毕业设计（论文）-干涉测量系统的设计.docx

毕业设计设计题目 干涉测量系统的设计 学生姓名 学 号 20090191 专业班级 光信息09-1班 指导教师 院系名称 仪器科学与光电工程 2013 年 6月 14日目 录中文摘要1英文摘要2第一章 绪 论31.1 课题的背景及意义31.2 发展现状及前景31.3 本文研究内容及方法5第二章 系统设计的理论基础72.1 系统总体设计方案72.2 系统主要模块82.3 系统工作原理82.4 系统性能及指标9第三章 干涉仪光学设计103.1 工作原理103.2 ZEMAX软件介绍113.3 ZEMAX仿真实现123.3.1 模式选择123.3.2 非序列模式下建立的模型133.3.3 等厚干涉153.3.4 等倾干涉173.4 结果分析183.5 器件选择19第四章 计数器电子设计214.1 计数器基本简介214.2 计数器各部分结构及选择214.3 计数器电路设计224.3.1 移相系统224.3.2 光电转换模块254.3.3 细分辨向电路264.3.4 计数显示模块304.3.5 十进制计数器74LS19231结 论34致 谢35参考文献36干涉测量系统的设计摘 要：光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础的一门技术，不但是实验物理学的重要方法，而且广泛应用于其它学科。与一般的光学测量方法相比，光学干涉测量技术具有更高的灵敏度和精度。因为干涉仪是以干涉条纹来反映被测物理量，如位移、折射率、波长等的变化信息。文章主要介绍了一种基于迈克尔逊干涉仪的微小长度测量装置的设计方案，分析了对计数进行干扰的几种因素以及其排除的方法。设计应用光电变换原理，通过光信号转换为电信号，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，与常规读数显微镜测量数据进行了对比。测试结果表明该仪器具有原理简单、测量精度高、容易实现、更加直观等特点，可作为大学物理实验室的创新设计性实验来设置，推广性强。关 键 词：灵敏度、精度、迈克尔逊干涉仪；微小长度测量；干扰；显示。37Design of interference measurement systemAbstract: Optical interferometry is a technology based on optical interference principle，method is not only important in experimental physics，but also widely used in other disciplines. Compared with the optical measurement method，optical interferometry has greater sensitivity and precision.Because the interferometer is based on interference fringe to reflect the measured physical quantity，change information such as displacement，refractive index，wavelength.This paper mainly introduces a design scheme of the small length measuring device based on Michelson interferometer, analyzes several factors disturbing the count and the method of elimination. Design and application of photoelectric transformation principle, the optical signals are converted to electrical signals, after proper treatment, the number of interference fringes is displayed by the counter, compared with conventional measuring data reading microscope. The test results show that the instrument has the characteristics of simple principle, high accuracy, easy realization, more intuitive, can be used as experimental innovation design of university physics laboratory to set, the promotion of strong.Keywords: sensitivity; precision; Michelson interferometer; the small length; disturb; displayed第一章 绪 论测量在工业中是不可缺少的，如长度的测量，位移的测量，速度的测量等等。