（精密仪器及机械专业论文）激光自混合干涉振动传感测量技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 论文题目：激光自混合干涉振动传感测量技术研究 学科专业：精密仪器及机械 研究生：高磊 指导教师：焦明星教授 摘要 签名： 益盘 签名：礁卫 随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及应用，振动传感测量问题越来越受到研 究人员的关注。光学传感测量是一种非接触式测量，具有精度高、稳定性好等优点，在测 试计量技术领域中发挥着重要作用。在众多的光学传感测量方法中，以激光干涉法使用得 最为广泛。近年来，基于激光自混合干涉( s m i ) 的光学传感测量技术发展极其迅速，它 的主要优点是系统简单、结构紧凑、易准直，可有效解决传统干涉系统光路复杂、尺寸大 等问题，因此国内外很多研究人员开展了广泛而深入的研究工作。 本论文对s m i 振动传感测量技术进行研究，主要研究内容包括以下五方面： 第一，简要介绍了激光s m i 振动传感测量技术的发展及研究现状。 第二，对s m i 现象的机理进行了理论研究。分别以三镜f p 腔理论和l a n g k o b a y a s h i 速率方程理论得到系统的稳态条件和输出光频率的求解方程，建立了s m i 的数学模型， 得到了s m i 测量具有与双光束干涉测量相同相位灵敏度的结果，为后续的仿真、分析和 实验研究奠定了理论基础；分析了s m i 条纹倾斜及倾斜方向产生翻转的原因，研究了线 宽增强因子和反馈强度对波形的不对称性和条纹倾斜度的影响。 第三，通过m a t l a b 对s m i 振动传感特性进行了数值仿真与分析，包括外腔相位对输 出光频、输出功率、谱线宽度的影响，以及振动体在正弦波、三角波和锯齿波调制下s m i 信号的变化规律。 第四，设计并建立了激光二极管s m i 振动传感测量实验系统。通过依次改变激光二 极管的初始外腔长和振动物体的频率、振幅和振动波形进行振动传感测量实验，观察到了 相应的s m i 信号，并对实验结果进行了理论分析。实验结果与仿真结果相吻合。 第五，为了提高测量分辨率，设计了一种改进的s m i 振动传感测量方案，并对该方 案的可行性进行了理论分析。 关键词：半导体激光器；自混合干涉；激光传感器；振动测量；光反馈 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo ft h ev l b r a t i o ns e n s i n ga n dm e a s u r i n g t e c h n o l o g yb a s e d o nl a s e rs e l f m i x i n gl n t e r f e r e n c e m a j o r ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa n dm e c h a n i s m n a m e ；l e ig a o s i g n a t u r e ：i 匠d 2 s u p e r v i s o r ：p r o f m i n g x i n gj i a os i g n a t u r e ：2 丝：么丝 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a lt e c h n o l o g ya n dp r e c i s i o n m a c h i n i n gt e c h n o l o g ya sw e l la sm a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s ，m a n yr e s e a r c h e r s a r ev e r y i n t e r e s t e di nm i c r o - v i b r a t i o ns e n s i n ga n dm e a s u r i n gp r o b l e m s o p t i c a ls e n s i n ga n dm e a s u r i n g t e c h n o l o g i e sa r en o n - c o n t a c t e d ；t h e yh a v eal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲a c c u r a c y ，p e r f e c t s t a b i l i t y , e t c ，a n dp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti nt h ef i e l do fm e t r o l o g i c a lm e a s u r e m e n t s o f v a r i o u s o p t i c a ls e n s i n ga n dm e a s u r i n gm e t h o d s ，l a s e ri n t e r f e r o m e t