些特殊材料例如紫铜散热外壳价格昂贵，使用成本高，外加冷却风扇或者采用循环水冷等方法装置体积过于庞大，装置操作较为繁琐，且易受环境干扰。这些方法虽然稳频精度高，但是由于其自身的这些缺点导致在单频激光干涉仪以及一些应用环境下并不适用。

技术实现思路

1、针对现有激光热稳频装置易受环境干扰影响稳定性的问题，本发明提供一种用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置。

2、本发明的一种用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，包括处理器、pwm调制模块、开关电路、分光模块、光电二极管、温度采集模块和光电变换模块；温度采集模块用于检测单频激光干涉仪的he-ne激光发生器谐振腔腔体的温度，将检测的温度输入至处理器；

3、he-ne激光发生器发出的激光通过分光模块分成两束线偏振光，该两束线偏振光各经光电二极管转换为电流信号后输入至光电变换模块；

4、光电变换模块用于将输入的两路电流信号转换成两路电压信号，两路电压信号的差分信号转换成单端电压信号，将该单端电压信号转换成数字信号后输入至处理器；

5、处理器与pwm调制模块连接，pwm调制模块与开关电路连接，开关电路与he-ne激光发生器供电电源连接，处理器根据收到的温度和单端电压信号通过pid控制算法调节pwm调制模块的pwm输出占空比，进而通过开关电路控制he-ne激光发生器供电电源的通断时间，分别在不同时间实现温度控制和稳频控制。

6、作为优选，光电变换模块包括信号调理电路、1号模数转换电路和两个光电变换电路；

7、两个光电变换电路分别负责将一路经光电二极管转换的电流信号放大并转换成电压信号，并同时输入至信号调理电路；

8、信号调理电路将两路电压信号的差分信号转换成单端电压信号，并输入至1号模数转换电路，1号模数转换电路将该单端电压信号转换成数字信号后输入至处理器。

9、作为优选，每个光电变换电路包括运放芯片opa656、电容ca1-ca5和电阻ra2-ra5；

10、经光电二极管转换的电流信号输入至运放芯片opa656的负信号输入端，同时电阻ra2的一端与运放芯片opa656的负信号输入端连接；

11、运放芯片opa656的正信号输入端接地；

12、运放芯片opa656的电源正输入端与电容ca1的一端、电容ca4的一端和5v电源的负极同时连接，电容ca1的另一端和电容ca4的另一端同时接地；

13、运放芯片opa656的电源负输入端与电容ca3的一端、电容ca2的一端和5v电源的正极同时连接，电容ca3的另一端和电容ca2的另一端同时接地；

14、电阻ra2的另一端、电容ca5的一端、电阻ra3的一端同时连接；

15、电阻ra3的另一端和电容ca5的另一端、运放芯片opa656的输出端和电阻ra4的一端、电阻ra5的一端同时连接，电阻ra4的另一端接地；

16、电阻ra5的另一端输出的信号为光电变换电路的输出信号；

17、作为优选，信号调理电路包括芯片ad8130、电阻ra7、电阻rb7、电阻rg、电阻rf、电容c13-c17；

18、电阻rb7的一端接一个光电变换电路的输出信号，电阻rb7的另一端接芯片ad8130的1号引脚；

19、芯片ad8130的2号引脚、电容c16的一端、电容c17的一端同时连接5v电源的负极，电容c16的另一端、电容c17的另一端均接地；

20、芯片ad8130的3号引脚接5v电源的正极；

21、芯片ad8130的4号引脚、电容c15的一端、电阻rg的一端同时连接，电容c15的另一端接地；

22、电阻rg的另一端、芯片ad8130的5号引脚和电阻rf的一端同时连接，电阻rf的另一端与芯片ad8130的6号引脚连接，芯片ad8130的7号引脚、电容c13的一端、电容c14的一端同时连接5v电源的正极，电容c13的另一端、电容c14的另一端均接地；

