一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统，将压电陶瓷固定在被测目标上，双频激光器将输出的激光沿着激光轴线方向向分光镜和回馈镜传播；驱动电路将三角波电压信号发送到压电陶瓷，压电陶瓷在电压作用下做伸缩运动的同时推动回馈镜做往复运动；启动最小值查询单元在每个驱动周期内查找测量基准点，并将驱动周期内查找的最小值发送到位移显示器显示；稳频控制电路发送稳频信号控制电阻丝对激光增益管进行加热，双频激光器的腔长发生变化，使双频激光器处于稳频状态；测量位移前，对位移显示器进行清零操作；位移测量系统开始进行测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统将值发送到最小值查询单元，查找驱动周期内驱动电压为0的值并发送到位移显示器显示。本发明专利技术可以广泛应用于位移测量中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光回馈位移测量方法及系统，特别是关于一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统。
技术介绍
激光回馈位移测量仪具有灵敏度高、自准直、结构简单和性价比高的优点，在精密机械加工、振动监测和成像等领域有广泛的应用。激光回馈位移测量仪的原理是激光回馈自混合干涉效应，激光经被测目标表面反射后，再次返回到激光谐振腔内部，对激光器内部的光场进行调制，使激光的幅度、相位和偏振态等发生改变，通过解调激光的变化得到被测目标的运动信息。在激光回馈位移测量仪中采用反射率较高的回馈镜时，激光会在激光器输出镜与回馈镜之间多次往返，然后再进入到激光器的谐振腔内，形成高阶回馈，此时激光回馈位移测量仪具有很高的光学分辨率，一般为传统弱回馈的几十倍。由于高阶回馈光对环境的变化十分敏感，外界的微小振动都会引起回馈光场的剧烈扰动，使激光器内部光场受到不均勻调制，引起激光器的光强变化甚至偏振跳变，而偏振跳变几乎是瞬时发生，此时用光强差稳频的方法将无法对激光回馈位移测量仪进行稳频。为了保证激光回馈位移测量仪能够长期稳定工作，现有技术常常在测量中避免产生高阶回馈，采用光强衰减等方式将高阶回馈转化为弱回馈，然后进行测量，但是，此时激光回馈位移测量仪的分辨率会大大降低，从而影响其性能。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够有效消除外界环境变化对回馈外腔的影响，且能够提高激光回馈位移测量仪的稳频精度和抗干扰能力的基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法及系统。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量方法，它包括以下步骤1)设置一包括有双频激光器、位移测量系统、回馈外腔和外腔调制稳频系统的激光回馈位移测量系统；所述位移测量系统包括有信号处理系统和位移显示器，所述回馈外腔包括有凹面回馈镜，所述回馈镜的平面一侧固定连接压电陶瓷；所述外腔调制稳频系统包括有驱动电路、稳频控制电路、光电池、分光镜、沃拉斯顿棱镜、最小值查询单元和清零补偿单元，且在所述双频激光器的整个激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝；幻将所述压电陶瓷固定在被测目标上，所述双频激光器输出的激光沿着激光轴线方向分别向所述分光镜和回馈镜传播；；3)所述驱动电路将周期性三角波电压信号发送到所述压电陶瓷，所述压电陶瓷在电压信号作用下做伸缩运动的同时推动所述回馈镜做往复运动；4)启动所述最小值查询单元在三角波电压的每个驱动周期内查找测量基准点，并将每个驱动周期内查找得到的最小值发送到所述位移显示器进行显示力)所述稳频控制电路发送稳频信号控制所述电阻丝对激光增益管进行间断性加热，使双频激光器的腔长发生变化，以调节双频激光器处于稳频状态；6)测量位移前，对所述位移显示器进行清零操作，具体操作为①清零操作时，如果位移显示器显示的数值为0，则不需要进行补偿；②清零操作时，如果位移显示器显示的数值不为0，则启动清零补偿单元调用最小值查询单元进行清零补偿，将位移显示器显示的数值补偿为0 ；7)位移测量系统开始计数对被测目标进行位移测量，当被测目标运动完成后，信号处理系统将测得的位移值发送到最小值查询单元，查找三角波电压驱动周期内驱动电压为0的位移值，并将此位移值发送到位移显示器中显示所述最小值查询单元的具体过程为在所述压电陶瓷的三角波电压信号的一个驱动周期内，最小值查询单元等时间间隔采集位移测量数据L1AfLn,并不断比较L2和L1的大小，若L2大于L1则记录L1，若L2小于L1则记录L2，依次将后续采集的位移数据与已记录的值进行比较，寻找一个驱动周期内的最小值；当被测目标没有发生位移时，所述压电陶瓷在每个驱动周期内最小值都为0，所以位移显示器显示的数值为0 ；当被测目标发生位移时，每个驱动周期内查找得到的最小值为位移变化的叠加值，则位移显示器显示的数值不断累加；当被测目标运动完成后，最小值查询单元在驱动周期内查找得到的最小值为消除了压电陶瓷附加位移后的被测目标的实际位移值，位移显示器显示实际位移值。所述步骤幻的具体过程为所述双频激光器发出的激光经所述分光镜后的反射光经所述沃拉斯顿棱镜后形成两路偏振方向垂直的光信号分别被光电池接收，两光电池将采集的光信号分别发送到稳频控制电路中，稳频控制电路对接收的两路光信号依次经光电转换及放大、RC滤波、电压比较后获得这两路光信号的差值信号，将此差值信号作为稳频信号发送到PWM调制换电路转换为一方波电压信号，稳频控制电路将方波电压信号作为通断信号控制电阻丝对激光增益管进行间断性加热，激光增益管受热膨胀，使双频激光器的凹面腔镜向左侧移动，双频激光器的腔长发生变化，当两个光电池采集的光信号经过稳频控制电路处理后得到的差值为0时，则双频激光器处于稳频状态。所述步骤6)的②清零补偿单元的具体过程为清零补偿单元调用最小值查询单元此时所记录的值X，根据X清零补偿单元计算所需要补偿值Y，使X加上Y的值为0，清零补偿单元将Y做取反运算得到-Y，将-Y发送最小值查询单元对显示结果进行补偿，经过补偿后的最小值查询单元再次进行最小值查找的结果则为0，并发送到位移显示器显示为0。实现所述方法的基于外腔调制稳频的激光回馈位移测量系统，它包括有一半外腔双频激光器、一位移测量系统和一回馈外腔；所述双频激光器包括有凹面腔镜、激光增益管、增透窗片、石英晶体片和平面腔镜；所述位移测量系统包括信号处理系统和位移显示器；所述回馈外腔包括设置在所述平面腔镜一侧的高反射率凹面回馈镜，所述回馈镜的凹面一侧镀有反射膜，所述回馈镜的另一侧固定连接一压电陶瓷，其特征在于它还包括有一外腔调制稳频系统，所述外腔调制稳频系统包括一驱动电路、一稳频控制电路、两光电池、一分光镜、一沃拉斯顿棱镜、一最小值查询单元和一清零补偿单元，且在整个所述激光增益管外表面周向缠绕有电阻丝，其中，所述驱动电路的输出端连接所述压电陶瓷，所述稳频控制电路的输入端分别连接两所述光电池的输出端，所述稳频控制电路的输出端连接所述电阻丝，所述最小值查询单元的输入端连接信号处理系统的输出端，所述最小值查询单元的输出端连接所述位移显示器的输入端，所述清零补偿单元双向连接所述最小值查询单元。所述稳频控制电路包括有一光电转换及放大电路、一低通滤波电路、一电压比较电路和一 PWM调制电路。所述沃拉斯顿棱镜与激光传播的方向成45度角。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术采用外腔调制稳频系统对双频激光器进行稳频时，在压电陶瓷上连接驱动电路，利用驱动电路提供周期性的三角波电压且采用稳频控制电路控制电阻丝对激光增益管进行间断性加热，使双频激光器的腔长发生变化，以使激光器处于稳频状态，因此与激光回馈位移测量仪结合测量位移时降低激光回馈位移测量仪对环境的敏感度，不仅有效解决了现在技术中无法对高阶回馈位移测量仪进行稳频的问题，同时避免外界的微小振动引起回馈光场的剧烈扰动，使激光器内部光场受到均勻调制不会引起偏振跳变，有效实现稳频的高分辨率位移测量。2、本专利技术由于设置最小值查询单元，因此可以方便地确定调制稳频时位移测量的基准点，保证测量结果中没有压电陶瓷调制运动产生的附加位移，有效地提高测量的精度。3、本专利技术由于设置有清零补偿单元，因此可以很好地解决调制稳频过程中位移显示器清零时不能显示0的问题，可以将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张书练，曾召利，谈宜东，李岩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：