r yi st h em o s tw i d e l yu s e d t h e s e n s i n ga n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g y b a s e do nl a s e rs e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ( s m i ) h a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n t l yy e a r s ；i t sm a i na d v a n t a g e si n c l u d es i m p l i c i t y , c o m p a c t n e s sa n d e a s ya l i g n m e n t ，p r o v i d i n gab e t t e rs o l u t i o nt ot h ep r o b l e m so fc o m p l e x i t ya n dl a r g es i z eo f t h e c o n v e n t i o n a li n t e r f e r o m e t r i c s y s t e m s t h e r e f o r e t h es m i b a s e d s e n s i n ga n dm e a s u r i n g t e c h n o l o g yh a sb e e ni n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l ya n dd e e p l yb ym a n yr e s e a r c h e r sa t h o m ea n d a b r o a d t h em e c h a n i s ma n dt e c h n o l o g yo ft h es m i - b a s e dv i b r a t i o ns e n s i n ga n dm e a s u r i n gh a s b e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi nt h i st h e s i s ，t h em a i nc o n t e n t sa r ci n c l u d e da s f o l l o w s ： f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts t a t u so ft h es m i b a s e dl a s e rv i b r a t i o ns e n s i n ga n d m e a s u r i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e nb r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d ly t h em e c h a n i c so ft h es m ie f f e c th a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h el a s e r s y s t e m ss t a b l ec o n d i t i o na n df r e q u e n c yf u n c t i o na r eo b t a i n e db y v i r t u eo ft h et h e o r e t i c a l m o d e lo fat h r e e - m i r r o rf pc a v i t ya n dl a n g k o b a y a s h ir a t ee q u a t i o n st h e o r y , a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o m m o ns m ie f f e c ti se s t a b l i s h e d t h et h e o r e t i c a lr e s u l ti sd e d u c e d t h a tt h ep h a s es e n s i t i v i t yo ft h es m ib a s e dm e a s u r e m e n ti st h es a m ea st h a to ft h et w o - b e a m 西安理工大学硕士学位论文 i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n t ，w h i c hh a ss u p p l i e daf o u n d a t i o nf o rt h es i m u l a t i o n s ，a n a l y s e sa n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e