激光外差多普勒二次谐波测厚方法研究

摘要

玻璃质量的一个重要指标就是玻璃厚度。目前应用较广泛的玻璃厚度测量方法,可以满足一般玻璃厚度测量的要求,但是在精度要求比较高的玻璃厚度测量方面,以及玻璃制品生产的在线监测等方面,应用这些方法基本不能实现测量。目前可以实现这类特殊测量的方法成本比较高,不适合推广。
　　 应用激光外差技术和激光多普勒技术相结合的激光外差多普勒测量方法可以实现玻璃厚度的高精度检测和在线监测,但是在测量较薄玻璃的厚度时,由于玻璃厚度较小,导致一次频差太小而不易被检测,所以本文提出应用二次谐波测量方法,检测二次差频,以实现薄玻璃厚度测量。
　　 二次谐波测量方法应用激光多普勒效应,使得经多普勒振镜反射后的激光的频率随时间的变化而变化,频率变化后的激光照射到玻璃,由于玻璃厚度存在,使得激光在玻璃前表面的反射光与其之前时刻经后表面反射一次或多次并到达前表面的激光光程不等,所以各束激光是由振镜在不同时刻反射的,其频率不同。各束激光于玻璃前表面混合产生混频信号。光电探测电路将接收到的混合光信号转化为电信号,滤波放大后,得到二次谐波差频电信号,由信号处理电路对此电信号进行快速傅里叶变换,抓取主频获得二次谐波频差,从而计算得到玻璃厚度。
　　 本文根据方法的理论计算,对测量系统进行MATLAB仿真,仿真结果分析表明方法对玻璃厚度小于1mm的测量误差范围为±0.006mm,相对误差最大值为6％。结合前期的实验研究,对激光外差多普勒一次差频测厚方法测量系统的设计以及实验结果进行分析。
　　 得出结论:测量系统中多普勒振镜的振动能引起光电探测器接收到的差频信号光的频率变化;待测玻璃的厚度的大小与光电探测器接收到的频率相关,信号光频率随玻璃厚度变大而增加。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 玻璃制品的发展概况

1.2 玻璃厚度的重要性

1.3 方法提出的目的与意义

1.4 本章小结

2 玻璃厚度测量技术

2.1 传统测厚方法

2.2 电学测厚技术

2.3 超声波测厚技术

2.4 激光厚度测量技术

2.4.1 激光透射厚度测量方法

2.4.2 激光折射厚度测量方法

2.4.3 激光反射厚度测量方法

2.4.4 变频激光测量方法

2.5 本章小结

3 激光多普勒技术和激光外差检测技术

3.1 激光多普勒技术

3.1.1 激光多普勒技术基本原理

3.1.2 激光多普勒技术特点

3.1.3 激光多普勒技术典型应用

3.2 激光外差检测技术

3.2.1 激光外差检测技术原理

3.2.2 激光外差测量技术特点

3.2.3 应用现状

3.3 激光外差多普勒测量技术

3.4 本章小结

4 激光外差多普勒二次谐波玻璃厚度测量方法

4.1 测量方法概述

4.1.1 激光多普勒振镜原理

4.1.2 激光差频信号原理

4.1.3 激光差频信号处理

4.1.4 激光外差多普勒二次谐波测厚法

4.2 测量系统分析

4.2.1 振镜控制信号

4.2.2 光场信号计算

4.2.3 信号处理

4.3 误差分析

4.4 本章小结

5 仿真实验

5.1 仿真过程及结果

5.1.1 仿真建立

5.1.2 仿真结果

5.2 误差分析

5.3 本章小结

6 激光外差多普勒测厚系统

6.1 激光外差多普勒系统整体框架

6.2 基本模块设计

6.2.1 多普勒振镜控制模块

6.2.2 光电检测及信号预处理模块

6.2.3 电源模块

6.3 激光外差多普勒测厚方法实验结果

6.3.1 实验准备

6.3.2 实验结果及分析

6.4 本章小结

7 全文总结

致谢

参考文献

附录A 激光外差多普勒测厚方法仿真程序

附录B 多普勒振镜控制信号产生程序

攻读学位期间发表的学术论文