基于激光干涉的高分辨率精密位移测量研究

由于高分辨率精密位移测量过程中调制深度波动和载波相位延迟,导致相位解调中存在误差,致使测量效果较差,测量时间较长,提出基于激光干涉的高分辨率精密位移测量方法。分析激光干涉原理和位移测量原理,获取位移测量误差产生的原因,采用相位生成载波反正切解调方法解调干涉信号,通过离散卡尔曼滤波修正相位解调后正交信号的幅值和偏置,补偿相位解调误差,实现高分辨率精密位移测量。实验结果表明,所提方法的测量波动均值稳定在±1.5 nm之间,能够有效地稳定测量能力、减小测量误差、缩短测量时间。     

亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器

激光干涉位移测量技术因具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等特点,成为当前与下一代高端装备、超精密计量的基础性技术之一。在简要介绍国内外现有的各类亚纳米级激光干涉仪的基础上,重点从“精”“准”“快”方面综述了面向亚纳米、皮米级激光干涉位移测量技术的研究成果。首先,从激光干涉测量原理出发,分析了限制激光干涉仪中测量分辨力、速度等进一步提升的主要误差项及技术难点;其次,重点列举了近年来国内外在激光器高精度稳频、高精度干涉镜组、高速/高分辨力相位细分技术、环境补偿与控制等方面所取得的重大关键技术突破;最后,对下一代超精密激光干涉位移测量技术的发展趋势进行了总结与展望。     

基于利特罗式激光反馈光栅干涉的微位移测量技术

通过在激光反馈干涉(LFI)系统中引入衍射光栅,提出了一种基于利特罗结构的激光反馈光栅干涉(LFGI)技术,用于一维和二维精密位移的测量。半导体激光器出射的光束以利特罗条件入射至反射式全息光栅,衍射光沿入射光方向返回激光腔后,腔内会发生激光反馈干涉效应。引入正弦相位调制解调技术,高精度地测量一维和二维微位移。利特罗结构和LFGI系统具有自准直性好、结构紧凑、易于操作和系统稳定性高的优点。实验结果表明,利特罗式LFGI系统的位移测量精度可以达到10 nm量级。     

基于PLC的激光干涉高分辨率位移测量研究

针对当前激光干涉高分辨率位移测量误差大的问题,设计了基于PLC的激光干涉高分辨率位移测量系统。首先接收激光干涉仪发射信号,然后将激光干涉信号进行光电转换,通过可编程逻辑控制得到激光干涉高分辨率位移测量结果,并将结果显示给用户,测试结果表明,本系统的激光干涉高分辨率位移测量精度超过92%,激光干涉高分辨率位移测量灵敏度高,获得理想的测量结果,并且激光干涉高分辨率位移测量结果明显优于其他系统,具有更高的应用价值。     

基于激光自混合干涉调频信号的位移测量实验

激光自混合干涉在高精度测量领域发挥着越来越重要的作用,微位移测量已应用于大型土木结构、航空航天、健康监测等。传统测量以调幅信号为主,但随着噪声加强,测量误差越来越大,甚至难以测量。为此,采用马赫-曾德尔干涉仪,实现了调幅/调频信号转换。针对大噪声环境下的调频信号,利用多次希尔伯特变换进行相位解卷,实现了原始信号的重构。数值仿真结果证明了该方法的有效性,在10 dB白噪声环境中,系统的信噪比为10.0614 dB,估计误差为0.0614 dB。实验结果表明,微位移重构的误差在100 nm以内,且调频信号的信噪比远高于调幅信号。该方法适用于超精密测量,且在大噪声环境下仍具有较高的信噪比。     

激光自混合干涉式位移测量数值模拟及实验研究

对激光自混合干涉式位移测量原理进行了数值模拟和实验研究。首先，从三镜法布里珀罗腔理论出发，得到了基于半导体激光自混合干涉原理的位移测量模型，在此基础上对多种波形调制外反射体位移情况下激光自混合干涉信号进行了理论分析，证实信号倾斜方向发生反转的间隔条纹数目对应反射体位移的幅值范围；反射体有半个波长的位移，信号即输出一个完整的条纹；反馈强度的增加将增大输出条纹的倾斜。对信号倾斜现象进一步分析发现，当反射体位移减小时，信号向左倾斜，反之向右。造成信号倾斜的原因是由于高反馈强度下引起的非线性相位调制了输出信号强度。这些结论同样适用于任意波形调制的反射体位移。实验测试结果同理论分析吻合较好。     

光纤F-P腔干涉纳米级位移高分辨率测量

激光抗干扰性好、复用能力强,光纤F P腔干涉仪结构简单、灵敏度高,适于纳米级位移测量。为了进一步提高分辨率,扩展测量范围,本文对光纤F P腔干涉信号的相位和功率进行分析。首先给出了二倍次方功率和分辨率的关系,找出了提高分辨率的途径。然后给出了二倍次方功率和干涉条纹变化的关系,确定了测量条件。最后根据光纤波在F P腔内干涉形成的滞后相位,通过多次希尔伯特变换,实现了待测物体位移重构。数值模拟和实验证明了该方法能够实现高分辨率纳米级位移测量,误差小。     

基于表面等离子体共振和双频激光干涉相位测量的空气折射率测量

设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的空气折射率实时测量系统,该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的p、s分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系,并由此得到测量公式,传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测量灵敏度。与Edlen公式的测量比对实验结果表明,在44.0°入射角(共振角附近)和0.1°的相位测量精度下,空气折射率的测量精度优于5×10-6。该测量系统还可为更高精度的空气折射率测量仪提供足够精确的初值。     

激光自混合干涉位移测量系统的稳态解

近年来,关于激光自混合效应及其应用有很多报道,我们已对弱光反馈水平下和较高反馈水平下自混合效应作了研究,并研究了利用该效应进行位移测量的技术.本文则针对激光自混合干涉位移测量系统的稳态解,进行分析,从理论上确定系统稳态运行条件. 本文通过求解所建立的激光自混合干涉位移测量系统模型的相位方程,确定其单值解和多值解时边界条件,经稳态模分析,确定系统稳态运行的参数选择规则.该结论提供了系统设计准则.(OE26)     

能量天平动圈位移的激光干涉测量研究

为精确测量普朗克常数h,实现能量天平法建立量子质量基准,提出了三轴双频激光外差干涉和折叠式Fabry-Perot(F-P)干涉绝对距离测量相结合的激光干涉测量方法,用于精密测量和定位能量天平装置中沿竖直方向在均匀磁场中运动的互感线圈位移。用三轴双频激光外差干涉精密测量运动线圈的质心位移和姿态,位移测量不确定度为10nm;进而将F-P腔干涉绝对距离测量与外差干涉测量结果进行比对和校准。仿真表明,采用本文方法,当位移测量范围约为30mm时,测量分辨率优于1nm。将该方法运用于真空中线圈位移测量,相对测量不确定度优于1.0×10-9。     

基于激光干涉式水听器的近海海洋环境噪声测量研究

在迈克尔逊干涉原理的基础上设计了激光干涉式水听器,通过跟踪补偿的方式提高了水听器的抗干扰能力。通过对水听器声压误差进行分析,认为振动膜是声压误差的主要来源,且可以通过振动膜材料的选择得到一定程度上的消除。在某近海海域获得的实测数据表明,水听器对噪声声压的测量精度较高,具有良好的频率响应能力,与理论模型的对比实验也一定程度上验证了数据的准确性。在近海海域,风成噪声和船只辐射噪声是海洋环境噪声测量的主要噪声源。在此,对3种风速下测得的海洋环境噪声谱级进行了计算,并与Knudsen曲线进行了比对,结果显示,测量数据与Kundsen曲线拟合度较好,经测量,船只辐射噪声主要集中在350~500Hz频率范围内。     

基于激光干涉法的曲率半径精密检测系统

为了满足光学元件曲率半径精密检测的需求,设计了应用激光干涉方法的曲率半径精密检测系统,实现了对口径100~300 mm,曲率半径500~2 000 mm光学元件曲率半径的高精度,非接触式测量。并分析了影响曲率半径测量结果的各项不确定度,进行不确定度合成。最终完成曲率半径精密检测系统的装调,进行验证实验,曲率半径测量结果相对不确定度约710-6,满足了1010-10的设计要求。     

基于传感器的精密光学位移测量预测研究

考虑到当前的精密光学位移测量预测因其动态预测能力较差,导致位移测量预测结果误差较大的问题,设计基于传感器的精密光学位移测量预测方法。选择合适的传感器,设定测距获取光学测量原始数据。对采集到的数据进行整理与分析,获取待测目标位移特征参数。使用支持向量机理论结合位移特征参数,构建位移测量预测模型。计算预测模型损失函数,控制预测误差。通过数据采集传感器获取振动系统的位移,将其作为实验对比过程中的对照位移值。经实验结果证实,采用本方法的位移精度高达52%,而位移耗时高达3%,在不同的测距与振幅条件下,此方法的预测误差小于当前方法预测误差,且预测结果与实测结果较为一致。     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

超精密位移台计量特性的差动式平面镜干涉溯源分析

超精密纳米位移台常用于扫描探针显微镜、光学显微镜等高精度分析仪器中,其纳米机械性能的精密计量和校准对显微测量系统的性能起着关键作用.基于一种双通道结构差动式平面镜干涉测量与校准方法(英国国家物理实验室),文中对一种超精密位移台的关键计量特性进行了定量研究.构建了基于现场可编程门阵列(FPGA)和LabView的高精度稳频激光干涉数据采集和数据解码系统,使其可溯源超精密纳米位移台的准静态校准计量特性.进一步地,利用该干涉测量系统对超精密位移台的计量特性进行了校准和分析.测试结果显示,该激光干涉校准系统在准开放环境中的背景噪声低于10 pm/√Hz;该超精密位移台具有优良的纳米机械性能,其线性度低于1.2×10-4,分辨率达40 pm,重复性和稳定性较好.上述对校准设备准静态性能和对纳米位移台计量特性的测试结果表明,所提出的方法和系统能够对纳米位移台进行计量,从而用于小于几皮米的皮米级压痕测量以及原子尺度上的大范围测量.     

激光双法-珀干涉纳米测量系统总体设计

设计了一套集光、机、电为一体的新型纳米测量系统:以激光为光源、双法珀干涉仪及轻拍式探针为纳米传感部件、以柔性铰链机构的微动工作台为纳米扫描测试系统,并采用计算机数字PID实时控制处理;提出了通过测量双法珀干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础;理论分析了检测探针振动的方法;给出了基于柔性铰链机构的微动工作台的有限元设计新方法;设计了以电容传感器为精密位置反馈的PID闭环控制系统,解决了压电陶瓷等元件对系统造成的非线性影响;对系统误差进行了分析。     

实时全息干涉位移测量的自动化

实时全息干涉法可以观察记录整个测试过程中条纹图的动态变化,在传统的位移测量应用中只能通过条纹的变化给出定性分析结果。简述了实时全息干涉法进行微小位移测量的原理,根据实时全息干涉条纹和希尔伯特变换的特点,提出了利用希尔伯特变换法进行实时全息干涉位移测量的定量分析方法。实验表明：利用希尔伯特变换法可以自动提取实时全息干涉测量过程中全场各点在任意两个时刻间的相位变化傅,从面塞零位移测量鲍自动化、定量化。