si nt h i st h e s i s t h ei n c l i n a t i o n sa n dt h ew a v e f o r mi n v e r s i o n so ft h es m i f r i n g e sa r ea n a l y z e d t h ee f f e c t so fl i n e w i d t he n h a n c e m e n tf a c t o ra n df e e d b a c ks t r e n g t ho nt h e a s y m m e t r ya n dt h ed i r e c t i o no ff r i n g ei n c l i n a t i o no ft h es m is i g n a la r ei n v e s t i g a t e d t h i r d l y , t h es m i b a s e dv i b r a t i o ns e n s i n gp r o p e r t i e sh a v eb e e nn u m e r i c a l l ys i m u l a t e da n d a n a l y z e db yu s eo fm a t l a bt o o l s ，i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c e so ft h ee x t r a - c a v i t yp h a s eo nt h e f r e q u e n c y , p o w e ra n dl i n e w i d t ho ft h eo u t p u tl i g h ta sw e l la st h ed e p e n d e n c e so ft h es m i s i g n a l so nt h ev i b r a t i n go b j e c tm o d u l a t e db yd i f f e r e n tw a v e f o r m ss u c ha ss i n e ，t r i a n g u l a ra n d s a w t o o t hw a v e s f o u r t h l y ，t h es y s t e mb a s e do nl a s e rd i o d es m le f f e c t h a sb e e n d e s i g n e da n dt h e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls e t u ph a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ev i b r a t i o ns e n s i n ga n dm e a s u r i n g e x p e r i m e n t sh a db e e nc a r r i e do u tb yc h a n g i n gt h ee x t r a c a v i t yl e n g t ho ft h el a s e rd i o d ea n d t h e f r e q u e n c y , a m p l i t u d e a n dw a v e f o r mo ft h e v i b r a t i n go b j e c t ，r e s p e c t i v e l y t h e c o r r e s p o n d i n gs m is i g n a l sh a db e e no b s e r v e de x p e r i m e n t a l l ya n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a d b e e na n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r eg o o di na c c o r d a n c ew i t ht h es i m u l a t e dr e s u l t s l a s t l y , a ni m p r o v e dv i b r a t i o ns e n s i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nl a s e rd i o d es m i e f f e c th a sb e e nd e s i g n e ds oa st oe n h a n c et h em e a s u r e m e n tr e s o l u t i o n ；t h ef e a s i b i l i t yh a sb e e n t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d k e y w o r d s ：l a s e rd i o d e ；s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c e ；l a s e rs e n s o r ；v i b r a t i o nm e a s u r e m e n t ； o p t i c a lf e e d b a c k 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 禹磊伊7 年月z 罗b 学位论文使用授权声明 本人岛纽在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：t ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：；红 导师签名： 论文作者签名：l 聋j 缸 导师签名：礁呛星2 7 年弓月3 0 e t 1 绪论 1 绪论 1 1 激光振动测量技术研究现状 近年来，随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及大量应用，物体的微小位移 与微小振动精确测量的研究工作引起人们广泛的重视。光学测量作为一种重要的非接触 式无损测量技术，具有结构简单、精度高、抗电磁干扰、动态范围大、耐高压、耐腐蚀、 能在易燃易爆的环境下可靠运行等优点，在计量测试技术领域中一直占据主导地位。 常用的光学振动测量方法有全息法、激光三角法、干涉法、激光多普勒效应法、光 纤与微机电( m e m s ) 法和散斑法等。对于微小振动测量，三角法结构简单，但要获得高 精度测量就要使用对位置高度敏感的传感器；全息干涉法分辨率和灵敏度高，但调整安 装困难，操作过程复杂；多普勒效应测振法是从物体的散射光中得到测量信号，会引起 较大的测量误差，要提高测量精度，必然导致后续处理电路复杂；光纤和m e m s 结合的 测量方法可以说是目前精度最高的( 可以达到0 1 m n ) ，但结构复杂，很难推广应用；光 强法是一种结构简单、信号处理方便、成本较低的方法，但易受光源和外界环境干扰的 影响，精度不高：下面对几种常用的光学振动测量方法作简要介绍： ( 1 ) 全息测振法 全息法“1 是将相干光束的一部分作为参考光波，其余部分投射到物体上并被其反 射作为物光波，两光波相遇产生干涉，所形成的干涉场反映了被测物体的振动情况，该 干涉场由照相底片记录经过适当显影形成全息图。全息干涉测振可以对整个振动面上的 点位置进行测量，通过比较不同时刻的全息干涉图，就能够描绘出被测振动面上各点的 振动情况。其最大特点就是可以进行面测量，同时获得多点的数据。在提出全息技术后， 发展了全息振动测量法，用全息干涉技术可以对物体振动进行非接触的全场同时测量， 但由于传统的全息干涉法必须利用银盐干板作记录介质，需要对全息图照相及冲洗等处 理，操作过程复杂，再加上条纹图的处理极其费时，不能实现实时测量，实际应用比较 困难。 ( 2 ) 激光三角测振法 激光三角法“1 是利用几何光学成像原理，将激光器发出的光经发射透镜汇聚于被 测物体表面形成入射光点，该光点通过接收透镜汇聚于光电探测器上，形成像点，使用 对位置敏感的传感器( 如位置敏感元件p s d 、c c d 等) 就可接收到这一信息。当入射光 点与该光学结构产生相对入射光轴方向的振动或位移时，引起像光点在感光面上发生位 移，从而引起光电探测器输出电信号的变化，根据电信号的变化量可求出像点唯一的变 化量，通过信号处理可得到被测目标位移或振动信号。 该方法测量精度小于l o # m 。这种方法具有非接触、结构简单等优点，发展比较成 熟，特别适用于工业现场安装使用。由于像点的变化量与光电探测器感光面的有效长度 西安理工大学硕士学位论文 成正比，并与光电流的变化量有关，因此该方法的测量范围和分辨率受限于光电探测器 的尺寸和灵敏度。另外，该方法的工作距离受限于发射透镜的焦距，因此不适于测量远 距离处的微小振动。为扩大量程，近年来，有人提出使用平行光照射被测目标的方法。 该方法的量程从理论上没有限制，在实际测量范围达到l o o m m 左右性能仍然理想，其 测量精度达到l o z m 以下。 ( 3 ) 激光散斑测振法 激光散斑振动测量技术n “是利用激光的高相干性，当激光照射到物体粗糙光学表 面时将产生散斑场，该散斑场是被测物体表面信息的载体，记录下该散斑场并利用数字 图像处理技术，就能以干涉条纹的形式得出被测信息的等高线，通过条纹判断便能得出 振动物体的位移。在散斑干涉法中，为减少环境扰动的影响，一般采用多帧干涉图取平 均的方法，但这并不能从根本上解决扰动问题。如不引入参考振动，利用散斑干涉法只 能对物体的振动特性进行定性分析，若要对振动进行定量分析，则需要在参考光路中引 入与振动源同频的正弦调制，且测量误差较大，因此散斑干涉法适用于测量频率已知的 振动信号，实现对物体振动特性的分析，故该方法测量应用范围和精度有限。 光强测振法 光强测振法“1 是利用被测目标相对投射光束，或反射光束相对探测光路的位置变 化导致探测光强的变化来探测振动。该方法既可以是接触式的，也可以是非接触式的。 由于光强法具有结构简单、信号处理方便、成本较低等优势，使得这种方法在各种场合 都有广泛应用。近年来，光强法与光纤的结合日益紧密，光强法的简单与光纤的灵活相 结合，进一步拓展了应用领域。