（光学工程专业论文）基于LabVIEW的相移综合系统的改进与实现.pdf

摘要 基于l a b v i e w 的相移综合系统 的改进与实现 专业名称：光学工程 申请者姓名：刘赣勇 导师姓名：吕晓旭 相移相位测量法是一种高精度相位测量方法，它通过在相同频率的两束光波 之间引入光程差，从而实现相位的变化，相移法采用c c d 直接获取干涉图，再加 上一定的时间调制，采集三幅以上的条纹图，经简单的运算可以获得被测物理量 的相位信息。为了提高系统硬件的使用效率、操作的自动化程度和相移的测量精 度，本文从理论分析、功能齐全、操作方便出发设计和研制相移测量系统。 本文运用l a b v i e w 设计一套相移测量系统。系统以压电陶瓷( p z t ) 作为相移 执行器，并结合数据、图像采集卡进行数据和图像的采集与分析。由于p z t 具有 体积小、响应快、位移量大及精度高等优点，已成为目前应用非常广泛的微位移 执行器。但是由于压电陶瓷的位移与驱动电压之间的非线性对微位移量的精确控 制会产生一定的难度，所以对p z t 进行校正具有重要的意义。 本系统共分监视模块、数据采集模块、相移器校正模块、图像采集模块，其 中监视模块具有观察环境对条纹的影响以及调整条纹状态的功能，数据采集具有 实时采集p z t 移动对应条纹光强值变化的功能，校正模块具有相移器校正功能， 图像单元具有实时图像采集功能。 为了改善p z t 非线性特性以提高p z t 移动的精度，本文基于l a b v i e w 提出了 一种新的p z t 校正算法，通过求出最值和均值再转换成p z t 的位移，此算法计算 量小，精度高，可以方便快捷地得出p z t 相移器的线性电压区间，在此区间内系 统通过控制数据采集卡输出电压驱动p z t 移动的位移达到纳米( r i m ) 量级，提高 了p z t 的移动精度。 本文在图像采集模块提出一种新的采集图像方法，可根据实验要求设定每驱 动压电陶瓷n 步采集一幅图像，实现了驱动与采集的自动化，具有同步的特点。 由实验结果表明系统可以方便快捷以及高精确度地采集到相应相移量的干涉图。 通过系统在实际实验中的应用证明，系统具有稳定、方便、快捷功能实用的 特点，并在数字全息、相位测量等方面得到很好的运用。 关键词：相位测量、相移、采集、校正 t h ei m p r o v e m e n ta n d i m p l e m e n to fc o l l i g a t i o n p h a s e - s h i f t i n gs y s t e mb a s e d o nl a b v i e w m a j o r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：g a n y o n gl i u s u p e r v i s o r ：xi a o x ul u a b s t r a c t p h a s e s h i f t i n gi so n eo fh i g hp r e c i s i o np h a s em e a s u r e m e n tm e t h o d i ta c q u i r e s d i s p l a c e m e n tb yt h es a m ef r e q u e n c yb e a m t h ep h a s e s h i f t i n gg a t h e rt h ei n t e r f e r e n c e p a t t e r nb yc c d ，p h a s ei n f o r m a t i o no ft h ep h y s i c a lq u a n t i t i e sc a nb ea c q u i r e db yt h e s i m p l ea r i t h m e t i c i no r d e rt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o na n dm e a s u r e m e n t a c c u r a c y ，t h i sp a p e rd e s i g na n dd e v e l o pap h a s e s h i f t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mb y t h e o r e t i ca n a l y s i s ，f u l l f e a t u r e da n de a s yt oo p e r a t e t h ep a p e rd e s i g n sap h a s e - s h i f t i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mb yl a b v i e w t h e s y s t e mu s ep z ta sp h a s e - s h i f t e ra n dc o m b i n ew i t hd a t aa n di m a g e a c q u i s i t i o nc a r dt o a c q u i r ea n da n a l y z ed a t a b e c a u s eo fm i n u t e n e s s ，q u i c k l yr e