不同的应用，要求的测量精度不同，因而需要用不同的手段去实现。1.1 课题的背景及意义随着近代工业的迅速发展，微位移测量变得十分重要，且现代工业技术的发展对微位移测量的精度和方式提出了更多更高的要求。以长度或位移的测量为例，当测量精度要求为毫米量级时，用普通米尺就足够了，而卡尺的测量精度则可达到百分之一毫米。进行更精密的测量时，特别是对运动物体的位置测量，传统方法就有些力不从心了。干涉测量技术是以光的干涉现象为基础进行测量的一门技术。在激光出现以后，加之电子技术和计算机技术的发展，干涉技术得到了长足进展。因光学干涉具有更测量高的测试灵敏度和准确度，其得到了广泛的发展。常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫曾德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼格林干涉仪等。在光学干涉测量法中，干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。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及长度测量。激光干涉仪的实用及性能越来越稳定，结构也越来越紧凑。1.2 发展现状及前景迈克尔逊干涉仪原理简明，构思巧妙，堪称精密光学仪器的典范。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉，通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹。随着对仪器的不断改进，还能用于光谱线精细结构的研究和利用光波标定标准米尺等实验。日本计量研究所与东京精密仪器公司组成的联合研究组，推出一种测定三维运动物体位置的方法，系统包括4台干涉仪，所用光源为波长642.8纳米的氦-氖激光器，被测物体上装有光的反射体。在该研究组进行的一次实验中，高2米的机器人手臂以50厘米每秒的速度运动，系统对其臂端反射体的位置进行了测量，测量精度达到1微米。目前，在近代物理和近代计量技术中，根据迈克尔逊干涉仪的基本原理，研制的各种精密仪器已广泛地应用于生产、生活和科技领域，并研制出多种专用干涉仪。如卢贵武、熊昌友、江惠民等采用迈克尔逊干涉技术进行微小位移量和微振动的测量; 刘雯、王贵甫等人依照正弦原理改型设计了迈克尔逊干涉仪，可以完成小角度测量;赵斌研究使用迈克尔逊干涉仪可同时测量薄透明体厚度及折射率等。由于激光辐射优良的空间相干性、时间相干性以及极高的亮度，并借助于数据处理电子技术的跃进，使这种以激光波长为标准，具有较高测量精度的干涉测量技术成为建立新的长度标准和进行精密测试的重要工具和手段。以美国、日本为代表的国外一些先进国家在精密工件台测量定位方面的技术比较成熟，其系统定位精度可达nm级别。国内许多单位，如清华大学，中科院长春光机所等在精密工件台研究中也取得了长足的进步，也已研制出长行程高精度的精密工件台，定位精度可达0.01m。其中国内一种基于激光干涉的微位移测量仪,如图1.1，该测量仪以半导体激光器为光源,以“田”字型四象限光电阵列接受激光干涉信号,采用光学倍程技术和干涉条纹电子细分技术,位移测量系统的理论分辨率可达0.01nm,实验表明该测量仪可以达到1nm的分辨力1。 图1.1 微位移测量仪实验室中最常用的迈克尔逊干涉仪结构图如图1.2所示，仪器前方粗动手轮分度值为10-2mm，右侧微动手轮的分度值为10-4mm，可估读至10-5mm，两个读数手轮属于涡轮蜗杆传动系统。测量显微镜结构图如图1.3所示，它是将测微螺旋和显微镜组合起来用作精确测量长度用的仪器，它的测微螺旋的螺距为1mm，其活动套管与显微镜筒通过丝杆连接，套管鼓轮等分为100个分格，每转一分格显微镜将移动0.01mm，也即移测显微镜测微滚轮分度值为0.01mm，它决定了读数显微镜的测量精度2。 