專利名稱:測量固體表面速度變化的光干涉儀的制作方法
本發(fā)明屬于測量表面速度變化的儀器。
金屬片在爆炸時的表面速度，大功率超聲設(shè)備振子振動速度，空氣炮靶運動速度等均需精確測量。目前已研制成功的測量固體表面運動速度變化的光干涉方法主要有1.零差干涉測速法干涉系統(tǒng)將光源發(fā)出的光分成參考光束和測量光束。參考光束射向固定參考鏡，經(jīng)反射，光頻率保持不變，測量光束射向運動表面，經(jīng)反射，光頻率產(chǎn)生多普勒頻移，兩束光干涉后產(chǎn)生拍頻信號。由信號檢測系統(tǒng)解調(diào)而求出物體表面運動速度的變化。此法檢測速度變化的范圍受光電探測器頻率響應(yīng)、信號檢測系統(tǒng)頻響的限制。以He-Ne激光器為光源時，能探測的速度變化一般不超過3m/s，以CO2激光器為光源時，不超過60m/s。能測量的速度變化范圍小。
2.外差干涉測速法外差干涉測速法是零差法的改進。采用光頻調(diào)制技術(shù)(聲光、磁光、電光等方法)，將一束頻率穩(wěn)定的激光變成兩束具有固定頻率差的激光束，並分別用作參考光和測量光。干涉后得出載在固定頻率差之上的多普勒頻移信號。由于它是外差檢測技術(shù)，所以既可測漫反射表面速度變化，又可測速度變化正、負方向。但它測速度變化的范圍與零差法完全相同，因此用He-Ne激光器為光源時，一般只能測量小于3m/s的速度變化。
3.速度干涉儀運動物體表面被光源直接照射，由于光學多普勒效應(yīng)，使反射光或散射光的頻率(或波長)隨速度而變化。用兩臂長度不等的馬赫干涉儀接收反射或散射光，通過干涉條紋的變化便可求出表面速度的變化。由于它實質(zhì)上是將干涉儀作高鑒別率光譜儀用，而干涉儀兩臂又不能做得很長，且過長將使光程差太大而降低干涉條紋對比度。因此此法限于測很大的速度變化，一般V＞200m/s-1000m/s。對光源的單色性和測量環(huán)境的穩(wěn)定性要求很高。
4.多光束干涉測速法此法與速度干涉儀法基本相同，只是利用法卜里-珀羅干涉儀代替馬赫干涉儀。缺點與速度干涉儀法相同。
5.差動激光多普勒干涉儀測速法兩束頻率相同的激光同時以不同角度θ1與θ2射向運動表面，其反射或散射光由θ3方向上的光電探測器接收。經(jīng)干涉取出兩束光在θ3方向上多普勒頻移之差，從而求出運動表面的速度。也可將θ3方向作為入射方向，由光電探測器接收θ1與θ2方向的散射光，經(jīng)干涉取出運動表面的速度變化。此法需要精確地調(diào)整及測定所有的方向角θ，且由于光路已固定，因此表面位移只能很小。測量對象限于大速度，小位移變化。
綜上所述，已有技術(shù)未能解決的問題有(1)不能用同一種方法測量3m/s-1000m/s速度變化，通用性差;
(2)對光源的單色性要求很高，所以只能用激光器作光源，成本高;
(3)對測量環(huán)境要求高，使用不便。
針對上述問題，本發(fā)明的任務(wù)是設(shè)計一種測量范圍大(能測3m/s-1000m/s的速度變化)，通用性好，對光源單色性要求低，(可用白光光源加干涉濾光片或普通單色光源)，成本低廉，使用方便，對測量環(huán)境要求不高的測量固體表面速度變化的光干涉儀。