光强法的主要局限在于光强易受光源和外界环境干扰的 影响，精度不高。最近，对光强法的改进主要集中在如何提高抗干扰能力上。一般采用 的方法有多光束、多波长等。目前，光强法测量振幅的分辨率一般在微米量级，测量范 围在l 1 0 m l n 左右。 ( 5 ) 激光多普勒效应测振法 多普勒测量1 无须干涉仪组件，可精密装配。多普勒频移与被测速度矢量呈线性 关系，不受环境条件影响，适于研究任何复杂的物体运动。因此，激光多普勒技术也是 一种高精度动态测量方法。通常多普勒信号都是从被测物体的散射光中获得的，信噪比 低，且包含有光源、运动速度、接收器之间的角度因素，会引入较大的测量误差。对振 动特性( 如振幅) 的计算方法通常是，信号中的每一个差拍波对应一个位移当量值，通过 对相邻两个翻转点之间的差拍波的个数进行计数获得被测振幅，这种方法不能得到小于 当量值的位移，其测量分辨率很低。林德教等人提出了基于位移测量正弦差拍波的细分 方法来提高测量分辨率，但当测量振动时差拍波不再是正弦信号，这种方法会产生相当 大的误差。另外，当被测振幅小于1 2 个位移当量值时，细分方法无法得到振幅值。杜 振辉等人又提出了基于激光光栅多普勒效应的微振动测量系统。他们通过对差拍信号的 频率进行分析，以峰值频率比值的方法可以排除干扰获得被测振动频率，找到振动的翻 2 1 绪论 转点并判断振幅的大小；推导出在翻转点附近的微小位移与电压值的关系，对于小于计 数当量值的位移由测量电压得到，提高了微小振动位移的测量精度以及系统测量的最小 分辨率、动态范围。实验系统的频率范围为0 5 5 0 0h z ，振幅为2 0 n m 1 0 m m ，相对误 差小于1 ，其动态范围大于1 0 0 d b 。 ( 6 ) 光纤与m e m s 测振法 光纤的应用使光电振动传感器的结构布置更加灵活，抗干扰能力大大提高。光纤可 将光束经过各种路径导入到被测目标上，很适合复杂结构空间和环境条件下的振动传感 测量。前述的各种测量方法都可与光纤结合，构造出各种各样的光纤传感器。光纤不仅 可以作为光传输介质，还可直接作为敏感元件来感受振动。微机械产品或微型电子机械 系统正越来越广泛地应用于科研和生产的各个领域。特别是在传感器领域，由于其微型 化和集成化的特点，m e m s 产品己显示出强大的生命力。 光纤与m e m s 技术相结合的振动传感器“1 成为振动传感领域的一支新秀。在这 些微光机电传感器中，光纤有时作为传光介质，为传感器提供光连接，传感器内部的电 信号经由发光二极管转变为光信号，再输出到外部设备，这样可以大大减小外界的电磁 干扰对测量结果的影响。光纤有时也用来构造光路，成为集成传感器的一部分，作为悬 臂梁感受外界振动，引起通过光纤的光强变化，测量此光强变化就可以实现振动传感。 这样的全光集成传感器对外界电磁干扰具有更好的免疫能力，也适用于许多避免使用电 信号的场合。 干涉测振法 传统干涉法“1 是指迈克尔逊干涉法、马赫曾德干涉法等传统原理和光路结构的干 涉方法以及它们的变形。在传统干涉测量方法中，迈克尔逊干涉法是最常用的。在振动 测量中，该方法也是使用最广泛的。在最近对传统干涉测量方法的改进中，主要侧重于 抗干扰能力的增强、精度的提高以及简化易用。在对振动进行测量时，如何实时地消除 干扰和进行补偿一直是一个主要问题，因此，多波长、多偏振态、多位相差等处理方法 得到了应用。外差干涉是消除外界扰动的有效方法，也是普遍采用的方法。干涉法是以 波长为单位的非接触精密测量方法，应用范围广，同时也具有极高的重复性。使用该方 法可以对微小振动进行高精度测量，但由于它的高灵敏性使环境扰动的影响非常突出， 尤其在光程质量不理想时，测量将无法进行。另外，在用干涉法对振动进行测量时，大 多数是将光束正入射于物体表面，并将其反射光作为检测光与参考光相遇形成干涉场， 再对干涉场进行处理得到所要测量的振动信息。但在实际应用中很难保证入射光垂直于 被测物体表面，再考虑目标物体表面的不平整，由目标物返回的检测光与参考光将不能 很好的重合，如果两束光偏差太大就不能形成干涉，这将使测量无法进行。为了解决这 一问题，人们先后发明了机械式位相调制补偿法、光波频率调制补偿及将光调制和机械 补偿相结合的方法。 近年来，激光自混合干涉技术越来越引起各国学者的关注，激光自混合干涉”1 3 西安理工大学硕士学位论文 ( s e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c r _ s m i ) 是激光干涉技术中的一种，是指在激光应用系统中， 激光器输出光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔，与腔内 光混合后，调制激光器的输出功率，因输出信号特点与传统的双光束干涉信号有相似之 处，故被称为自混合干涉。激光s m i 技术可用于位移、速度、距离和振动测量。由于系 统仅有一个干涉通道，结构简单、紧凑，且系统易准直，解决了激光干涉系统尺寸庞大、 光路复杂等问题。特别是引入光纤耦合后，系统光路更易准直，且信噪比大大提高。激 光s m i 振动测量与传统的干涉仪具有相同的相位灵敏度，通过对s m i 信号的解调可以 获得很高的测量精度。 