图1.2 迈克尔逊干涉仪 图1.3 测量显微镜 在基于迈克尔逊干涉仪的基础上设计干涉测量装置，一方面有了精度的保证，另一方面造价不高的情况下可以实现高精度的测量，所以干涉测量微小位移的装置很有发展前景的。1.3 本文研究内容及方法本论文主要内容是基于迈克尔逊干涉仪的等厚干涉的理论，通过移动固定在反射镜M2的平台，产生干涉条纹的移动，再经过光电计数器的检测查出移动的条纹数，再乘以相应的系数就可以得到相应移动的距离或长度。主要进行了以下几方面的工作。1） 在深入了解迈克尔逊干涉仪的结构及原理的基础上，选择合适的研究对象及方向-激光干涉测量系统；2） 对系统中的光学部分经行理论分析并用软件进行仿真实验；3） 设计合理的干涉条纹接受装置及计数装置，并经行可行性分析，再通过相应的软件进行理想仿真；4） 总结整个测量系统优缺点和适用条件，并对今后的工作提出建议和展望。综上所述，本文采用数电设计的可逆条纹计数器采样精度高，操作简便。课题具有实践研究和理论研究相结合的特点。在注重实验操作的应用可行性同时也对干涉条纹信号处理方法上做了实验研究。步骤和方法 一 根据所选课题进行分析和研究，通过以下方式： （1） 网络资源 （2） 图书馆相关资源 （3） 与老师交流 二 确定所研究具体方向。 干涉测量技术，精密地测定光波波长、微小长度、光源的相干长度等，还可以测量气体、液体的折射率。我选择用干涉系统测量长度。 三 查阅相关资料并整理。第二章 系统设计的理论基础迈克尔逊干涉仪实验在工业设计中，占有很重要的地位。在光学干涉测量法中，干涉测量法是基于迈克尔逊干涉仪光波的干涉原理测位移的方法。干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，适用于实时动态测量而被广泛应用于位移及长度测量。基于此，本文从理论基础分析讨论了激光干涉测量仪的实验。2.1 系统总体设计方案整体系统组成框图如下图所示，在该系统中光线由激光发出，激光束射到分光棱镜上，通过反射和折射产生两束光，分别通过反射镜的反射汇聚到分束棱镜上。通过平台的移动产生射到探测器上的干涉条纹的移动，信号处理波形，由计数器计数并计算得到相应的位移或长度3-4。P光束1单模稳频He-Ne激光器光电计数器显示记录装置待测物体激光束光束2光电显微镜迈克尔逊干涉仪M1M2可移动平台图2.1 激光干涉测长仪的原理图该方案的特点：软件可以理想实现，硬件光路、电路简单，易于实现；具有更高的测试灵敏度和准确度；绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；抗干扰能力强；操作方便；实现了条纹计数自动测量；无需补偿板；在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。2.2 系统主要模块1）光源模块：激光光源一般是采用单模的He-Ne气体激光器，输出的是波长为632.8纳米的红光。因为氦氖激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以连续激励的方式运转，在可见光和红外光区域里可产生多种波长的激光谱线，所以氦氖激光器特别适合用作相干光源。为提高光源的单色性，要对激光器要采取稳频措施。2）干涉模块：迈克尔逊干涉仪利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹，主要用于长度和折射率的测量。3）信号处理模块：通过光电转换，产生波形，再经过施密特电路的整形出现脉冲信号。4）计数显示模块：信号经过电路判别，把相应的判别信号输入计数器进行计数，通过显示装置可观察到移动条纹数。2.3 系统工作原理激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪,用干涉条纹来反映被测量的信息。干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到达半透半反射镜P后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。两束光的光程差可以表示为 (1)式中分别为干涉仪两支光路的介质折射率；分别为干涉仪两支光路的几何路程。将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜M2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度，光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度5。