s p o n d i n ga n dh i g h p r e c i s i o n ，t h ep z th a sb e c o m et h ea p p l i e dv e r ye x t e n s i v e l yt i n ym o t i o nm a c h i n e c u r r e n t l y b u tt h en o n l i n e a r i t yo ft h ep z ti n f l u e n c e st h ep r e c i s i o n t h e r e f o r et h e c a l i b r a t i o no f p h a s e s h i f t e ri sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ep h a s em e a s u r e m e n t t h es y s t e mi sd i v i d e di n t om o n i t o r i n gm o d u l e ，d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ， p h a s e s h i f t e rc a l i b r a t i o nm o d u l ea n di m a g e - a c q u i s i t i o nm o d u l e t h em o n i t o r i n g m o d u l eh a st h ef u n c t i o ni no b s e r v i n gt h ei m p a c to fe n v i r o n m e n to nt h es t r i p ea n d t 丌 a d j u s t i n gt h es t a t u so fs t r i p e t h ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ec a l lr e a l t i m ea c q u i r e sl i g h t i n t e n s i t yc o r r e s p o n dt ot h em o t i o no ft h ep z t t h ec a l i b r a t i o nm o d u l ec a l lc a l i b r a t e t h ep h a s e s h i f t e r t h ei m a g e a c q u i s i t i o nm o d u l ec a l lr e a l - t i m ec o l l e c ti m a g e s i no r d e r t oi m p r o v et h en o n l i n e a r i t ya n de n h a n c et h ep r e c i s i o no ft h ep z t ，t h ep a p e ra d v a n c e s an e wc a l i b r a t i o nm e t h o dw h i c ho b t a i n st h ed i s p l a c e m e n tt h r o u g ht h ee x t r e m e l yv a l u e a n dm e a nv a l u e t h i sm e t h o da r es i m p l ea n dh i g hp r e c i s i o n ，i tc a nq u i c k l ya n de a s i l y o b t a i nt h el i n e a rv o l t a g er a n g eo ft h ep z t ，i nt h i sr a n g ew ec a i lc o n t r o lt h ed a t a a c q u i s i t i o nc a r dd r i v i n gt h em o v e m e n tt oa c h i e v en a n o m e t e r t h i s p a p e ra d v a n c e s an e wi m a g e a c q u i s i t i o nm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t ，w ec a l ls e tt h ed r i v i n gs t e p so f t h ep z te v e r ya ni m a g ea c q u i s i t i o n ，t h i s p r o g r a ma c h i e v e ss y n c h r o n i z a t i o na n da u t o m a t i o ni nd r i v i n ga n da c q u i s i t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e mc a ne a s i l ya n dq u i c k l yc o l l e c tt h e i n t e r f e r e n c ep a t t e r n