23、芯片ad8130的8号引脚与电阻ra7的一端连接，电阻ra7的另一端接另一个光电变换电路的输出信号。

24、作为优选，温度采集模块包括ntc热敏电阻、温度检测电路和2号模数转换电路，ntc热敏电阻设置在he-ne激光发生器谐振腔的腔体内，ntc热敏电阻与温度检测电路连接，所述温度检测电路采用惠斯通电桥电路实现，惠斯通电桥电路的检测的电压信号通过2号模数转换电路转换成温度信号。

25、作为优选，1号模数转换电路和2号模数转换电路均采用cs1237芯片实现。

26、作为优选，1号模数转换电路和2号模数转换电路的基准电压通过基准电压转化电路获得，基准电压转化电路包括运放电路、电阻r6、电容c9和电容c10；

27、电容c10的一端、电容c9的一端同时接地，

28、电容c10的一端、电容c9的另一端、电阻r6的一端与运放电路的输出端同时连接，电阻r6的另一端与运放电路的负输入端连接，运放电路的正输入端输入外部基准电压，运放电路的输出端输出转换后的基准电压。

29、本发明的有益效果，本发明采用闭环控制思想设计了两个闭环控制，将温度控制结合光电变换来对he-ne激光发生器激光进行热稳频控制。首先闭环控制系统具有自适应性，能够根据反馈信息自动调整控制策略和参数，这使得系统能够在不同工况和环境下保持稳定性和性能。其次闭环控制系统具有很好的鲁棒性，可以通过反馈机制来抵抗外部干扰对系统的影响。通过比较实际输出和期望值，系统可以自动调整控制操作，抵消外部干扰的影响，从而提高系统的抗干扰能力。此外，本发明的两个闭环控制可以集中到一个体积小巧的pcb板上，从而使整个激光热稳频装置可以放置在he-ne激光发生器内部，进一步提升了装置的抗干扰性。

技术特征：

1.用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，所述装置包括处理器、pwm调制模块、开关电路、分光模块、光电二极管、温度采集模块和光电变换模块；温度采集模块用于检测单频激光干涉仪的he-ne激光发生器谐振腔腔体的温度，将检测的温度输入至处理器；

2.根据权利要求1所述的用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，光电变换模块包括信号调理电路、1号模数转换电路和两个光电变换电路；

3.根据权利要求1所述的用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，每个光电变换电路包括运放芯片opa656、电容ca1-ca5和电阻ra2-ra5；

4.根据权利要求3所述的用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，信号调理电路包括芯片ad8130、电阻ra7、电阻rb7、电阻rg、电阻rf、电容c13-c17；

5.根据权利要求2所述的用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，温度采集模块包括ntc热敏电阻、温度检测电路和2号模数转换电路，ntc热敏电阻设置在he-ne激光发生器谐振腔的腔体内，ntc热敏电阻与温度检测电路连接，所述温度检测电路采用惠斯通电桥电路实现，惠斯通电桥电路的检测的电压信号通过2号模数转换电路转换成温度信号。

6.根据权利要求5所述的用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，1号模数转换电路和2号模数转换电路均采用cs1237芯片实现。

7.根据权利要求6所述的用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，其特征在于，1号模数转换电路和2号模数转换电路的基准电压通过基准电压转化电路获得，基准电压转化电路包括运放电路、电阻r6、电容c9和电容c10；

技术总结
用于单频激光干涉仪的激光热稳频装置，解决了现有激光热稳频装置易受环境干扰影响稳定性的问题，属于纳米级精度的位移测量技术领域。本发明包括：温度采集模块用于检测He‑Ne激光发生器谐振腔腔体的温度，输入至处理器；He‑Ne激光发生器发出的激光通过分光模块分成两束线偏振光，并转换为电流信号后输入至光电变换模块；光电变换模块将输入的电流信号转换成两路电压信号，两路电压信号的差分信号转换成单端电压信号，再输入至处理器；处理器根据收到的温度和单端电压信号通过PID控制算法调节PWM调制模块的PWM输出占空比，进而通过开关电路控制He‑Ne激光发生器供电电源的通断时间，分别在不同时间实现温度控制和稳频控制。

技术研发人员：盖建新,郭新儒
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15