2.4 系统性能及指标对激光干涉测长系统进行基本误差分析LL=NN+ 即L=N+式中L、N和分别为被测长度、干涉条纹变化计数和波长的相对误差。这说明被测长度的相对误差由两部分组成，一部分是干涉条纹计数的相对误差，另一部分是波长也就是频率的相对误差。前者是干涉测长系统的设计问题， 由于是设计的判别细分电路和可逆计数器，所以能有效的减小这方面的误差其误差大小大约为0.01um。后者就是激光稳频技术，激光的波长稳定性可视为频率的稳定性，He-Ne 激光器的频率稳定度可达1 x10-10 以上所以, 1 um 的位移测量误差从理论上讲, 可以达到0.01nm, 因此, 系统可以获得极高的测量准确度。除此之外还与环境控制，即对温度、湿度、气压等的控制有关6。 下面是估算的系统性能指标：1) 测量范围：0-100mm2) 分辨率：0.08um3) 测量速度：10cm/min4) 分度值：0.1um5) 激光稳频精度：0.1ppm6) 测量精度：0.01um第三章 干涉仪光学设计迈克尔逊干涉仪，是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条纹，也可以产生等倾干涉条纹，主要用于长度和折射率的测量。参考镜M1可移动平台光源样品镜M2接受装置图3.1 迈克尔逊干涉仪3D图3.1 工作原理迈克尔逊干涉仪（英文：Michelson interferometer）是光学干涉仪中最常见的一种，其发明者是美国物理学家阿尔伯特亚伯拉罕迈克耳孙。迈克耳孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来，这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现，从而能够形成不同的干涉图样。干涉条纹是等光程差点的轨迹，因此，要分析某种干涉产生的图样，必求出相干光的光程差位置分布的函数。若干涉条纹发生移动，一定是场点对应的光程差发生了变化，引起光程差变化的原因，可能是光线长度L发生变化，或是光路中某段介质的折射率n发生了变化，或是薄膜的厚度e发生了变化。G2是一面镀上半透半反膜，M1、M2为平面反射镜，M1是固定的，M2和G1精密丝相连，使其可以向前后移动，最小读数为10-4mm，可估计到10-5mm, M1和M2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M1和M2严格平行时，M2会移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”。M1和M2不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，在M2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M2平移距离d与条纹移动数N的关系满足。L=N/2其中L是物体移动的距离，N是移动的条纹数目，是激光器出射波长7-8。3.2 ZEMAX软件介绍ZEMAX是美国Radiant Zemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。ZEMAX 不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX的CAD转文件程序都是双向的，如IGES 、STEP 、 SAT等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的 成像系统和非成像系统，ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。 ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。ZEMAX能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。ZEMAX的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。ZEMAX中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。手册中对使ZEMAX时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。主要特色(1)分析提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP， *.JPG等，也可存成文字文件*.txt。