i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dc o n v e n i e n ta n df a s ta n dp r a c t i c a li n e x p e r i m e n t ，i tp l a y ss ow e l li nd i g i t a lh o l o g r a p h ya n dp h a s em e a s u r e m e m k e y w o r d s - p h a s em e a s u r e m e m 、p h a s e s h i f t i n g ，a c q u i s i t i o n ，c a l i b r a t i o n i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 论文作者签名：乒1 蓑灸 日期：矽7 年。矿为2 石日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论：艾在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名： 庐l 鹈 日期：渺? 年夕月6 日 翩虢溉i ( i 导师签名：、彬钔z ) 慨7 年厂月矽曰 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 第一章绪论 本章对光学位相测量技术的重要性、主要的实现方法进行了总结。对几种用 于实现相移的方法和装置进行了比较。最后简要介绍了本文所做的主要工作及取 得的结果。 1 1 光学相位测量的重要性 光波是普遍存在的一种能量传播形式，光波的所有信息都包含在振幅和相位 之中。人们可以通过对光波特性的分析实现对光波的各分量的测量，也可以以光 波为载体实现对调制对象的测量，因此光波的相位信息比强度信息更重要川。对 光波相位的测量是现代测量技术中的一个极为重要的研究和应用领域。可以用干 涉的方法把光波的相位变化转变为强度变化的干涉场，通过对干涉场的分析便能 够得到待测相位分布。 在光学干涉测量中，由于待测物理量被编码在条纹图中，如何从条纹图中提 取出被测物理量，是现代光学测量中需要解决的一个十分重要的问题。传统相位 测量方法是对干涉条纹的强度分析，包括干涉条纹的采集和数字化、图像预处理、 确定极值点、条纹细化、确定条纹级数和插值拟合等步骤，这种方法受到多种因 素的影响，难以获得较高的测量精度，一般只能达到1 5 个条纹周期，最高不超 过1 2 0 个条纹周期。现代相位测量技术主要特点是引入相位调制来实现被测量 的提取，包括基于频率调制的外差干涉测量、基于空间域调制的傅里叶变换法、 利用时间域相位调制的相移法等【2 d o 】。 为了适应高精度测量的要求，有大量的学者从事相位测量方面的研究工作。 早在7 0 年代，相位测量技术的理论基础已经形成，但由于当时图像采集、处理 技术以及计算机技术的限制，制约了它的发展。直到8 0 年代，随着大规模集成 电路的出现和c c d 固体摄像器件的发展，进一步促进了相位测量技术的发展。 在现代高精度测量中，光学相位测量技术的应用几乎是不可缺少的，其早期应用 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 主要是在电子散斑干涉技术中进行变形测量和无损检测方面的应用【1 2 】。近年来， 双光束干涉用于物体变形测量、表面粗糙度检测、三维面形测量已趋于成熟，各 国的研究人员发表了大量有关各种相位测量技术的文章 1 3 - 1 5 。1 9 9 0 年， g m b r o w n 等人提出了计算机辅助全息光弹性测量，将相位测量技术应用干 光弹性应力分析，得到了较理想的结果。由此可见，相位测量技术已成为光学干 涉计量术一个不可缺少的部分，也己成为计算机辅助光学测量的一个重要内容。 总之，相位测量技术是综合利用包括激光技术、图像采集技术、电子技术、信息 和图像处理，计算机、精密仪器和自动化技术等发展起来的一种提高光学测量精 度的数字化新方法，具有十分广阔的应用前景。 2 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 1 2 测量方法介绍 目前主要的相位测量方法有三大类：外差法、傅立叶变换法以及相移法一 1 ) 外差法 光学外差相位测量方法最早是由c r a n e n 6 3 于1 9 6 9 年提出并在实验上实现的， 随后得到了应用。外差法的基本思想是通过在两束干涉光中引入固定微小的频移 以产生拍频，从而使光信号的变化能被光电探测器接收，经过相应的处理获得位 相信息。拍频的产生是通过具有一定频率差的两个光源或是同一激光经分束，其 中的一束经过频率调制之后再复合。它的缺点是需要对外差信号用硬件进行实时 解调，数据采集量大，静态测量时对系统和环境的稳定性要求高，为了实现二维 数据的快速采集，系统必须具备并行检波能力，而且检波器的数量要与图像采集 阵列的数量相同，使其研究和应用受到限制。由于拍频的产生比较复杂，特别是 要得到稳定的频差对仪器和测试条件要求相当高。所以，外差技术没能得到推广。 但由于它的测量精度非常高( 可以获得优于入1 0 0 0 条纹的测量精度) ，随着技 术的发展，外差干涉测量技术也具有一定的应用前景。 2 ) 傅立叶变换法 附加空域载频相位测量方法又称为傅立叶变换法【1 刀首先由t a k e t a 于1 9 8 2 年 提出，它采用空间相位调制来替代时间频率调制，以缩短外差技术测量所需时间。 