单频激光干涉仪非线性原位校正与干涉光强自适应技术

摘要

单频激光干涉测振技术由于测量装置可集成、测量结果易溯源等方面的优势，在振动测量领域具有广泛的应用前景。近年来，单频激光干涉测振方法的应用领域不断扩展。在振动测量领域，由于被测对象的多样性使得测量表面的反射率差异很大，同时对更微小的振动也提出测量要求，这要求单频激光干涉测振技术向着宽测量范围和反射率自适应方向发展，并提出高精度、高分辨力、高测量速度的测量需求。
　　课题“单频激光干涉仪非线性原位校正与干涉光强自适应技术”，主要针对两个问题开展研究。一方面，针对单频激光测量微振动时非线性误差无法修正导致测量结果差异很大的问题，在原有周期非线性误差在线校正方法的基础上，提出了针对微小振动测量的非线性原位校正技术，解决了微小振动测量中非线性误差问题，实现了系统在不同振动幅度下的高精度测量；另一方面，针对被测物体测量表面反射率不同、不同应用系统激光功率不同以及远距离测量带来的光强损耗等问题，本课题提出了一种基于干涉光强测量的增益自适应方法，从而实现了不同场合下的高分辨力、高信噪比、高精度测量。同时，鉴于集成化、产品化的应用需求，研制了一体化的干涉仪光学平台以及信号处理卡。本文的主要研究内容如下：
　　在已有超精密单频激光干涉测量在线非线性校正技术的基础上，针对单频激光测量微振动时非线性误差无法修正导致测量结果差异大的问题，分析了不同测量振动幅度下非线性误差对测量结果的影响，指出了传统非线性误差在线校正技术的不足，在原有周期非线性误差在线校正的基础上，提出了针对微振动测量的非线性原位校正方案。利用ANSYS软件对本方案中设计的机械结构进行功能仿真，验证了实验方案的可行性。最终经过非线性原位校正机械结构的设计，激振驱动实现以及非线性原位校正的信号处理，实现了系统在不同振动幅度下的微小振动范围测量。
　　针对单频激光干涉仪测量对象不同时表面反射率不同、不同应用系统激光功率不同以及远程光强损耗等造成的干涉光强下降问题，提出了干涉光强度自适应的方法，研制了一种兼顾不同反射率测量的自适应单频干涉信号处理系统。对于自适应电路，一方面，提出了一种指数控制算法，解决自适应电路环路稳定时间随输入信号变化导致自适应调节时间不一致而无法确定控制时间的问题，保证了控制环路稳定时间的恒定。另一方面，提出双门限阈值调整方法，解决自适应单门限阈值调整容易使系统产生振荡的问题，保证了控制系统的稳定。实现系统高分辨力和高信噪比。
　　针对非线性原位校正方案，重新设计并搭建干涉仪光学平台，实现系统的小型化、集成化；针对干涉光强自适应技术，研制了单频干涉仪对应的信号处理卡，实现了高速采集以及高精度测量。
　　在上述研究的基础上，本文设计并研制了相应单频激光干涉测振系统。实验结果表明，本文研制的单频激光干涉测振仪在微小振动下，振幅最小可测量λ/316(λ=632.8nm)，残余非线性误差小于±2nm(≥λ/126)；自适应模块处理卡动态测量范围达0~20dB，最大测量速度达到1.58m/s，振动数据更新速率为40MHz。系统测试实验结果表明，在不同反射率下，自适应后信噪比大大增加，最大提高40dB，反射率范围达0.05%~100%时可测。在400Hz以下振动时，其测量相对误差在±0.6%以内。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 单频激光测振技术研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 非线性原位校正技术与机构设计

2.1 引言

2.2 单频激光干涉测振原理

2.3非线性原位校正技术

2.4非线性原位校正机构设计

2.5原位校正信号处理单元

2.6本章小结

第3章 干涉光强自适应技术研究

3.1 引言

3.2 干涉光强自适应方案

3.3 自适应控制算法单元设计

3.4 本章小结

第4章 系统设计及实验分析

4.1 引言

4.2 单频激光干涉测量仪系统实验平台

4.3 非线性原位校正验证实验

4.4 自适应处理卡平台测试

4.5 系统应用实验

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