(2)优化表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，并且有多种优化方式供使用者使用，诸如Local Optimization可以快速找到佳值，Global/Hammer Optimization可找到最好的参数。(3)公差分析表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义。 (4)报表输出多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。3.3 ZEMAX仿真实现3.3.1 模式选择成像模式 ZEMAX 用户界面有两种完全不同的模式：一种是共轴和共轴/非共轴混合 系统设计（“共轴模式”），另一种是非共轴设计（“非共轴模式”）。 共轴模式（序列模式）是指按照预先给定的顺序从一表面追迹到另一表面。 ZEMAX 对表面进行顺序安排，起始面为物面，序列号为“0”。物面后的第一面序号为“1”，之后是“2”“3”，以此类推，一直到像面。顺序追迹光线意味着一条光线起始于0表面，追迹到1表面，然后到2表面，等等。不会出现从第5面追迹到第3面得情况，即使这些表面的实际位置可能出现这种情况。非共轴模式（非序列模式）是指光线沿着自然可实现的路径进行追迹，直到被物体拦截，然后折射、反射、或者被吸收，这取决于物体的特性。光线继续沿着新的路径前进。在非序列光线追迹中，光线可以按任意顺序入射到任意一组物体上，也可以重复入射到同一物体上，这取决于物体的几何形状和特性。在共轴模式下，所有程序功能都可以使用，包括在任意表面放置非共轴组件。在这种模式下，ZEMAX追迹从物面多所定义的表面和非共轴组件的光线。这是设计成像系统或者其他需要优化、计算公差和进行详细象质分析的系统时推荐使用的模式。非共轴模式下，为简化下面这些系统的分析，用户界面和镜头数据被多次改变：只使用第一面，所有NSC（非共轴元件）物体放在一个非共轴组件中，这一组件放在第一面上。不适用物面和象面。适用NSCE（非共轴元件编辑器）代替基本编辑器。不适用视场对话框。波长对话框用来定义要 被追迹的波长，只追迹源于NSCE中的光线。 为了简化用户界面，在非共轴模式下的菜单和按钮中把不适用的功能都清除了。这些功能包括光线扇形图、传递函数输出、点列图，以及其他很多只在共轴光线追迹中存在的功能。非共轴模式中的基本分析方式是追迹光线到一个或多个探测物体，考虑这些，我选择了非序列模式下来建立迈克尔逊干涉仪的模型。3.3.2 非序列模式下建立的模型 光学相干断层成像系统主要由6个部分组成，分别是光源、分束棱镜（由2个三棱柱组成）、参考镜、样品镜和探测器组成。利用ZEMAX软件，在非序列模式下建立宽场OCT模型。首先，打开ZEMAX，在File里面选择NON-Sequential Mode（非序列模式）出现Component Editor 的编辑界面。接下来是各组成部分的建立： 1 光源的设置 点击主选单system下的wavelengths，设置单色光波长为0.6328um。研究的OCT 系统主要结构有6个，在ZEMAX中需要6个模块来实现这6个组成部分的仿真。点击Edit,找到Insert after，重复5次就能出现6个模块，然后双击1的Null Object（空物体），将TYPE的下拉菜单中选中Source Ellipse，表示面光源的意思。光源的主要参数设置有layout rays设置成5表示在平面图和3D图中显示5条光线，然后将analysis rays设置成100000，表示分析100000光线，分析的光线越多，所呈现的图像清晰度就越高。然后将 power设置成1W，表示光线的功率为1W，因为光线经过分束棱镜的折射投射后，会有一定得能量损失，如果设定的功率不够，很有可能得不到图像，或者图像不清晰。一般来说光源即为坐标原点，横轴用Z 表示，纵轴用X 表示，高度用Y 轴表示，单位均为mm（毫米）。 2 分束棱镜的设置 重复Insert after，将2和3设置成Poly Object（多模块），然后在Data File 中选择PRISM445.POB（表示三棱柱），设置2旋转度为0，3旋转度为180，透反率设置成1.99表示99%的反射和99%的折射，材质设置为BK7（普通玻璃），然后将模块2和模块3的Z设置成10，这样一个分束棱镜就设置好了。 3 参考镜和样品镜的设置 参考镜和样品镜我们可以选择Standard Surface（标准平面），将其材质设置为MIRROR(表示反射)，样品镜的Z设置为30，参考镜的Z设置为15，Y设置为15，这样参考镜和样品镜就设置好了。 4 探测器的设置 模块6则是在TYPE菜单中选择DETECTOR RECT (探测仪)，设置Z为15，Y为-15。