其实现过程：利用c c d 摄像机直接采集条纹图，采用傅立叶变换将变形条纹图从 空域变换到频域，在频域中把高频噪声和载频去掉，只保留条纹频率，然后进行 逆傅立叶变换再从频域变换到空域，进行相应的处理即可得相位分布n 8 1 钔，傅立 叶变换法求解相位的优点是只需一幅条纹图即可得出其对应的相位分布，容易实 现对动态过程的测量。其缺点是存在理论计算误差，测量精度分布不均匀，由于 图像传感器尺寸产生的采样窗口限制，即使在理想情况下其计算结果也是中间精 度高，边缘精度低。影响测量结果精度的因素比较多，如背景函数、噪声、待测 相位的分布等，都会对测量结果产生比较大的影响。 3 ) 相移法 1 9 6 6 年，c a r r e 首先提出了相移相位测量幽，它是一种离散的相位调制，它 的方法是在相同频率的两束光波之间通过引入光程差，从而实现相位的变化，它 3 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 是外差技术和傅立叶变换法的折中，既克服了傅立叶变换法精度的问题，又缩短 了外差法测量所需时间。移相法采用c c d 直接获取干涉图，再加上一定的时间调 制，采集三幅以上的条纹图，经简单的运算可以获得被测物理量的相位信息。它 具有高的测量精度、计算速度快、对条纹图对比度和均匀性要求低、在整个图像 范围内测量结果均匀性好、能够确定相位变化方向等优点。但相移相位测量方法 需要在不同时间采集多幅度条纹图，需要选择高精度的相移执行装置。基于以上 特点，本系统采用相移法进行实验研究。 4 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 1 3 相移装置的比较 相移技术是实现高精度相移位相测量的关键技术。在移相的过程中，相移器 的精度、重复性以及稳定性等都会直接影响到相位测量的精度。目前主要的相移 装置有：压电位移相移器、平行平板、偏振相移装置、偏振相移装置、光纤相移 调制器、激光输出频率调制等，下面对这些相移装置作简单介绍。 1 ) 压电位移相移器 压电陶瓷材料是一种铁电晶体，它由许多微小的晶粒无规则地“镶嵌 而成。 其工作原理是把压电陶瓷晶体粘贴在反射镜后，在其上加直流电压，压电陶瓷将 会产生微小的位移，这个位移将使反射镜移动，当把这反射镜放在参考光路中就 会改变光程达到改变参考光相位的目的。在进行人工极化之前，它是各向同性的， 不显示压电性；在人工极化之后，它就具有了压电性，沿极化方向有一根旋转对 称轴。压电陶瓷位移和相位变化的关系可以表示如下： 彩：4 万生 兄c o s 乡 其中口为光线与反射镜表面法线的夹角。常见的压电陶瓷材料有钛酸钡、锆钛酸 铅、铌镁锆钛酸铅等。其中，改进型的锆钛酸铅材料制成的压电陶瓷片，其伸长 变形方向与电场方向平行，其微位移的线性好、转换效率高、性能稳定，其位移 与驱动电压方程为 乃= d ( v ) v 式中，幽为伸长量，一般以纳米为单位，d ( v ) 为压电陶瓷的压电系数，v 为施 加在压电陶瓷片上的电压。压电陶瓷相移器( p z t ) 具有易调节、工作稳定等优 点，是一种比较理想的相移装置口引。但压电系数在电压变化的过程中有微小的变 化，即伸长量随电压的变化有一定的非线性，这在使用过程中必须加以注意的。 此外，伸长量还具有一定的迟滞、蠕变等特性，对相移器的精度会有一定的影响， 使用时必须对其进行相应的校正。 2 ) 平行平板 在干涉系统的一束光中放置一平行平板，对应不同的倾角，可以引起不同的 5 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 光程差，从而使光波的相位发生变化。通过倾斜光学平板与入射光线成不同的倾 角，可以得到不周的相位变化量妲钔。由于平行平板是透射型的，为了使整个波面 发生等位相改变，对于内部的折射率分布以及平行平板整个面上的厚度有严格的 要求。因此要求该光学平板具有很高的光学质量。 3 ) 偏振相移装置 偏振相移装置的原理在于把线偏振光经过1 4 波片变成圆偏振光，两个圆偏 振光经过旋转偏振片就成为具有相移的干涉光。每当转动偏振片4 5 0 ，位相将改 变9 0 0 ，而转动角度比压电陶瓷的微小位移更易实现并且易于获得更高精度。为 了提高相移精度和自动化程度，可用步进电机和齿轮减速机构来转动偏振片，步 进电机由计算机i o 接口输出脉冲控制，每次转动偏振片4 5 0 。但在缓步进给的 过程中，步进电机常出现丢步、滑步的问题，给测量的实施带来了困难测。另外， 偏振元件还与波长有关，而且偏振元件不易做大，使测量对象受限，因此使它的 适用性受到了一定的限制，通用性不强。 4 ) 光纤相移调制器 光纤已方便地用于许多干涉仪中，其优点是便于安排光路，节省光学元件， 使用光纤作为相移调制器己用于电子散斑干涉方法。其原理是一个柱形压电陶瓷 p z t 并在其上缠有光纤，改变压电陶瓷上电压使其变形从而导致光纤伸长产生 万2 的光相位变化。相移器还可采用闭环控制，即通过接收物光和参考光的相位 达到精确相位控制的目的，其相位偏差为7 3 m r a d ，2 3 0 0 的准确度。 5 ) 电光相移调制器 电光调制器是一种晶体，当在其电极两端施加电压后，可改变其偏振方向， 它是一种电压控制的偏振相移装置，因而可以作为一种相移器。其原理为：将线 偏振光通过半波片，变成两个相互垂直的偏振分量，通过电光晶体后用偏振分束 镜实现两正交光束的分离，分别作为物光和参考光。