表面粗糙度、表面微观轮廓及微位移激光测量集成化方法的研究

通过研究激光散射法测量表面粗糙度、三角法测量微位移、干涉法测量表面微观轮廓三种几何量测量技术的共性,设计新型光路,将三咱光电测量技术集成为一个测量仪,使其成为采用同一光源、基本同一光路、同一光敏接收器的新型光电精密测量仪器,而同时具有三种测量功能。     

激光反馈干涉微位移测量系统的电路设计

针对激光反馈干涉微位移测量系统的光源驱动和干涉信号采集问题,设计了性能稳定的恒流源驱动电路和光电检测电路。通过仿真选择了合适的实验参数,驱动电流范围为23～35 mA,探测器的反向偏压范围为1.5～3.5 V,驱动微位移制动器的正弦信号频率为50 Hz,振幅为3～18 V。在实验中检测到了与理论分析相符的干涉信号,保证了同步准确的采样,输出信号满足系统要求。     

半导体激光器自混合干涉的调制及光电检测电路

根据半导体激光器自混合干涉微位移测量系统的要求,设计了电流调制半导体激光器和光信号检测电路．半导体激光器具有体积小、易调制等特性,因此在实验采用中心波长为650 nm的半导体激光器作为该微位移测量系统的光源, 从而使系统微型化、光路易准直;将半导体激光器的电流调制特性和自混合干涉原理相结合,使此微位移测量系统的测量精度远远高于传统干涉方法．在实验电路中利用集成运放特性实现对光源信号的调制和微弱信号的前置放大,并使用温度补偿及抗干扰技术,使输出信号满足系统要求．     

基于单频正交线偏振光的激光波长直接测量方法

提出了一种激光波长的直接测量方法,将对未知波长的测量转化为干涉条纹信号整周期计数和两路干涉信号相位差的测量,不需要参考光源,能实现激光波长的大范围高精度连续直接测量。介绍了系统的光路结构和激光波长直接测量原理,设计了基于FPGA的整数干涉条纹计数和小数干涉条纹相位差测量的干涉信号处理方法。对He-Ne激光器测量实验结果表明:激光波长测量误差小于0.27pm,测量不确定度为4.5×10-7,由此验证了该方法的可行性以及干涉信号处理方法的有效性。     

干涉型分布式光纤振动传感周界安防监测系统研究

针对长距离、大范围周界安防的需求,设计了复合干涉型分布式光纤振动传感周界安防系统。研究了光纤干涉方式实现振动传感的机理,为克服传统干涉结构两路传感光纤需等长且相互隔离的问题,提出采用Sagnac与Mach-Zehnder复合光路结构,通过测量干涉光强的变化还原调制光信号中的振动信号,实现对入侵行为的感知。实验结果证明,本系统的频率响应范围在100 Hz~20 kHz,可良好还原外界振动信号,在20 km的测试距离内,可灵敏感知外界扰动。     

基于CPLD的激光合成波长干涉信号处理方法

介绍了激光合成波长干涉纳米位移测量的原理,设计了基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的激光合成波长干涉纳米位移测量信号处理系统,包括信号前置处理电路的设计和CPLD信号处理模块的设计。采用VisualBasic自带的MSComm控件实现了PC机与CPLD之间的通信,对实验过程进行了实时监控。在恒温恒湿条件下,分别以5 nm和10 nm为步长进行了位移测量实验,实验结果表明:在测量镜移动0~200 nm范围内,测量结果线性相关系数分别为0.999 1和0.999 8,标准偏差分别为1.85 nm和2.54 nm,验证了所设计的信号处理系统能够实现纳米级位移测量精度的要求,具有较高的可靠性和实用性。     

双频激光干涉定位系统

阐述激光定位系统的原理、结构和应用,分析了系统误差。本系统具有双光路结构,定位误差小,光路中采用了光学二倍频,因此定位分辨率高;在电路中两路脉冲信号随时相减处理,使得数据处理速度快。运行和数据处理能够自动完成。     