1 2 激光自混合干涉( s m i ) 的特点 与传统双光束干涉相比，s m i 具有以下特点m “： ( 1 ) s m i 同传统的干涉仪具有相同的相位灵敏度，而且由于其结构简单、紧凑、易准 直等独特优点，使得其在很多应用场合取代传统干涉仪。 ( 2 ) s m i 不依赖于光源的相干长度。和传统干涉仪相比，这是s m i 技术的一个显著 特点。 ( 3 ) s m i 技术能够识别目标靶的运动方向。在适度光反馈水平下，自混合干涉信号是 非对称的类锯齿波形，倾斜方向敏感于目标靶的运动方向，无需任何附加元件，自混合 干涉信号本身就含有方向信息。当目标靶远离激光器时，条纹向右倾斜；当目标靶靠近 激光器时，条纹向左倾斜。这为位移、速度和振动测量的方向辨识提供了新的方案。 ( 4 ) s m i 现象不受系统采用的单模或多模光纤的影响。这解决了反馈光的耦合问题， 并使光路更易准直，系统造价低，可以较大提高信噪比。 ( 5 ) s m i 不依赖于激光类型。因此，传感系统可用廉价的、低相干的激光器。 综上所述，激光s m i 技术是一门新兴的干涉测量技术，它可用于位移、振动和速度 测量，从而形成一个崭新的有深远应用前景的领域。经过与其它各种振动测量方法相比 较，s m i 测量具有以上诸多优点，所以本课题选用激光s m i 技术来实现振动传感测量。 1 3s m l 的理论与应用研究进展 在激光应用系统中，许多因素会对激光器产生光反馈。所谓光反馈是指激光器输出 光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器谐振腔的现象。如准直透镜 等光学元件、光探测器表面等的光反射、光学非线性效应的背向散射光等。反馈光作用 的结果严重影响激光器的输出特性，当反馈光达到一定强度时，会引起激光器谱线展宽， 模式不稳定，甚至会出现相干猝灭现象。这种反馈光引起激光器输出特性发生变化的现 象称为光反馈效应。 由于较强的光反馈可严重影响激光器的输出特性，所以光反馈对激光器应用系统的 影响一直备受关注。起初，人们总是试图消除光反馈的不利影响，因此研究者特别关注 4 1 绪论 光反馈引起的光噪声、谱线展宽、相干猝灭等现象的研究。随着研究的深入，开始主动 利用光反馈效应获得被测物体信息。主要应用在谱线压窄和s m i 测量两个领域。 1 3 1s m i 的理论研究进展 最早观察到的s m i 现象仅表现在激光功率的波动上。由于激光功率波动信号类似于 传统的双光束干涉信号，研究人员大都借用传统干涉理论去解释s m i 产生的机理。l a n g 和k o b a y a s h i 的研究工作奠定了s m i 理论的研究基础。当外反射体与激光器的距离小于 激光器的相干长度的一半时，将激光器和外反射体作为复合腔激光器，给出了描述外腔 半导体激光器的速率方程，实验中观察了注入电流的波动及外腔的波动引起激光强度的 波动现象；理论上分析了激光器的稳态特性和动态特性，特别是带外腔的单模激光器可 以存在多稳态并出现迟滞现象。以后该领域的研究文献几乎都引用了他们的相关结论。 下面简要介绍一下s m i 理论的研究进展。 1 9 6 3 年，k i n g 和s t e w a r d 首次报道了他们在实验中发现一个可动外部反射镜引起 激光强度波动类似于传统的双光束干涉现象的结果f 1 6 他们所观测到的现象奠定了s m i 的基础。其特点为：输出一个完整干涉条纹对应于外部反射体移动 2 ，其中九为激光波 长。由此，光反馈的这种效应引起很多学者的兴趣，人们开始探讨该现象产生的物理本 质及有效利用这种现象进行物理量测量的方法，并逐渐统一用术语“背向散射( b a c k r e f l e c t i o n ) ”、“光回馈( o p t i c a l - f e e d b a c k ) ”或“自混合( s e l f - m i x i n g ) ”来描述。 1 9 6 8 年，r u d d 用简单的放大模型，分析了外部反馈光引起h e n e 激光器的强度调 制 1 6 1 。此时，激光器不仅是一个光源，同时也作为一个混合振荡器，完成了速度测量。 1 9 8 8 年，j e n t i n k 等人利用半导体激光器进行速度测量时，假定激光腔的光同反馈光 是相干的，用经典的干涉理论解释了强度调制。对于早期在弱反馈强度下的s m i 研究， 上述理论能够圆满解释实验现象。 由于s m i 系统是单通道光路，其简单、紧凑、易准直等特点迅速得到广泛应用，并 由弱反馈光强度到适度反馈光强度，但在适度反馈光强度下观察到的现象已不同于传统 的干涉信号。1 9 8 7 年，s h i m i z u 在使用s m 仪进行多普勒测速时，观察到较强光反馈时 激光器输出强度信号为一类锯齿波，且该信号的倾斜方向与多普勒速度方向有关。信号 频谱不仅包含对应于d o p p l e r 频移的基频分量，而且包含其各次谐波分量。这一现象引 发了研究人员重新探讨s m i 的机理。 锯齿波干涉条纹现象说明s m i 同传统的双光束干涉存在着差别。既然s m i 效应来 源于光反馈，也许从光反馈角度分析其机理可能有新的发现。1 9 8 8 年，g r o o t 等人对锯 齿波干涉信号的产生机理分析正是基于这种观点。他们提出了用三镜f p 腔模型结构等 效s m i 系统。