当晶体的两极施加一定电压 时，两个分量间将产生一定的位相差，从而实现相移。这种相移方法的响应速度 快，精度高，但系统复杂，需要较高的电压源，光能利用率低。由于受到c c d 的帧频的限制，其快速的优势无法得到体现，除非采用高速c c d 以及图像采集卡 与之配套使用，但高速图像采集产品价格又非常昂贵。 6 ) 激光输出频率调制 6 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 当使用半导体激光器作为光源时，可以利用改变激光的输出波长来实现相 移。采用改变半导体激光的注入电流或环境温度来改变激光器的输出波长，其相 移与波长变化的关系为 矽：2 n 等d ( 卜3 ) 砧 其中入为激光器输出波长，兄是波长的改变量，d 是干涉仪的光程差。在实际 应用中，由于相移的改变决定于光程差，而光程差d 不是一个常数，且不易准确 测量。因此波长变化量兄也不可能与妒存在固定关系。并且目前该方法只应用 在半导体激光器作为光源的情形，半导体激光器的相干性相对较差。以其它种类 激光器作为光源时还需进一步研究。 除了上述方法外，还有如空气相移器等相移方法，通过对上面这些相移装置 比较，本文采用压电陶瓷作为移相装置的执行器，它的形变是靠原子分子间的相 对位移产生的，因而具有很高的位移分辨率，是一种普遍采用的移相装置。 7 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 1 4 虚拟仪器介绍 1 4 1 虚拟仪器功能 虚拟仪器的概念可具体描述为“虚拟仪器是利用现有的p c 计算机、加上特 殊设计的仪器硬件的专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所 没有的特殊功能的新型仪器 。虚拟仪器技术使用户可以根据自己的要求设计自 己的仪器系统，从而满足多种多样的应用需求，可广泛应用于科研、生产、军工 的测量与控制系统嘲1 。 虚拟仪器从功能上可以划分为三个部分嘲3 ： ( 1 ) 信号采集与控制。虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成硬件平台，实现对 信号的采集、测量、转换与控制。 ( 2 ) 数据分析与处理。虚拟仪器充分利用计算机的存储、运算功能，并通过软 件实现对输入数据信号的分析与处理。处理内容包括数字滤波、数据统计、数值 分析等。从数据分析上看，虚拟仪器比传统仪器具有更强大的数据分析能力。 ( 3 ) 测量结果的显示。虚拟仪器充分利用计算机的资源，如显示器、存储器等， 把测量结果以多种方式来表达与输出，其输出形式包括通过总线网络的远距离数 据传输，通过光盘、磁盘的拷贝输出，在硬盘上存储数据以及通过计算机屏幕等 图形接口的输出方式。 虚拟仪器一词中的“虚拟有以下两方面的含义： ( 1 ) 虚拟仪器面板 在使用传统仪器时，操作人员是通过操纵仪器物理面板上安装的各种开关 ( 通断开关、波段开关、琴键开关等) 、按键、旋钮等来实现仪器电源的通断、 通道的选择、量程、放大倍数等参数的设置，并通过面板上安装的发光二极管、 数码管、液晶或c r t 等来辨识仪器状态和测量结果。在虚拟仪器中，计算机显示 器是唯一的交互界面，物理的开关、按键、旋钮以及数码管等显示器件均由与物 理外观很相似的图形控件来代替，操作人员通过鼠标或键盘操作软件界面中这些 控件来完成仪器的操控。 ( 2 ) 由软件编程来实现仪器功能 8 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激励 信号可由软件产生的数字采样序列控制d a 转换器来产生啪1 ；系统硬件模块不能 实现的一些数据处理功能，如f f t 分析、小波分析、数字滤波、回归分析、统计 分析等，也可由软件编程来实现；通过不同软件模块的组合，还可以实现多种自 动测试功能。 1 4 2 虚拟仪器的优点 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多 方面有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一 机多用、可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点： ( 1 ) 融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储 等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示 器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 ( 2 ) 利用了计算机丰富的软件资源：第一，实现了部分仪器硬件的软件化，节 省了物质资源，增加了系统的灵活性；第二，通过软件技术和相应的数值算法， 实时直接地对测量数据进行各种分析与处理；第三，通过图形用户界面技术，真 正做到界面友好j 人机交互。 ( 3 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化， 大大缩小了系统的尺寸，可方便地构建模块化仪器。 ( 4 ) 基于计算机网络技术和接口技术，使v i 系统具有方便、灵活的互联能力。 ( 5 ) 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、 模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同 厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维护时 间。 1 4 3l a b v i e w 介绍 l a b v i e w 是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计人员提供了 一个便捷、轻松的设计环境。利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测 量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计 9 基于l a b v l e w 的相移综合系统的设计与实现 算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。l a b v i e w 使用图形化程序 设计语言g ，用方框图代替了传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科 学家、工程师习惯的大部分图标基本一致，这使得编程和思维过程非常相似，其 核心是v i 。 v i 有一个人机对话的用户界面前面板( f r o n tp a n e l ) 和类似于源代码 功能的方框图( d i a g r a m ) 。前面板接收来自方框图的指令。在v i 的前面板中， 控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。当 把一个控件或指示器放置到前面板上时，l a b v l e w 在方框图中相应地放置了一个 端口( t e r m i n a l s ) 这个从属于控件或指示器的端口不能随意删除，只能删除它 对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。用l a b v i e w 编制方框图程序时，不 必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框， 将之置于面板上的适当位置，然后用导线连接各功能方框在方框图中的端口，用 来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分 析v i 以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能。 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开 发工具库。其程序设计实质就是设计一个个的“虚拟仪器 。在计算机显示屏幕 上利用功能库和开发工具库产生一个前面板；在后台则利用图形化编程语言编制 用于控制前面板的程序。程序的前面板具有与传统仪器类似的界面，可接收用户 的鼠标指令。一般来说，每一个v i 都可以作其它v i 的调用对象，其功能类似于 文本语言的子程序。用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 开发环境，最 终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板口。 l a b v l e w 是带有可扩展功能库和子程序的通用程序设计系统。它提供了用于 g p i b 设备控制、v x l 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析的子v i ，可调 用w i n d o w s 动态链接库和用户自定义的动态连接库中的函数。l a b v i e w 提供了专 门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，动态执行程序来观察数据传 输过程，以及进行方便的调试。l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统 上的冯诺依曼计算机体系结构的执行方式。传统的计算机语言( 如c ) 中的顺 序结构在l a b v l e w 中被并行机制所代替。 从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模式。程序设计规定， 1 0 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能 完全时才是有效的。这种方式确保它不受操作系统、计算机等因素的影响。归纳 起来l a b v i e w 软件开发平台具有以下优点口： ( 1 ) 图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师 的语言。 ( 2 ) 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 ( 3 ) 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，又提供有独到的 高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的 调试和开发更为便捷。 ( 4 ) 囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i r s - 2 3 2 、4 8 5 在内的各种仪器通信总线标准 的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备 与仪器。 ( 5 ) 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s ( 动态连接库) 、 d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等。 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 1 5 本文的主要工作及创新点 本文的主要工作及创新点如下： ( 1 ) 基于虚拟仪器技术，采用美国n i 公司的l a b v i e w 软件开发平台以及相应的 数据采集卡建立了一套相移测试系统。 ( 2 ) 运用l a b v i e w 编写了图像采集程序，可以实时、方便、快捷地完成图像采 集任务。 ( 3 ) 通过l a b v l e w 并结合m a t l a b 编写了一种能对p z t 相移器自动校正的新方法。 ( 4 ) 通过测量系统对p z t 在不同电压条件下的位移特性进行了测量，在采集和 分析了大量实验数据的基础上，准确的获得了p z t 电压一位移特性关系。 ( 5 ) 对系统进行了实际应用研究。很好的解决了复杂的p z t 控制系统。实验表 明，该文所述的测量系统，准确、方便，精度高。 基于l a b v l e w 的相移综合系统的设计与实现 1 6 小结 本章主要讨论了相位测量方法的重要性，比较了主要的相位测量方法的优缺 点，并且从多种相移装置的比较中得出压电陶瓷相移装置的优点。最后介绍了虚 拟仪器的特点和功能。 1 3 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 第二章系统控制原理 2 1 相移位相测量原理 相移相位测量技术能直接计算出物体的位相信息，其基本思想是通过引入己 知的相移量，改变任意产生干涉条纹的光场位相，比较干涉场中的某一点在不同 相移量下的光强变化来求解相位。在双光束干涉技术中，通过将反射镜装在压电 陶瓷相移器上，由电压驱动相移器移动，从而使干涉场中干涉条纹图的强度产生 变化。干涉场的光强分布可表示为 i ( x ，y ，f ) = a ( x ，y ) + b ( x ，y ) e o s ( x ，y ) + 8 ( 0 】 ( 2 1 ) 式中a ( x ，y ) 一干涉条纹图的背景项； b ( x ，y ) 一一干涉条纹的可见度或调制度； 由( x ，y ) 一被测波面与参考波面的相位差分布，有时也称为被测相位； 6 ( t ) 一参考镜移动产生的相位变化量。 与外差法相比，时间相移法相当于用6 ( t ) 代替拍频项。也即只用时间调制替代 了外差法时频调制。由于不需要产生稳定的频率差，减少了扫描装置，因此系统 的实现相对简单。为了减小于涉测量的不确定度，设采集多幅具有相位变化的干 涉图的光强分布i ( x ，y ，t ) ，用一定的算法解出由( x ，y ) 。对于给定的干涉场某点 ( x ，y ) 处，式( 2 1 ) 中a 、b 和巾均为未知量。因此至少需要6 ( t 。) 、6 ( t ：) 、6 ( t 。) 三幅干涉条纹图才能确定出巾( x ，y ) 。 一般情况下，为了提高相位测量精度，通常需进行多次相移，这时干涉条纹 可以表示为 l ( x ，y ，f ) = a ( x ，y ) + b ( x ，y ) e o s 矽( x ，y ) + 点】 = a 0 ( x ，y ) + a l ( x ，y ) c o s s , + a 2s i n 6 f ( 2 - 2 ) 式中 ( x ，y ) = a ( x ，y ) ( 2 3 ) 1 4 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 a 1 ( x ，y ) = b ( x ，y ) e o s o ( x ，j ，) 】 口2 ( x ，y ) = - b ( x ，y ) s i n 矽( x ，y ) 】 按如下的最d , - - 乘原理 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 瞰x ，y ) - a o ( x ，y ) - a 1 ( x ，y ) e o s e 一口2 ( x ，y ) s i n e 2 = m i n ( 2 6 ) l = l 圣爱耋 = 彳一c 4 ，b c 毛弘4 ， c o s 8 c o s 24 c o s s _ fs i n s , j 二一 b ( x ，y ，4 ) = l ( x ，力 ( x ，y ) e o s s 。 ( x ，y ) s i n s ， 被测相位可通过a 。( x ，y ) 和a 。( x ，y ) 的比值求得 她川=嘴而a2(x,y)=黯=乱i_兰l-sins万1 c o s1c o s 口1 【x ，y )2 。fd f百jd f 特殊地，取四步相移，即n = 4 6 。= 0 ，62 - - - - 2 ，6 。= ， 6 。