基于光干涉的位移測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種位移測量方法，特別是一種基于光干涉的位移測量方法。
【背景技術】
[0002] 在精密機械設計和材料研制等分析過程中，零部件的位移、振動振幅和振動頻率、 變形、材料的熱膨脹系數等數據的采集成為分析的關鍵。而現有的位移測量系統，一般都是 精度高則量程短，量程大則精度低，波形匹配好其精度高但運算時間長響應慢，響應快則精 度低，不能滿足現代化分析的需要。

【發明內容】

[0003] 本發明要解決的技術問題是:提供一種可實現對位移的精密測量、且精度高、量程 大、響應快的基于光干涉的位移測量方法。
[0004] 解決上述技術問題的技術方案是:一種基于光干涉的位移測量方法，該方法是利 用光學諧振腔對波長選擇性透過的特性，通過對透射波長的分析得到腔長，當腔長變化時， 透射波長隨之產生變化，光電接收裝置檢測并分析透射波長得出腔長變化量，通過腔長變 化量計算出被測物位移。
[0005] 本發明的進一步技術方案是：該方法是采用基于光干涉的位移測量裝置進行測 量，包括以下步驟： ① 當被測件未移動時，第四分光棱鏡組與被測件相接處，系統未開啟時，第二反射鏡相 對于第一反射鏡之間的距離、第二直角反射棱鏡組相對于第一角反射棱鏡組之間的距離均 為h;系統開啟后，驅動器開始沿光路方向高頻伸縮變化，使第二反射鏡和第二直角反射棱 鏡組相對于第一反射鏡和第一直角反射棱鏡組之間的距離產生Ah的變化，即距離變為h+ Ah； 當光線由激光發射裝置發射由第一分光棱鏡分開后，分為測量光束a和掃描光束b，測 量光束a、掃描光束b經過一系列傳播最后分別變為光束g和光束j所經過的光程相當時，激 光發射裝置發出的所有光譜λ〇~λ η在第二光電接收裝置顯示為光束g和光束j產生干涉光能 量最強值，即所有波長的光能量都為最強，此時記錄第一光電接收裝置給出的第一反射鏡 和第二反射鏡之間的距離h"; ② 當第四分光棱鏡組隨被測物體沿掃描光束b傳播方向移動位移X時，驅動器持續高頻 伸縮，總能使得由激光發射裝置發出的激光經第一分光棱鏡分開后的測量光束a和掃描光 束b最后到達第二光電接收裝置的光程相等，使第二光電接收裝置顯示為光束g和光束j產 生干涉光能量最強值，記錄此時第一光電接收裝置給出的第一射鏡和第二反射鏡之間的距 離h"+Ah"，此時2x=2 X (2N+1) X Ah"，N為第一直角反射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組中 各自標準直角棱鏡的個數，通過腔長變化Ah"計算出被測物位移X。
[0006] 本發明的再進一步技術方案是:所述的測量光束a和掃描光束b經過一系列傳播最 后分別變為光束g和光束j的具體過程如下： 測量光束a經過第二分光棱鏡后分成光束c和光束d，光束c進入由第一反射鏡和第二反 射鏡組成的光學諧振腔，光束c經過諧振多次反射后透射到第一光電接收裝置，得出第一反 射鏡和第二反射鏡之間的距離;光束d進入第一直角反射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組，經 過多次反射后回到第二分光棱鏡后變為光束f，光束f經過第三分光棱鏡后變為光束g;掃描 光束b經過第四分光棱鏡組后變為光束e，光束e經過直角反射鏡后再進入第三分光棱鏡變 為光束j，此時光束g和光束j產生的干涉圖譜的波長和中心光能量由第二光電接收裝置進 行接收和處理，并分析和繪制光能量的變化圖。
[0007] 本發明的再進一步技術方案是:所述的基于光干涉的位移測量裝置包括所述的激 光發射裝置、第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一直角反射棱鏡組、第二直角反射 棱鏡組、第四分光棱鏡、第一光電接收裝置、第二光電接收裝置、驅動器以及第二分光棱鏡、 第三分光棱鏡;其中： 所述的激光發射裝置發射出的激光光路上設置第一分光棱鏡，第一分光棱鏡的分光光 路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上設置第二分光棱鏡，第二分光棱鏡的分 光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上設有光學諧振腔，該光學諧振腔由 第一反射鏡、第二反射鏡構成;光學諧振腔之后設置有所述的第一光電接收裝置;第二分光 棱鏡的分光光路D上設置有所述的第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組，第一直角反 射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的一端與第一反射鏡、第二反射鏡固定連接，第一直角反射 棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的另一端與驅動器連接，第一直角反射棱鏡組、第二直角反射 棱鏡組的反射光回射到第二分光棱鏡形成分光光路F，第二分光棱鏡的分光光路F上設有所 述的第三分光棱鏡;所述的第一分光棱鏡的分光光路B上設置第四分光棱鏡，第四分光棱鏡 的分光光路E上設置有直角反射鏡，直角反射鏡的反射光進入第三分光棱鏡，第三分光棱鏡 的分光光路G上設有所述的第二光電接收裝置。