微米和毫微米线量的激光干涉式测量

提出一种微米和毫米量级量的激光干涉式实时测量方法，分析了光路中应用直角双棱镜的作用和电路中消除振动影响的方法，列出实测结果说明方法正确的。     

激光外差干涉非线性误差的测量方法

为了调整激光外差干涉光路中的光学元件,减小或抑制测量非线性误差,研究了非线性误差测量的机理和方法.基于对激光外差干涉测量信号的频谱分析,提出了非线性误差的测量方法.根据建立的非线性误差与测量信号幅度之间的模型,计算出非线性误差一次谐波和二次谐波的大小,实现非线性误差的精确测量.实验结果表明,该方法可以有效地测量激光外差干涉的非线性误差.     

基于空间载波的单波长剪切散斑干涉面内面外变形导数同时测量方法

剪切散斑干涉技术是测量物体变形导数的重要方法之一。针对单波长双光束面内面外变形导数测量系统中的干涉图获取问题,提出了一种基于空间载波的单波长剪切散斑干涉的面内面外变形导数同时测量方法。首先设计了一种单波长剪切散斑干涉测量光路。在该测量光路中,激光垂直入射到待测物表面,采用两个光轴相互垂直的偏振片来保证两个观测方向的光束偏振态相互垂直;使用透镜-光阑组合的马赫-曾德剪切装置来实现剪切量和载波量的独立调整。然后在剪切量一致的情况下,引入两个不同的载波频率,实现剪切散斑干涉图的相位频率分量在频谱中的分离,并通过空间载波相移技术从记录的剪切散斑干涉频谱图中提取与面内面外变形导数相关的相位分量。最后对载频的引入进行了分析与设计,同时进行了带槽口的三点弯曲实验板的变形测量。实验测量结果与仿真分析吻合,验证了该实验测量系统的可行性。     

基于DSP的激光外差干涉信号处理方法

描述激光外差干涉测量的原理,设计基于DSP的激光外差干涉信号处理方法,用DSP的捕捉单元获取参考信号和测量信号的上升沿时间差,在捕捉单元中断中计算测量信号周期,由DSP将时间差转化为相位差并得出被测位移.采用信号发生器模拟两路输入信号,在0～360°范围内进行相位差测量实验,测量结果表明标准偏差为0.041°、线性拟合相关系数为0.999 89.以20 nm为步长在0～320 nm范围内进行位移测量实验,实验结果表明标准偏差为2.46 nm、线性拟合相关系数为0.999 71,验证了所设计的信号处理方法的可行性和实用性.     

激光干涉法位移测量集成演示装置的设计

介绍了激光干涉法长度测量的基本原理,提出在不更换和调整系统中光学器件的条件下,实现线位移和角位移－机测量集成装置的设计思想。该装置结构简单,操作方便,既可直拉观察条纹变化情况,又能显示出具体的测量值。     

磁悬浮高精度多阈值振动报警装置设计

为提高振动测量的灵敏度并降低振动测试系统的固有振动频率,利用磁悬浮技术将绝对式振动测量中的振子设计成悬浮状态.分析了光电位移传感器输出特性,得到振子遮挡接受光线的面积与振子位移的关系式,测得光电位移传感器的灵敏度,并将圆柱形振子和圆顶形振子接收的红外光面积与振子位移关系进行了比较,对得到的函数关系用最小二乘法进行线性拟合,得出圆柱形振子的线性关系误差较小,其线性拟合较好.采用分立电子元件设计了振动报警装置,可设定振动报警阈值电压,通过比较器实现不同级别要求的振动报警触发,设计放大电路使系统的灵敏度可调.为操作方便设计了单片机振动报警电路,可实现三级振动报警,通过按键改变每个振动报警档位的阈值电压,采用电可擦除只读存储器设计对设定的报警阈值电压进行保存,方便了操作.实测振动表明:设计的磁悬浮振动报警装置的灵敏度可达到0.01 mm,具有多档位的振动报警功能,使用方便.     