这样我们所需要的六个模块都建立好了，可以观察到平面图形和3D模型9。图3.2 非序列模式模型参数设置图3.3 ZEMAX设计的迈克尔逊干涉仪2D图面光源发出光线，经过两个分束棱镜时发生反射和折射，反射光经过参考镜M1的发射后与经过样品镜M2反射的折射光线在空间进行干涉，最后形成的干涉条纹被探测器接受。图3.4 ZEMAX设计的迈克尔逊干涉仪3D图3.3.3 等厚干涉 如果M1和M2当于不垂直，也就是M1与M2不平行而是成一很小的交角（交角太大则看不到干涉条纹），就出现等厚干涉条纹。条纹定域在空气楔表面或其附近，条纹的形状是一组平行于M1与M2的直条纹。下面是M1与M2在不同倾角下的等候干涉图样（设置参考镜M1和样品镜M2距离为15mm）。(1)M1镜与y轴成0.005度(2)M1镜与y轴成0.009度(3)M1镜与y轴成0.013度(4)M1镜与y轴成0.017度图3.5 不同倾角下的等厚干涉图样分析根据以上四个图我们可以得出结论，随着倾角的增加，干涉条纹越细，条纹间距也越小，相同视场内得到的干涉条纹数目也越多。我们可以设倾角为，相邻的两个暗（明）条纹间距为b，则=2nb其中为光在真空真的波长，n为介质的折射率。根据公式可得，当波长不变，折射率不变，倾角越大，b也越小，即相邻的两个暗（明）条纹间距越小，模拟实验的结果页理论相符。3.3.4 等倾干涉当M1和M2严格平行时，M2会移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“吞进”。 先保持其他物体不动，只移动参考镜M2，分别设置M2到分束棱镜的距离为16.0mm、15.5mm、14.5mm、14.0mm，按照顺序慢慢移动M2，经过四个位置的光程差分别为1mm、0.5mm、-0.5mm、-1mm。下面为不同光程差进行光路追迹后的干涉图样。（1）光程差为1mm（2）光程差为0.5mm（3）光程差为-0.5mm（4）光程差为-1mm图3.6 不同光程差下的等倾干涉图样分析根据(1)和(2)两图可知，由于参考镜M1在M2上方，光程差从1mm变为0.5mm时，干涉条纹由外向里运动，中心的暗斑变为亮斑，并且亮纹变粗，条纹间距变大，就是“吞进”根据（3）和（4）两图可知，参考镜M1在M2下方，光程差从-0.5mm变为-1mm时，干涉条纹由里向外运动，且亮纹变细，条纹间距变小，就是“吐出”。3.4 结果分析考虑到现实情况中反射镜不可能是完全平的，可能有弯曲或不垂直与光轴，下面分析样品镜不同曲率半径的情况（设置参考镜与y轴的夹角为0.01度，其他不变）：（1）曲率半径为0mm（2）曲率半径为1106mm（3）曲率半径为1105mm （4）曲率半径为5104mm （5）曲率半径为1104mm综上实验可知，不同曲率半径下的干涉图样是不一样的。当曲率半径处于1106mm 附近时，干涉条纹图样（1）和（2）几乎无变化，对实验无影响；当曲率半径为1105mm时，干涉条纹图样（3）可以观察到期条纹已发生弯曲，但是其条纹宽度变化不大，对实验影响不大；当曲率半径为5104mm时，条纹图样（4）变化较大，条纹宽度不均匀，对后期的实验有一定影响，这时要小心，注意实验的结果；当曲率半径为1104mm时，通过（5）可以明显观察到条纹图样已不是等候干涉图样，接近等倾干涉，此时进行实验会产生很大的误差，应及时调整或调换镜片，以保证实验的正常进行。3.5 器件选择1、光源：型 号波 长（nm）功率（mW）稳定性发散角（mrad）模 式管 长（mm）工作寿命（小时）售价（RMB）FPHL-250632.81.85%1.25TEMoo/multi25051000018002、分光棱镜多层电介质膜立方体半反射镜由两块直角棱镜组成。 分光镜把入射光按（12）或（13）的比例分为反射光和透过光。在入射面和出射面，镀了防反射多层膜。由于电介质膜几乎没有吸收，入射光的损失小。不象平板分光镜，立方体分光镜几乎不发生光轴偏移和重影现象。型号材料尺寸容差光洁度通光孔径光束畸变尺寸波长售价LOCBS20-633光学级K9玻璃+0.0/-0.1mm40-2090%+/- 2arc min20.0*20.0*20.0（mm）633nm310RMB3、反射镜名 称尺寸适用波长长度公差角度公差平面度材料售价直角棱镜6*6*8mm400-700nm0.1mm2分/4K9玻璃45RMB4、探测器-光敏三极管名称工作电压暗电流光电流上升时间最大功率工作温度售价硅光敏三极管20-30V10-100nA10Ma(V=10V,E=1000LX)5um(v=10V,R=5070mw-30+653.6RMB第四章 计数器电子设计4.1 计数器基本简介由于动镜在导轨上沿光轴移动的过程中，存在各种偶然因互的干扰（例如外界振动、导轨的平直度误差以及机械传动系统的不稳定等），使动镜产生偶然的反向运动，这种偶然的反向运动使计数器所显示的脉冲数为正反向移动的总数，而不是真正的被测长度，因此必然存在测长误差。