[0008] 本發明的再進一步技術方案是:所述的第一分光棱鏡包括直角棱鏡I和直角棱鏡 Π ，直角棱鏡和直角棱鏡的斜面粘合在一起;所述的第二分光棱鏡包括直角棱鏡m和直角 棱鏡IV，直角棱鏡m和直角棱鏡IV的斜面粘合在一起，且直角棱鏡m和直角棱鏡IV相對的 直角面平行;所述的直角棱鏡m在其直角面處設有光吸收及漫反射層I，直角棱鏡iv在直角 面處設有光吸收及漫反射層π。
[0009] 本發明的再進一步技術方案是:所述的第一反射鏡在靠近第二反射鏡一側鍍履有 反射膜;所述的第二反射鏡在靠近第一反射鏡一側鍍履有反射膜。
[0010] 本發明的更進一步技術方案是:所述的激光發射裝置的光譜寬度為λ〇~λη;所述的 第一反射鏡在光譜寬度λ〇~λ η的光束中對光譜寬度λι~λ」的波長反射率為90~99%;第二反 射鏡在光譜寬度λ〇~λη的光束中對光譜寬度λ!~λ」的波長反射率為90~99%。
[0011] 本發明的更進一步技術方案是:所述的第一光電接收裝置用于對波長光束 的能量進行分析，并計算出第一反射鏡和第二反射鏡的距離;所述的第二光電接收裝置，用 于對不同波長λ〇~λη的光束能量進行分析，并分析出光能量最強的波長。
[0012] 本發明的進一步技術方案是:所述的第一直角反射棱鏡組包括一個利用斜面對光 產生反射的直角棱鏡V，Ν個利用兩直角面對光產生反射的標準直角棱鏡VI;所述的第二直 角反射棱鏡組包括一個利用直角面對光產生反射的小直角棱鏡、Ν個利用兩直角面對光產 生反射的標準直角棱鏡W;所述的小直角棱鏡的直角面面積是標準直角棱鏡W直角面面積 的0.3~0.8倍，N 2 1;所述的第三分光棱鏡包括直角棱鏡VI和直角棱鏡IX，直角棱鏡VI和直 角棱鏡K的斜面粘合在一起，且彼此相對的直角面平行;所述的直角棱鏡IX直角面處設有 光吸收及漫反射層m;所述的第四分光棱鏡由四塊同樣的直角棱鏡X彼此直角面膠合組成 的正方形，其中直角棱鏡X斜面上設有光吸收及漫反射層IV，該第四分光棱鏡隨被測直線 移動物體一起移動。
[0013] 本發明的進一步技術方案是:所述的驅動器包括驅動件、粘接游動塊、補償塊、固 定塊，所述的游動塊和固定塊分別粘接在驅動件的兩端，固定塊與補償塊粘接，補償塊與驅 動件之間留有間隙，補償塊與游動塊分別與第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組固 定連接。
[0014] 由于采用上述結構，本發明之基于光干涉的位移測量方法與現有技術相比，具有 以下有益效果： 1.可實現對位移的精密測量： 由于本發明是利用光學諧振腔對波長選擇性透過的特性，通過對透射波長的分析得到 腔長，當腔長變化時，透射波長隨之產生變化，光電接收裝置檢測并分析透射波長得出腔長 變化量，通過腔長變化量計算出被測物位移。其具體方法是當被測件未移動時，分光棱鏡組 與被測件相接觸，系統開啟后，驅動器開始沿光路方向高頻伸縮變化，使第一反射鏡和第一 直角反射棱鏡組相對于第二反射鏡和第一直角反射棱鏡組之間的距離產生變化。激光發射 裝置發射出的光束由第一分光棱鏡分開后，分為測量光束a和掃描光束b，測量光束a和掃描 光束b經過一系列傳播最后分別變為光束g和光束j，當光束g和光束j最后到達第二光電接 收裝置的光程相當時，使第二光電接收裝置顯示為光束g和光束j產生干涉光能量最強值， 即激光發射裝置發出的所有光譜λ〇~λ η的光能量都為最強，此時記錄第一光電接收裝置給 出的第一反射鏡、第二反射鏡的距離；當第四分光棱鏡隨被測物體沿掃描光束b傳播方向移 動距離X時，驅動器持續高頻伸縮，總有一刻能使得激光發射裝置發出的激光經第一分光棱 鏡分開后的兩束光線最后到達第二光電接收裝置的光程相等，使第二光電接收裝置顯示為 光束g和光束j產生干涉光能量最強值，記錄此時第一光電接收裝置給出的第一反射鏡、第 二反射鏡的距離，通過腔長變化即可計算出被測物位移。因此，本發明從初始未產生位移開 始工作，直至被測件直線位移停止，測量出被測件位移，從而可實現對位移的精密測量，還 可以測量振動的振幅和頻率、位移過程中的速率變化。
[0015] 2.精度高： 本發明利用分離光波振幅方法對一束光均勻分成兩束，當兩支光束在達到干涉條件 時，且經過的光程相等時，干涉能量會達到極值，利用此原理，當一束光(測量光束a)的光程 (從光源發出至接收器接收）隨著被測件相對較慢的速度變化時，另一束光（掃描光束b)的 光程較快的交替變化(頻率不變），總有一刻使測量光束a和掃描光束b的光程相等。
[0016] 本發明中，測量光束a的光程是:光束從激光發射裝置發出經過第一分光棱鏡后， 分為測量光束a開始經第二分光棱鏡、第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組、第三分