准连续半导体激光高频调制技术研究

介绍了一种由信号放大电路、电流调制电路、过流保护电路、具有慢启动功能的直流偏置电路高度集成的半导体激光高频调制系统,此高频调制系统采用了结构简单的直接调制方式,这种调制方式是利用频率可调的调制信号去控制半导体激光器发射的激光光强,从而实现半导体激光高频调制.设计了半导体激光高频调制驱动输出的调制电流幅度为9.1A,调制电流频率达到了100MHz,直流偏置在1A内连续可调,实现了脉冲宽度均匀与非均匀两种情况,在均匀情况下占空比达到了50%.     

微弱激光能量监测系统的研究

设计了一种基于光电法的微弱激光能量检测系统.采用PIN光电二极管作为能量检测系统的探头,利用多级运算放大电路完成了信号的I/V变换、放大和保持,并通过数模转换器和微处理器采集、处理和输出数据.实验结果表明,测量能量在微焦级时,系统的不准确度为5%.该方案实现了微弱激光能量的准确测量.     

基于激光干涉测振技术的压电陶瓷蜂鸣片质量监控

利用激光干涉技术和干涉条纹大小数拟合计数软件处理方法,研究测量低频微小振动,开展压电陶瓷蜂鸣片质量监控研究。介绍了基于激光干涉技术的振动测量研究方法,分析了压电陶瓷蜂鸣片在正弦电压驱动下,不同初始干涉光程差、不同振幅的振动产生的干涉信号及干涉条纹大小数拟合计数软件处理方法;建立了迈克尔逊干涉测振系统,运用干涉条纹大小数拟合计数软件方法,对不同正弦电压驱动的压电陶瓷蜂鸣片微小振动进行了测量。研究表明,基于大小数拟合计数软件方法的激光干涉测振技术可以有效测量微小振动,为压电陶瓷蜂鸣片质量监控提供一种有效手段。     

贴片云纹干涉法测量平面的三维位移

提出贴片云纹干涉法的三维位移方程的一般表达式,利用对称光路和非对称光路,计算了面内位移并分离出离面位移,实现了物平面三维位移场的云纹干涉测量。     

压力传感器零位温漂的自动校正——介绍一种“永久性”的S/H电路

介绍了一种新颖的采样保持S/H电路。它具有定点采样,永久保持信号的功能。在铁路原油装车安全系统中。它被用来自动测量压力传感器的零位漂移量,并送往调整电路进行自动校正,取得了令人满意的效果。     

小型光电编码器细分芯片的设计

为了实现在不增编码器体积和码盘刻线数的前提下提高中低精度小型光电编码器分辨力,设计了一种适用于小型光电编码器的细分芯片。首先,分析目前电子学细分方法的优缺点,折中分辨率、精度、电路复杂性和可集成性等因素,在相位调制理论基础上提出了把对空间相位位移的测量转化为对瞬时周期时间差值的测量的细分算法,并结合算法原理进行芯片架构总体设计。其次,利用Cadence软件设计了信号细分处理芯片的各个模块电路。然后,对芯片总体电路进行仿真得到调制信号瞬时周期值。最后,将细分后的测量角位移结果与理论基准值对比,并计算最终细分精度。实验结果表明:当光电编码器信号输入在1~100kHz频率范围内,该细分芯片可以实现对光电信号的0~100倍细分。在输入100kHz时细分精度达到0.4571′。与同类处理电路相比具有集成度高、细分辨向功能统一、可移植性好等特点,有一定的工程应用价值。     

基于激光干涉的三自由度测量系统的理论分析

为了克服激光沿原光路返回产生激光回馈效应的影响,提出了一种以组合三反射镜为目标载体的三自由度测量方法,即三平面镜组合方法.它不同于平面镜或角隅棱镜作为目标镜的方法,既能使反射光线与原光线错开一定距离,保证反射光不会沿原光路返回,又能使反射光线保留目标测量对象的偏转信息.在实际测量过程中,一方面由于测量位移范围较小,测量光束与参考光束在测量过程中错开很小,不会影响干涉条纹的产生.另一方面考虑工作台偏转角度一般很小,对干涉条纹形状的影响不会造成对干涉条纹计数的破坏.实验应用结果表明,该方法适用于运动位移与偏转角度的三自由度同步测量.