他们给出了系统输出光强的数学表达式，并分析了s m i 测距和测速的结 果，解释了类锯齿波现象。其模型分析结果同实验结果吻合。自此以后，s m i 的理论研 究摆脱了传统的双光束干涉理论。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 9 9 0 年，c - r o o t 又采用多模半导体激光器探讨了激光s m i 效应，首次分析了双模半 导体激光器的强度调制原理，为多模半导体激光器的s m i 机理的探讨和应用打下了基 础。 1 9 9 1 年，k o l i n k 等人利用半导体激光器探讨了激光自混合效应来测量动物体内血液 流速。他们提出了一种理论模型，即反馈引起了激光器内部某些参数的变化，从而调制 了激光器的输出强度。但是，该模型仅针对实验系统，不是普遍模型。 1 9 9 2 年，w m w a n g 在研究光纤耦合激光多普勒测速仪( l d v ) 时，发现当反馈光 强度较高时，多普勒信号的频谱与传统的多普勒信号频谱不同，而是含有高次谐波，自 此说明s m i 现象用传统的干涉理论难以解释，因为光反馈同时影响到激光器的阈值和谱 线特性。 1 9 9 4 年，w m w a n g 试图对s m i 现象作出完善解释。他根据f - p 腔稳态激发条件建 立模型，认为反馈光引起激光器增益的变化，导致对输出强度的调制。同时，谱线的变 化决定了信号波形的形状及干涉的相干特性。这一结论很好地解释了现在的s m i 现象， 但是比较多的是定性说明，缺乏严格的数学描述，且有部分实验现象不能解释。 1 9 9 6 年，r c a d d y 利用双镜等效模型对位移干涉信号相位特性进行了初步分析， 仅指出信号相位具有非线性的特点，缺乏全面的理论分析。 迄今为止，s m i 机理的研究方法主要分为三类：传统干涉理论法，该法适用于弱 反馈光强度，并假定弱反馈激光不改变激光器特性；复合腔激光特性分析法，要求外 腔光程小于激光相干长度，且激光器运行在单模条件下，不考虑多重光反馈；注入锁 定分析法，该法仅局限于弱反馈光强度 1 2 , 1 7 , 1 8 。 1 3 2s m i 的应用研究进展 从2 0 世纪8 0 年代开始，人们将s m i 原理应用于测量领域。最初是研究激光多普勒 速度测量仪，后来逐渐开始了对距离、位移等物理量的测量，并不断扩大测量研究领域， 如光学器件或光学系统的特性测试、振动测量、探伤研究、平直度测量、形貌测量、散 斑测量以及一些医学应用，如血液流速测量、光学相干成像( o c r ) 等。尤其是与大规模 集成制造技术结合，利用表面微机械技术，使微光学动力系统集成在单片半导体基片上， 向微型传感器发展。近年来也有人通过对半导体激光器( l d ) 泵浦固体激光器内自混合 现象的研究，发展高灵敏度微片激光传感器。 随着微机械技术的迅速发展及大量应用，对机械部分的微小位移和振动进行精确测 量就越来越重要。光学干涉测量技术作为一种非接触式测量技术，具有精度高、稳定性 好及结构简单等优点，因而得到了广泛应用。由于l d 具有稳定的单模输出、波长可调 谐、低电流损耗以及尺寸小、价格低等优点，在光学干涉仪中己被广泛地用作光源。利 用半导体激光器的波长可调谐性，对它的输入电流进行直接调制，很容易实现测量精度 较高的光外差干涉技术。在使用半导体激光的正弦相位调制( s p m ) 干涉仪中，通过对半 6 1 绪论 导体激光输入正弦电流信号，可实现干涉信号的正弦相位调制。相对于传统的外差干涉 仪，使用半导体激光的正弦相位调制干涉仪体积小、结构紧凑，相位调制简单、精确， 所以这种干涉仪得到了很大的发展n “2 0 1 。 s m i 测量技术主要采用条纹记数法、相位测量法、外差干涉法、相位锁定测量法等。 条纹记数法量程大，但分辨率低，如果利用s m i 条纹的倾斜特性，通过计算机软件对条 纹信号进行细分处理，不仅可以提取位移信息，而且还可大大提高分辨率；相位测量法 精度高，但测量范围小；外差干涉法要求激光器产生两个稳定频率，构成外差方案，虽 然结构上复杂，但可以进行位移矢量测量；引入相位锁定法，系统性能稳定，可直接获 得位移、振动的线性测量，适用于快速、实时、高精度测量场合。近年来，s m i 条纹倾 斜特性的发现及计算机计算速度的大幅度提高，使得条纹记数法更具测量优势。下面对 s m i 测量的常用方法进行简要介绍。 ( 1 ) 条纹计数法 s m i 测量最直接和简单的方法就是条纹计数法 2 1 1 首先使得半导体激光器工作于中 等回馈水平，此时其s m i 条纹为类锯齿波形状，锯齿波形状是因半导体激光器在中等回 馈水平下的双稳态而获得，故对此时的类锯齿波信号进行微分处理，可以直接获得正脉， 冲和负脉冲，脉冲本身可以直接用于计数，而脉冲的正负则作为计数加减的条件。 【b ) 图1 - 1 条纹计数法信号处理图( a ) 信号处理电路；c o ) 处理信号 f i g 1 1t h es i g n a lp r o c e s s i n go ff r i n g ec o r r a l ( a ) t h es i g n a lp a r e s s i n gc i r c u i t ；( b ) t h ep r o c e s s i n gs i g n a l 具体的信号处理见图1 - 1 2 “所示。