采用数字调谐激光器的光纤光学相干测距仪的研究

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非接触、高精度、无导轨的绝对距离测量技术在计量科学领域与工业应用领域有着重要的理论价值和实用意义,因此基于激光频率扫描干涉的绝对距离测量技术受到广泛研究。由于现有的基于该原理的测距系统大多采用连续来回扫描的调谐激光器作为光源,应用透镜系统搭建干涉光路,并且实现高精度测量时需要附加波长定位器,因此这种测量系统存在着体积大、光路对准要求高、被测目标需要安装反射镜等缺点。本论文针对这些问题,在分析了基于频率扫描干涉绝对距离测量技术的原理和数据处理方法的基础上,设计了采用数字调谐激光器的光纤光学相干测距仪。论文研究的测距仪由数字调谐激光器、光纤干涉光路、信号采集电路以及PC机组成。采用数字调谐激光器作为扫描光源,所输出激光的频率可以设定且定位十分精准,因此无需另设波长定位器就可以实现高精度测量。选用单模光纤及相关光纤器件搭建干涉光路,并设计了带有参考反射面的集成光纤相干传感器作为测量探头,根据光纤纤芯的空间滤波特性和光的漫反射特性实现了对非光学表面的直接测量,并降低了测量光路的对准要求。信号采集电路包括ARM控制板和八路采集板,其中八路采集板实现8通道干涉信号的光电转换和AD采集;ARM控制板以STM32为主控芯片,实现对数字调谐激光器的控制,并将AD采集的干涉信号数据通过以太网转发给PC机。PC机上通过LabVIEW编程实现干涉信号的分析与距离值的计算。对所制作的光纤光学相干测距仪样机进行了测试。实验表明该测距仪的量程达到30mm,测量的重复偏差值小于0.002%,可以对金属、塑料等非光学表面进行直接测量,且允许测量光路存在一定的角度偏差。同时测距仪拥有体积小、集成度高、可多通道远距离测量等优点,在工业自动生产中有着很好的应用前景。
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