为了解决这一问题，经光电转换并放大整形后，信号进入一方向判别电路，该电路把计数脉冲分成加、减二种脉冲，工作台正向移动时引起的脉冲为加脉冲、反向移动时引起的脉冲为减脉冲、把这两种脉冲分开后送入可逆计数器计数。在动态测试中测试元件需正反两个方面移动，利用可逆计数器对一个方向移动的信号进行加法运算，而对相反方向移动的信号进行减法运算，从而实现了可逆计数，下图为系统的原理框图10-14。接收电路信号放大波形信号接收译码计数控制波形整形显示器译码器计数器控制电路图4.1 光电可逆计数器系统原理框图4.2 计数器各部分结构及选择1）接收电路：由于现在设计的这个光电可逆计数器系统的目的是对光信号干涉条纹进行计数，所以接收电路主要任务是接收光信号，然后转换成电信号，又通过所接负载转换成电压信号输出。其主体就是一个光电探测器，光电探测器有两类，真空光电器件与固体光电器件。固体光电器件包括：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。2）放大整形电路：由于光经光电二极管产生的电信号很弱，不能使后面的波形整形电路及计数器正常工作，所以需要经过放大电路放大到一定程度才可以使后面的电路正常运作。波形整形电路是通过一个电压比较器将正弦波、三角波等转换成高低电平。基于计数器工作时钟脉冲需要高低相间的电平。然而经过光电二极管又经放大的电压信号是正弦曲线，所以电压比较器在此的作用非常重要。3）计数器电路：这是整个装置的核心部分，它接收来自波形整形电路的脉冲信号经过内部触发器的运作输出4位二进制数.若产生进位溢出则输入到下一个计数单元。从而又产生一个高位4位二进制数。4）译码器电路：将计数器输出的二进制数译成7段显示码信号.5）显示器电路：接收七段显示码信号触动数码管各端显示出所计脉冲个数的数字。6）控制电路：对计数器的工作产生置位与复位，复位让计数器的各输入端清除原来的状态为“0”状态，置位可以对计数器进行预置数15-19。信号细分判别系统干涉条纹纹放大整形光电接受放大整形光电接受4.3 计数器电路设计显示装置可逆计数器 移相系统图4.2 计数器原理图4.3.1 移相系统干涉条纹属增量码，需要判向可逆记数。干涉条纹的移相就是为了判别动镜移动的方向和倍频的需要。它是将干涉条纹用一定的方法分为二部分并使两者的位相偏移/2，经光电转换后，这两部分输出的电信号的位相也偏移/2，可用这两组信号来进行判向和倍频。下面介绍几种常见的移相方法。 1、翼形板和分象棱镜组合的移相。翼形板的形状如图，是由两厚度相等、材料相同的玻璃平板胶合而成，两板夹角170，厚度5mm翼形板在激光干涉比长仪中是如图方式安置的，即它被放在干涉光路（测量光路或参考光路均可）光束截面的下半部。使用时，以两板的交棱为轴，适当转动翼形板，使通过两板的光线彼此有/4的光程差。图4.3 组合移相2、狭缝移相 在两光电接收器前分别置两狭缝，如图，使两狭缝相对移开1/4干涉条纹的距离，这样通过两狭缝的两组干涉条纹就有/2的位相差。图4.4 狭缝移相3、机械移相 图4.5机械移相下面是设置两个理想90度相位差的模拟信号通过施密特电路的整形前后波形的变化对比。图4.6 理想状态下整形电路 图4.7 理想状态下波形整形前后对比4.3.2 光电转换模块光电转换的电路见图4.8由于发光二极管的工作电压大约在2.5V左右，工作电流大约在4mA到10mA左右，并且电源电压为5V，所以R3=（5V-2.5V）/（4Ma10mA）=250625，因此选择470的电阻作为发光管的限流电阻。三极管有放大作用，所以集电极的电流较大，所以要加一个阻值较大的电阻作为限流电阻，因此选择了10K电阻。当接通电源的时候，红外发射管发光，红外接收管反向导通，相当于短路，所以A点的电压为低电平，基极电流降低，发射结的电压降低，所以发射结反向截止，根据三极管基极电压与集电极电压反向的特性，所以集电极电压为高电平，当一旦有东西遮在发光管和光敏三极管中间时，红外接收管正向截止，即A点电位为高电平，当之超过三极管的导通电压（一般为硅管为0.7V，锗管为0.3V左右）时，三极管就会导通，当基极电流继续增加时，三极管会饱和导通，此时三极管相当于工作在开关的闭合状态，发射极相当于直接接地，所以集电极输出为低电平。再经过一个反向器后变为高电平，这样就可以给后面计数器一个上升沿脉冲，使其触发开始工作。