本發(fā)明的中心內(nèi)容是在所設(shè)計的干涉儀中設(shè)置兩條長短相差很大的光路系統(tǒng)。由光源發(fā)出的光經(jīng)此兩條光路系統(tǒng)先后射到物體表面，時間差可視為固定值τ。且兩條光束的偏振態(tài)由偏振分光鏡和 1/4 波片的作用，分別為左旋園偏振光和右旋園偏振光。它們從固體表面反射回干涉系統(tǒng)時，又經(jīng)過 1/4 波片和偏振分光鏡，于是由長光路系統(tǒng)入射至表面的光束，經(jīng)短光路系統(tǒng)返回，到達光電探測器，而由短光路系統(tǒng)入射的光束則經(jīng)長光路系統(tǒng)到達光電探測器，于是消除了入射至表面時產(chǎn)生的時間差，實現(xiàn)了近似等光程干涉。干涉的拍頻信號由光電探測器接收，經(jīng)放大器送至瞬變分析儀或數(shù)字頻率計，由微處理機給出速度變化值。對正弦振動表面，還可用頻率比記數(shù)法測速，即由數(shù)字頻率計接收振動信號發(fā)生器的頻率與放大器輸出的光電信號頻率，經(jīng)頻率比運算，由微處理機給出速度值。
圖1、干涉儀主要部件方框圖圖2、干涉系統(tǒng)〔3〕的主要部件圖參照本發(fā)明的實施例。
以He-Ne激光器1為光源，發(fā)出的光經(jīng)起偏振器2成線偏振光，進入干涉系統(tǒng)3，由分光鏡14分成二束。一束經(jīng)分光鏡14至偏振分光鏡18組成的短光路系統(tǒng)，另一束經(jīng)分光鏡14，光導纖維的光耦合系統(tǒng)15、17，光導纖維16和偏振分光鏡18組成的長光路系統(tǒng)，然后共同經(jīng) 1/4 波片19，由透鏡4聚焦至表面5。
若長光路系統(tǒng)的光程δ(14)-(15)-(16)-(17)-(18)比短光路系統(tǒng)的光程δ(14)-(18)長Δ。
Δ＝δ(14)-(15)-(16)-(17)-(18)-δ(14)-(18)(1)則兩束光到達表面5的時間差τ為τ＝ (Δ)/(C) (2)式中C為光速。雖然物體表面也在運動，在τ時間里位置也要變化，但表面速度與光速相比較是極小量。故可認為τ時間內(nèi)表面沒有來得及變化。
由于兩束光到達表面的時間有差異，因此它們從表面5上帶回的多普勒頻率移動信息分別為
與
，
式中λ為光波波長，兩束光由表面5反射回干涉系統(tǒng)，由于 1/4 波片19和偏振分光鏡18的作用，使從短光路來的透過18的偏振光只能被18所反射而至長光路系統(tǒng)。反之由長光路中光導纖維消偏振的作用產(chǎn)生出能被偏振分光鏡18反射的偏振光，經(jīng)兩次通過 1/4 波片，變成只能被18所透射而至短光路系統(tǒng)。此兩束由表面5反回干涉儀的光到達光電探測器8時，因消除了原來的時間差τ而實現(xiàn)近似等光程干涉。圖中檢偏振器6用來消除兩束光中不同偏振方向的分量，光蘭7用來攔去雜光。
兩束光在光電探測器8表面上干涉，它們的振幅分別為
式中f0為激光頻率。干涉后，干涉信號光強變化I為I＝E21+E22+2E1E2cos〔Φ2-Φ1〕 (5)
放大器9輸出光電信號的交流變化量I為
應(yīng)用瞬變分析儀10及微處理機12測量交流信號的總位相變化Φ或交流信號的周波數(shù)N-即干涉條紋變化數(shù)，即可求出速度變化值。
Φ =0t2π(fd2-fd1)dt=0t4πλ〔V(t+τ)-V(t)〕dt (7)]]>假設(shè)τ時刻內(nèi)表面速度是勻加速變化，a為常數(shù)，即V(t+τ)-V(t)＝V(t)+aτ-V(t)＝aτ (8)則Φ＝ (4π)/(λ) ∫t0aτdt＝ (4π)/(λ) τ∫t0adt＝ (4π)/(λ) τ〔V末-V初〕 (9)交流信號的周波數(shù)N(即干涉條紋變化數(shù))為N＝ (Φ)/(2π) ＝ (2τ)/(λ) 〔V末-V初〕 (10)被測表面速度為V末-V初＝ (λ)/2 · 1/(τ) ·N (11)對于正弦振動表面如超聲波振子的速度變化，也可用數(shù)字頻率計11接收放大器9的信號頻率與振動信號發(fā)生器13的信號頻率，進行頻率比記數(shù)法測量，求出速度變化的峰值。
