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。     

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.     

干涉条纹计数器的研制

设计了一种新的干涉条纹计数仪,分析了对计数进行干扰的几咱因素及排除的方法。该设计应用光电变换原理,把毛玻璃上的光信号转换成电信号,再经适当处理,把干涉条纹变化的数量用计数器记录并显示出来,比常规的干涉条纹计数手段列加自动化,数据更加准确直观。     

自适应去直流偏置的激光干涉振动测量

针对单频激光干涉在位移测量中干涉信号易饱和的缺点,提出一种自动调整偏置的干涉信号光电转换方法,并应用在激光干涉测量振动微位移的系统中。从光路结构、硬件电路、软件算法三个方面对测量系统进行阐述。光路设计保证在光路结构简单紧凑的基础上产生宽度足够分辨的干涉条纹;设计电流放大与可自动消除偏置的二象限光电转换处理电路,并采用二分法调整DAC输出的算法,实现干涉信号偏置量的自适应调节。实验结果表明:该方法能够快速准确地自动调节偏置量到合适范围,满足干涉振动位移测量的要求。     

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。     

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.     

获取平面光学元件面形偏差的方法研究

提出一种利用BP神经网络获取平面光学元件面形偏差的方法。该方法先确定一幅干涉条纹图像测试区域中条纹弯曲量和条纹间距,然后对BP神经网络进行训练,最后获取被测平面光学元件的光圈数。通过与Zygo激光干涉仪的测量结果进行比较,发现两者的测量结果相吻合。实验结果表明,该方法不仅可以增强处理干涉条纹图像的适应性,而且可以提高测量精度。     

探测微弱信号的双楔形干涉仪的结构分析

针对楔形多光束干涉仪产生等间距细锐条纹的特性,结合双路探测系统相减可消去背景噪声的优点,提出一种新型的正交双楔形干涉仪结构。该结构中所有部件都相对固定,且两路楔形板厚度差为一定值,激光入射时,两路干涉仪产生相位差为p/2的等间距条纹,条纹信号叠加在背景噪声信号之上,通过差分放大,使背景非相干光信号相减为零,提高了系统在强噪声背景下弱信号探测能力。该结构可用于微弱激光信号的探测,并能通过条纹间距计算出入射激光的波长。根据该干涉仪的基本原理,通过计算机仿真设计了其结构参数。     

Establishment and Error Analysis of Model of Interference Fringe Contrast for Laser Tracing Measurement Optical System

激光追踪测量光学系统条纹对比度模型的建立及误差分析

陈洪芳^*,孙梦阳,马英伦,汤亮,王煜,宋辉旭

（北京工业大学,材料与制造学部,北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心,北京 100124）

摘要：

本文提出一种激光追踪测量光学系统光学元件性能非理想及放置误差对条纹对比度影响的分析方法。基于激光追踪系统的测量原理,建立了激光追踪测量光学系统干涉条纹对比度的综合模型。基于ZEMAX的仿真结果验证了该模型的正确性。仿真结果表明,检偏器的放置角度对干涉条纹对比度有直接影响。当检偏器放置角度从65°增加到85°时,干涉条纹对比度从0.9996降低到0.3528,干涉条纹对比度降低了65%。当干涉光路中的分光镜BS1的分光比为5:5,分光镜BS2的分光比从2:8变化到8:2时,光电探测器接收到的干涉信号条纹对比度增大,但BS2反射到PSD上的入射光强减小。实验验证了该影响的显著性,当BS2分光比增大时,干涉条纹的对比度增大。同时由于BS2分光比的变化导致PSD的入射光强减弱,追踪系统的响应时间增加了23.7ms。这导致激光追踪测量光学系统的追踪性能下降。本研究为评价和提高激光追踪测量系统的精度和可靠性提供了重要的理论依据。

关键词：干涉条纹,对比度,激光追踪测量,高精度测量,ZEMAX

     

一种用于对长直导轨的微小不平度进行动态测量的方法

探讨了一种能对长直导轨的微小不平度进行高精度实时测量的新方法．其原理是用一个光栅与激光干涉条纹组成莫尔条纹，利用莫尔条纹的放大作用将干涉条纹在微小角变下的微小移动放大几千倍，从而大大提高了测量灵敏度，使测量精度提高到０．５″．     

光学玻璃折射率压力系数测定方法

本文给出了光学玻璃折射率压力系数的测量方法.该方法采用长条形样品、对称加压,测量其透射干涉条纹的变化量,从而求得折射率随外力的变化关系.当干涉条纹的测量精度为十分之一波长时,折射率变量的相对误差为3%.     

光源振动实现激光自混合干涉外腔调制

从外腔长度高频调制的自混合干涉信号解调出外腔反射面低频振动信号的波形。为了实现外腔长度相对外腔反射面振动的高频调制,提出一个激光源振动方案,将激光二极管模块安装在长约23 mm,直径约13 mm的电磁激励振子上,用正弦信号激励电磁振子驱动激光源做振幅约四分之一波长,频率约7 kHz的正弦振动。采用傅里叶变换相位解包裹方法和数字信号处理从自混合干涉信号中解调出正弦波、三角波和方波激励外腔反射面振动的信号波形,最小可分辨振幅约0.02波长的振动波形。正弦振动的激光源的光束强度或偏振方向不随调制信号变化,优于外腔中插入相位调制器件的方法。实验测量表明,激光源正弦振动可以实现激光自混合干涉的外腔调制。     

角度的激光干涉测量

利用计数装在物体上的激光角度传感器反射回来的激光的干涉条纹,可以确定物体的转角。激光角度传感器由立方角棱镜和全息光栅组成,本文完成了目测条纹下的原理性实验。     

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．     

无衍射光莫尔条纹图像处理及计数方法研究

在无衍射光测量中,莫尔条纹的计数准确性将影响测量结果的正确性。在分析无衍射光莫尔条纹特征的基础上,提出利用图像处理方法实现莫尔条纹的精确计数方法。对采集到含有高频干扰的无衍射莫尔条纹,利用图像增强提高对比度,选择合适的低通滤波器消除无衍射光中高频信息及噪声信号,再经过二值化和平滑处理得到轮廓清晰的莫尔条纹,然后利用坐标变换将图像转换到极坐标,根据莫尔条纹灰度值在一周内的突变特性,采用多次间隔扫描法确定条纹数目。实验结果表明,该方法能精确、有效地计算无衍射光莫尔条纹数目。     

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.     

采用干涉条纹计数法测量磁场的光纤传感系统

本文叙述了根据Mach—Zehnder干涉仪原理制作的采用干涉条纹计数法测量静态磁场的光纤传感系统。文章分析了干涉条纹的形状以及条纹移动数与被测磁场之间的关系;同时,针对条纹计数装置的特点,还研究了微型计算机及其接口在本系统中的应用。     

单束激光连续超声波空气流动速度测量方法

文章提出了一种新型单束激光-连续超声波空气流动速度测量方法.该方法利用连续超声波在运动空气流场中传播时,超声波传播速度音速与空气运动速度叠加的物理现象,采用激光-超声干涉原理,通过测量波长变化,实现对空气流动速度的测量.建立了试验验证系统,通过测量静止流场中的音速与均匀流场的速度,验证了该方法原理的正确性和技术可行性.该方法对流动现象不产生任何干扰与改变;不存在流动速度方向判别以及信号失真、丢失与辨别等复杂测量技术问题; 可直接测量流场中任意一点瞬时速度;具有测量精度高、数据处理简单、成本小、造价低、操作简便等优点;易于实现"阵排列激光-超声测量技术",有望进行多个截面的速度测量以及非定常流场测量,适用于研究集中涡、二次涡、不规则分离等多种复杂流动现象.     

光栅信号单谱线细分算法实现

在基于电荷耦合器件（CCD）的光栅位移测量系统中,为提高光栅莫尔条纹信号的细分数和跟踪速度,根据CCD采集的光栅莫尔条纹信号周期不随运行速度变化的特点,利用离散傅里叶变换（DFT）单谱线算法来获得信号一次谐波的相位值.采用坐标旋转数字计算机（CORDIC）算法对一次谐波谱线的复数求出反正切,获得莫尔条纹信号在任意时刻的相位值,再通过两次相邻时刻的条纹移动相位差值获得位移的大小和方向,全部算法采用FPGA实现.ModelSim仿真结果表明,DFT模块和CORDIC模块共延迟22个时钟周期即可输出结果.此方法具有细分数高、运算速度快、实现简单等特点,为解决光栅精密位移测量中由于莫尔条纹细分数提高而导致跟踪速度下降的问题提供了参考.     

一种噪声环境中的多波束相位差估计新方法

针对多波束测深声呐相位差检测法中噪声严重影响相位差估计的质量,使得深度测量的数据出现偏差的问题,采用理论分析和计算机仿真的方法,研究了噪声干扰对相位差估计的影响并有针对性地提出了减小测量误差.提高深度测量的可信度的信号处理方法.研究结果表明,噪声对相位差测量的影响在接收条带的不同部分是不间的,采用较大的子阵间距,利用相...