图4.8 光电转换电路 4.3.3 细分辨向电路先在干涉系统中应用移相方法,将干涉条纹分为两组且彼此位相偏移/2，分别经光电转换后，输出的两组光电信号也彼此有/2的位移偏移，这两组光电信号经过细分判别电路，就可以知道移动方向。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形，幅值或者相位（两路相位相差90度）的变化规律，在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，从而得优于一个信号周期的更高的分辨力。 单稳态电路如图所示图4.9 单稳态电路辨向：如果A出现在B为负的半周期，则A滞后于B,正向运动；如果A出现在B为正的半周期，则A超前于B,反向运动 下面是细分判别原理框图，并没有给具体参数。图4.10 细分判别原理框图下面是电路中不同位置的波形图，其中左边的是正向移动给计数器加法信号，右边是反向移动，给计数器减法信号。图4.11 各位置输出波形下面是我用multisim软件画出来并进行了一系列的仿真，其中用理想的相位差90度的信号源，进行多次实验确定电路中的具体参数。图4.12 细分判别电路图根据上面的电路图进行仿真，其结果如下图，不同位置的波形图。下面为加法的波形图。ABA BAB Uo1 Uo2图4.13 模拟各位置波形图通过上面的波形图可以得出，仿真的结果几乎和理想的波形图一样，结果还是比较满意的。4.3.4 计数显示模块数码管译码：编码的逆过程，即将输入代码“翻译”成特定的输出信号。译码器：实现译码功能的数字电路。七段数字显示器原理按内部连接方式不同，七段数字显示器分为共阴极和共阳极两种(a)管脚排列图; (b) 共阴极接线图; (c) 共阳级接线图图 4.14 数码管内部电路显示译码器74LS48图 4.15 74LS48的管脚排列图和其逻辑符号图4.15 A0 =0时，/ LT =1时，若七段均完好，显示字形是“8”，该输入端常用于检查74LS48显示器的好坏；当A1=1时，译码器方可进行译码显示。用来动态灭零，当A2= 1时，且A3 =0，输入A3A2A1A0=0000时，则/ IBR =0使数字符的各段熄灭； / LT为灭灯输入/灭灯输出，当 VCC =0时不管输入如何, 数码管不显示数字；为控制低位灭零信号,当A3=1时, 说明本位处于显示状态;若 A3 =0,且低位为零, 则低位零被熄灭。图4.16 译码显示电路根据设计要求由于数码管是由发光二极管构成的，所以要在译码器与数码管之间加180的排阻电阻保护，因为选择的是共阴的数码管，数码管的两个公共端与地端相接。4.3.5 十进制计数器74LS19274LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。 CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。LD为预置输入控制端，异步预置。CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出， BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。图4.17 （a）74ls192引脚图 （b）74LS192逻辑符号图图4.18 74LS192的真值表工作原理：当=1，CR=0时，若时钟脉冲加入到端，且=1，则计数器在预置数的基础上完成加计数功能，当加计数到9时，端发出进位下跳脉冲；若时钟脉冲加入到端，且=1，则计数器在预置数的基础上完成减计数功能，当减计数到0时，端发出借位下跳变脉冲。由74LS192组成的一百进制递加计数器如下图。它的计数原理是：只有当低位端发出进位脉冲时，高位计数器才作加计数。当高、低位计数器处于99，且置数端=0，计数器完成并行置数，此计数器的置数值为99，当置数到99时可用复位端使其清零，在端的输入时钟脉冲作用下，计数器再次进入下一循环加计数。图4.19 计数器计数置位部分下面通过一个时钟发生器发出脉冲，接入UP端，DOWN端接高电平，实现加法运算。仿真结果如下图，可理想实现加法运算20-22。图4.20 可逆计数器及显示部分电通过仿真可以完全实现电路的细分判别和可逆计数的功能，并且仿真现象非常理想，完全可以实现现实的电路设计。结 论本文介绍的基于迈克尔逊干涉仪微位移测量系统课题的研究。本人根据课题要求阅读了国内外大量的科技文献，进行了调研，在此基础上提出了实现干涉测量系统的设计方案，进行了一系列的光路、电路设计和模拟实验。通过这些较为系统及深入地研究，研制出了理论的干涉测量微位移装置。现对所做工作进行总结：1）首先介绍了本课题的背景和研究意义，接着对现有的微位移测量装置进行分折，了