图1 - 1 ( a ) 为信号处理电路；图1 - 1 ( b ) 中，上图为 s m i 信号，下图为微分后的脉冲信号。由于外界反射物每移动半个光波长，产生一个s m i 条纹，故系统的分辨率为半个光波长，例如对于7 8 0 r i m 的半导体激光器，分辨率为3 9 0 r i m ， 最大测量长度取决于激光器的相干长度。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 相位测量法 相对于条纹记数法，相位测量法精度较高，但测量范围受限。测量精度受限于相位 测量设备。1 9 9 4 年，w m w a n g 提出用双激光管结合光纤组成的波长合成法位移测量系 统镏1 ，提高了相位测量法测量位移的量程。波长合成法位移测量系统如图1 2 所示。 图1 - 2 波长合成法位移测量系统 f i g 1 - 2t h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e mo fw a v e l e n g t hs y n t h e s i s 该装置能够产生一个大于任何一个单管波长的合成波长。两管共用一个外腔反射体， 反射体的移动使两个激光器的输出频率均发生改变。由于频带较窄，每个激光器仅响应 自己的反馈光，而不受另一个激光器的干扰。这一特点可避免光或电的多路复用元件， 使自混合型波长合成系统比传统的波长合成系统结构大大简化。结果表明最大位移测量 范围可扩展到1 5 0 士7 5 m ，是单管量程的5 5 0 倍。 ( 3 ) 外差拍频法 该方法应用于小位移实时测量。双稳频h e - n e 激光器构成的自混合型外差位移测量 系统 2 3 1 如图1 3 所示。 图1 - 3 外差拍频位移测量系统 f i g 1 - 3t h ed i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e mo fh e t e r o d y n eb e a tf r e q u e n c y 双稳频激光器提供两个正交频率，经棱镜偏光器分成两束，其中一束用做参考光束， 另一束直接投射到被测物体表面，作为测量臂，携带位移信息。由于一部分光反馈回激 光腔，调制垂直光成分，最后，两束光汇集在光电探测器上形成外差拍频信号。由于反 馈光的作用，拍频信号是个调幅、调频波。经过低通滤波，可得到幅值波动信号( 即对应 位移信号) 。 8 1 绪论 ( 4 ) 相位锁定测量法 利用相位锁定技术嘲1 ，可消除系统机械扰动，锁定系统信号相位，获得稳态测量。 应用相位锁定技术于s m i 位移测量系统中，结构简单、紧凑，无需任何后续的信号处理， 直接完成位移的实时线性测量。测量原理如图1 4 相位锁定型s m i 仪。 自准直透镜分光镜反射镜p z t 图1 _ 4 相位锁定型s m i 仪 f i g 1 - 4s e l f - m i x i n gi n t e r f e r o m e t e ro fp h a s e l o c k e d 图中，p z t 运动时，改变光波相位，光电探测器探测到激光器输出光强变化，与系 统设定的参考量比较后，其差值信号反馈到激光管注入电流，引起激光频率波动，用于 补偿位移引起的信号相移，系统稳定时，注入电流表征了p z t 的运动特性。 1 4 课题研究目的及主要内容 近年来，随着微机械技术和精细加工工艺的飞速发展及大量应用，有关物体的微小 位移与微小振动精确测量的研究工作引起人们广泛的重视。光学干涉测量方法作为一种 重要的非接触式、抗电气干扰、无损探测方法，具有结构简单、精度高、易于实现等优 点，得到了广泛应用。激光s m i 测量是近年来兴起的一门新的干涉测量技术，越来越引 起各国学者的关注。系统仅有一个干涉通道，结构简单、紧凑，且系统易准直，解决了 激光干涉系统尺寸庞大、光路复杂等问题。在光学干涉测量仪中经常使用半导体激光器 ( i d ) 作为光源，这是因为l d 具有相干性和稳定性好、体积小、价格低及耗电少等优点， 特别是它的波长可调谐性，大大简化了干涉仪的构造。所以，本文采用l d s m i 技术来 实现振动传感测量。 本课题的研究内容： ( 1 ) 对s m i 现象的机理进行理论研究。由三镜f - p 腔理论和速率方程理论分别推导出 系统的稳态条件和输出光频率的求解方程，从而建立s m i 的数值模型，并且推导出s m i 测量具有与双光束干涉测量相同的相位灵敏度。 ( 2 ) 揭示信号条纹倾斜的原因及信号倾斜方向翻转的原因，分析反馈强度和线宽展 宽因子对s m i 信号条纹倾斜的影响。 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过m a t l a b 仿真分析s m i 振动测量系统的基本特性，包括外腔相位对输出光频、 输出强度、输出功率、谱线宽度的影响，以及正弦波、三角波和锯齿波调制反射体振动 时输出s m i 信号的变化规律。 设计s m i 振动传感测量方案并建立s m i 测振的实验系统。 ( 5 ) 调试实验系统，观察s m i 现象。依次用正弦波、三角波和锯齿波调制扬声器振 动，观察s m i 信号变化规律并同仿真