由式(11)知(1)此干涉儀中干涉條紋的變化與表面速度變化成正比，而普通干涉儀中干涉條紋變化與移動距離成正比。
(2)改變τ值可以改變被測速度變化的范圍，例如改變折射率為n的光導纖維的長度L，可方便地獲得長短光路系統(tǒng)的時間差值τ，
τ＝ (nL)/(C) ，若nL＝10m，τ＝3.3×10-8S，nL＝100m，τ＝3.3×10-7S，nL＝1000m，τ＝3.3×10-6S。
本發(fā)明即利用配置不同長度的光纖系統(tǒng)，較為方便地滿足各種不同測量范圍的要求。
權(quán)利要求
1.一種測量固體表面速度變化的光干涉儀。由光源、起偏振器、干涉系統(tǒng)、光電探測器及信號檢測系統(tǒng)所組成。本發(fā)明特征是從光源[1]發(fā)出的光。經(jīng)干涉系統(tǒng)[3]分成兩束，它們分別經(jīng)長光路系統(tǒng)和短光路系統(tǒng)，並先后到達固體表面[5]。其間具有可視為固定的時間差值τ。此兩束光從表面[5]反射回干涉系統(tǒng)時，各自經(jīng)過與入射光路長短相反的光路系統(tǒng)並到達光電探測器[8]，于是消除時間差τ而實現(xiàn)近似等光程干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的干涉儀，其特征是由分光鏡〔14〕、偏振分光鏡〔18〕構(gòu)成短光路系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述干涉儀，其特征是由分光鏡〔14〕光導纖維的光耦合系統(tǒng)〔15〕、〔17〕，光導纖維〔16〕和偏振分光鏡〔18〕構(gòu)成長光路系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述干涉儀，其特征是用多次反射系統(tǒng)構(gòu)成長光路系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的干涉儀，其特征在于應(yīng)用偏振分光鏡〔18〕和 1/4 波片〔19〕，實現(xiàn)經(jīng)短光路系統(tǒng)射向表面〔5〕的光束，反射回干涉系統(tǒng)時經(jīng)長光路系統(tǒng)到達光電探測器〔8〕，而由長光路系統(tǒng)射出的光束經(jīng)短光路系統(tǒng)到達光電探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的干涉儀，其特征在于光源〔1〕可采用普通單色光源或白光加干涉濾光片或激光器制作。
專利摘要
一種測量固體表面速度變化的光干涉儀。儀器中設(shè)置兩條長短不同的光路系統(tǒng)。光源發(fā)出的光分別經(jīng)過它們。以時間差τ值先后射到被測表面，當它們從表面返回干涉系統(tǒng)時，應(yīng)用光的偏振特性，使之各自經(jīng)過與入射光路長短相反的路徑到達光電探測器，于是消除時間差τ而實現(xiàn)等光程干涉，干涉條紋的變化正比于表面速度的變化。測速變化范圍3m/s-1000m/s。本發(fā)明具有量程大，成本低，使用方便的優(yōu)點。
文檔編號G01S17/00GK85104475SQ85104475
公開日1987年2月4日 申請日期1985年6月7日
發(fā)明者張仲先 申請人:浙江大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan