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1、精密仪器课程设计激光干涉纳米级位移测量系统设计姓名：薛重飞学号：B10340130专业：测控技术与仪器2013年12月目录1.国内外发展现状概述42.总体方案设计63.测量方法设计63.1测量方案框图63.2测量原理73.2.1激光干涉原理73.2.2光电传感器的信号83.2.3移相系统103.2.4辨向及可逆计数113.2.5量化细分133.2.6模数及数模转换173.2.7比较器的参考电压183.3硬件电路的实现193.3.1信号整形及低通滤波193.3.2单片机系统193.3.3数模模数转换芯片与单片机连接203.3.4整体电路设计203.4软件程序的设计2
2、14总结及展望235参考文献23激光干涉纳米级微位移系统设计1.国内外发展现状概述随着现代化国防建设、工业生产和科学技术的飞跃发展，无论是元件生产的设备正向超大型化、微型化、精密化和自动化方向发展。因此，精密测量的工作显得越来越重要。多年来单频激光干涉仪的研究主要集中在光学系统结构改良和非线性修正方面。前者的目标是通过改进干涉仪的结构，以提高系统的分辨率、重复精度以及对空气扰动、折射率波动、工作台振动等环境噪声的抗干扰能力。后者通过研究各具体干涉仪的非线性环节，提出补偿或校正策略(一般是基于软件实现)，来改善系统在整个测量范围内的线性度、重复精度等。由于缺乏概念性
3、突破，改进干涉仪结构方面的研究未能取得显著成绩，因而非线性误差校正(或称误差补偿)成为单频激光干涉仪研究中相对较为活跃的领域[1]。RENISHAW新型单频激光干涉仪采用偏振光移相方法，获得三路位相依次相差的光干涉信号，经光电接收并放大后，使和，和信号分别输入两个比较器电路，生成两路错相的交变方波信号，推动可逆计数器计数。这种结构可以实现两个目的：一是去掉直流分量和实现共模抑制；二是因三个信号是完全共路的，有效地去掉了外界震动等噪声，保证了干涉仪低频的稳定性，从而实现了双频激光干涉仪的各种功能[1]。我国于七十年代开始了激光测量系统的研制，1975年由中国计量科学
4、研究院与陕西机械学院研制出我国第一台国产双频激光干涉仪样机。量程为60m，测量精度为。到目前为止，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学等也相继开展了对激光干涉仪及相关技术的研究。哈尔滨工业大学精密仪器系九十年代研制的光电接触式干涉仪，其分辨力为，仪器的总误差为(工为被测长度)。成都科技大学研制的双频激光干涉仪[1]，分辨力为，测量不确定度为。此外，清华大学在激光调谐绝对距离的测量方面、外差干涉的相位检测电路方面，华中理工大学在声光调制外差干涉的光路方面等做了相当好的研究工作。为提高单频激光干涉仪的抗干扰性能以及测量精度，清华大学的薛实福等人研究了一种在迈克逊单频
5、激光干涉仪的基础上采用自扫描光电二极管列阵(SSPDA)接收器件，将直流信号转换成交流信号、微处理机处理，具有波长自动补偿功能的新型激光干涉仪。实验证明它比一般单频激光干涉仪具有较高的抗干扰性及测量精度[1]。传统的迈克耳孙测量方法受限于光源单色性差和人眼计数的误差,再加上分束镜界面反射形成的干涉和环境噪声的存在,给条纹的细分造成困难.为了提高了测量精度,研究人员不断地提出了多种新的条纹细分方法,赵育良等[2]利用CCD作为条纹拾取工具,系统理论误差仅为CCD的1个像元,杨仕广等[3]人以迈克耳孙干涉仪的光路为基础,利用CCD实时采集干涉条纹的光强信息,通过精确测
6、量条纹的偏移量,测出物体的微位移.与传统微位移测量方法相比,He-Ne激光器、CCD等器件的使用和FFT、互相关运算等信号处理方法的运用,使得测量精度和灵敏度有较大提高,借助虚拟仪器手段还实现了微位移的全自动测量。激光干涉仪通常采取Machelson(迈克尔逊)干涉仪形式，由于反射器的作用，直接接收的脉冲当量为(约0．3um)，对于精密测量来说，显然是不够的。如何提高激光干涉仪系统的分辨率是激光干涉仪中的重要技术，有多种激光干涉仪的细分方法，概括起来为光学细分和电子细分两大类在精细计量技术中，干涉条纹的记数与细分是基础技术之一。目前干涉条纹的记数技术已日趋成熟．而
7、细分技术还有待于进一步发展[4]。现在已有的细分条纹技术有电子学倍频法、光学倍频法、CCD细分法等。倍频法多采用四倍频、八倍频，可以记录到四分之一、八分之一的干涉条纹的移动。这在细分精度上显然是不够的[6]。现在常用的高倍细分法有微机细分等，此外激光干涉仪的细分方法还有很多,例如在单频激光干涉仪中,可以用电阻链细分方法;在基于声光频移的双频激光干涉仪中,可以将测量信号与频差信号,测量信号与移相90°的频差信号分别混频,得到相位差为90°的两路信号,然后按单频激光干涉仪的细分方法处理;在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中,可以采用测量剩余相位的方法实现细分等,利用两个相
8、互垂直偏振