= 3 丌2 ，贝0 有 ( x ，y ) = 口，一c ，g l r j l i 4i ( x i , j y 5 ) _ = - = _ 7 1 而2 ( x , y ) j , 如果考虑干涉场中有固定噪声n ( x ，y ) ，以及c c d 探测器的灵敏度分布为s 干涉图的强度分布变为 l ( x ，y ，f ) = s ( x ，y ) 么( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s ( b ( x , y ) + 万o ) 】 + n ( x ，y ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( x ，y ) ， ( 2 - 1 2 ) 由于式( 2 - 1 1 ) 中含有减法和除法运算，上述干涉场中的固定噪声和面阵探测器的 不一致性的影响均可以自动消除。 1 5 4 咖谚萎 跏 4 4 s 1? 5 | l = 4 4 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 2 2 压电陶瓷特性分析 由于采用压电陶瓷作为移相装置，必需对压电陶瓷实现微位移机理及其特性 有比较深刻的了解，以便为控制提供理论依据。 压电效应是1 8 8 0 年由居里兄弟在石英晶体上首先发现的。它是反映压电晶 体的弹性和介电性相互耦合作用的。当压电晶体在外力作用下发生形变时，在它 的某些相对应的面上产生异号电荷，这种没有电场作用，只是由于形变产生的现 象称为正压电效应。当给压电晶体施加一电场时，不仅产生了极化，同时还产生 了形变，这种由电场产生形变的现象称为逆压电效应，逆压电效应的产生是由于 压电晶体受到电场作用时，在晶体内部产生了应力，这应力称为压电应力，通过 它的作用产生压电应变，实验证明凡是具有正压电效应的晶体，也一定具有逆压 电效应，两者一一对应一3 。 由于材料制造工艺的不同和其工作机理的复杂性，外加电场强度与压电陶瓷 的应变之间并不是严格的线性关系，而且还存在迟滞、蠕变等现象。因此，在实 际应用中要对这些特性进行针对性的研究。 1 、迟滞特性 当外加电压变化时，陶瓷内部的极化状态也要随之发生变化。当陶瓷内极化 状态的变化跟随不上外加电压的变化时，就要出现迟滞现象障射。压电陶瓷位移量 与电场强度( 电压) 的特性曲线存在明显的滞环，曲线如图2 1 。 图2 1 压电陶瓷迟滞回线 滞环曲线的幅度与形状和陶瓷合成物、压电元件结构、工作电压范围和负载 范围等因素有关。压电陶瓷的滞环一般在1 4 左右，并随温度变化而缓慢地变化。 1 6 墅三堡些坚翌生塑塑暨窒全墨塑堡生量塞墨 而电致伸缩陶瓷的滞环则在不同温度范围内变化较大，在温度大于3 0 时，滞 环小于5 ，而在温度小于i o 。c 聍 - ，滞环大于1 7 ，且呈指数规律增加。 2 、，蠕变特性 蠕变是指压电陶瓷微位移器对时间的滞后效应，当旌加电压之后，p z t 不能 马上完成全部形变，这是由于电介质内部的晶格间存在内摩擦力而存在一定的形 变滞后。另一方面，蠕变特性随驱动电压的不同而不同，也就是说，当施加不同 的驱动电压时，p z t 完成其相应的形变所需的时间是不一样的。这就给p z t 的精 l - t 图2 2 压电陶瓷蠕变特性曲线 改善蠕变特性的方法一是：在工作过程中测量蠕变的曲线值，并在结果中加 以补偿；二是：依据其时间特性在控制中加入时间常数控制量来减小和消除蠕变 的影响。 1 7 基于l a b v l e w 的相移综合系统的设计与实现 2 3 系统硬件设计 一个完整的操作系统应由硬件和软件两个部分组成，硬件部分主要功能是获 取信号，完成信号采集与数据通信的功能。本系统的硬件由计算机、激光器、数 据采集卡、图像采集卡、c c d 、压电陶瓷相移器、光电探测器和其他光学镜片组 成。可根据实验要求，将不同的硬件组合完成不同的实验内容。按功能可将系统 分成监测模块、数据采集模块、图像采集模块、相移器校正模块四个部分。 2 3 1 系统设计及功能 本系统预期具备如下功能： 1 ) 相移器能应用于不同的光路且易于调节，实现程控驱动； 2 ) 实时对条纹状态进行监控； 3 ) 条纹图实时采集，而且具备对条纹图进行监视的功能； 4 ) 系统能对相移器进行校正； 5 ) 实时采集并显示光号信，采用高动态范围的硅光电池作为探测器，获取 条纹图中局部光强，并采用高精度的数据采集卡，将探测器输出的模拟 信号经a d 转换器变为数字量输入计算机。 根据系统的功能可将系统划分为以下主要几个模块：监视模块、p z t 相移器 驱动模块、数据采集模块、p z t 相移器校正模块、图像采集模块，如框图2 3 。 叵困一区因 一 匦 2 3 系统模块关系图 1 8 基于l a b v i e w 的相移综合系统的设计与实现 2 3 2 硬件介绍 1 ) 数据采集卡( p c i - 6 2 2 1 ) p c i - 6 2 2 1 卡是n i 公司生产的适用于p c i 总线的一种多功能数据采集及控制 卡。它采用n i - - m c a l 校准技术，高达2 4 路数字i o ；3 2 位计数器；数字触发， 2 路1 6 位模拟输出( 8 3 3k s s ) ，n i - - d h q m x 测量服务使配置和测量更简单，它的 参数规格如下表： ，一 模拟输入 ， 通道数1 6s e 8d i 采样率 分辨率1 6b i t s 同步采样 否 最大电压范围- 1 0 - - 1 0v 精度范围 3 1 0 0 州 敏感度范围 9 7 6 埘 最小电压范围 一2 0 0 2 0 0m v 精度范围1 1 2 埘 敏感度范围 5 2