光电课程设计--激光干涉法测量微位移的设计

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1、激光干涉法测量微位移的设计 位移的量值范围差异很大（在制造工业中 nm-m-mm 直至数十米；秒分度 以下或几度至几十度） ，检测可以是接触式或非接触式，加之对检测准确度、分 辨力、使用条件等要求不同，因此有多种多样的检测方法。 随着光学检测元件和精密制造工艺的提高以及电子元器件的发展，伴随计算 机的更新换代和工业自动控制技术的不断进步， 利用光电结合的方法是解决问题 的有效途径，如光栅码盘、激光干涉法、三角法、光斑散射法，其测量精度高、 反应速度快、易于实现数字化测量。在光学干涉测量法中，激光多普勒效应测量 方法具有动态响应快、线性度好、测量范围大、精度高等许多独特的优点，得到 了更加广泛的

2、应用，有很好的发展前景。为了满足微位移测量的非接触、高精度 等要求本文设计、制作了一种基于激光多普勒效应的测微位移系统，和传统的微 位移测量仪器相比，其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高，并实现了对 微位移的自动非接触测量。 干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。激光的出现使干涉测量位 移的应用范围更加广泛。其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为 两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一 束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动， 这束光从测量反射镜后形成测量光束。 测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成 干涉信号。干

3、涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。因此，由光接收器件 光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值 1。 干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，测量范围大，适用于实时动态测 量而被广泛应用于位移测量。 目前干涉测量按测量对象不同大致可分为全息干涉测量、散斑干涉测量和光 栅位移激光多普勒测量。随着科技的进步，对测量精度的要求越来越高，激光多 普勒技术的非接触、高精度测量的优点使它得到蓬勃发展。激光多普勒测量有空 间分辨率高、测量精度高、多普勒频移与位移成线性关系、动态响应快，信号用 光来传递，惯性极小，可以进行实时测量、激光多普勒测量是非接触式测量，激 光会聚的干涉体积小， 即是测量探

4、头在通常情况下对被测的流场和物体等没有干 扰等优点。通过比较，确定以多普勒效应为基础的激光干涉测量法为系统设计方 案。 光路部分 任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的 运动，将使频率发生变化，这种频率变化称作多普勒频移。由被测物运动所散射 的光的频移应当作为一个双重多普勒频移来考虑。 光源发射一束光入射到运动物 体表面(如图 1 所示)，运动物体相对于光源来说，相当于接收器，从光的多普勒 效应考虑15，接收到的频率将随运动体的速度增加： (1) 式中 为光源辐射频率，u 为运动物体表面速度，为入射光和运动方向夹 角，c 为真空中光速；运动物体又相当于一个发射天线，

5、把接收到的辐射波 发射出来，在方向的接收器也因多普勒效应，收到频率增高的光波信号为: (2) 式（2）中 因为在关心的速度范围内,对上面的展开式取一级近似 （3） 把式（3）带入（2）中得 忽略式中的高次项，得 （4） 所以速度为 u 的运动体产生的多普勒频移为 (5) 用同样方式可得到 (6） 即当光源和接收器都在运动方向一侧，并且运动物体与接收器做相向运动时，按 收器接收的光频率增加， 波长减小。 当光线垂直入射并接受回波信号时， 即= =0，则 (7) 对式(7)两端时间积分得: (8) 式中为被测物体位移量，为干涉条纹移动数,系统只要检测出条纹移动数 就可以得出被测物体的位移量。 光信

6、号检测部分 1 混频技术 光混频技术即相干检测技术，或称为频率调制技术。假设有两列波，其中一 列波表达式为另一列波表达式为，则 合成波的振幅为 （9） 式(9)中，E1，E2 是两入射波的振幅，是两入射波的角频率， 是两入射波的初相位。当相差不是很大时，两列波叠加后表现为驻波列， 驻波的频率是两列入射波的频率之差，相当于在载波上施加了一个调制信号。当 这一叠加波输入到平方律检测器时，检测器只能对合成波的强度起响应。根据式 (9)有 (10) 式(10)所示的信号经过具有高频截止功能的光电检测器后，频率高于的 信号都不能通过，式(10)中的前三项只能输出其平均值。的平均值是 1/2 ， 的平均值是 0，因此式(10)最终成为 (11) 放在光合成路径中的光电检测器，将产生调制在差拍频率上的电信号。 下图给出 了理论上光电检测器输出的信号波形图。 2 PIN 光电二极管 光电二极管的光探测方式有两种结构: 一是光伏模式,在这种模式下,光电 二极管处于零偏状态,不存在暗电流 ，有较低的噪声，线性好，适合于比较精 确的测量；二是光导模式，在这种模式下，需给光电二极