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能量天平的高精度激光干涉位移测量系统研究 摘要 中国计量科学研究院张钟华院士首次提出了“能量天平”方案，实现用精密 电磁测量技术实现建立量子质量标准的目标。根据项目要求，在“能量天平”中 设计了一套单频激光干涉仪系统，实现互感量测量中线圈位置的精密定位。 系统采用整体式的布局和偏振光移相的方法，提高了系统的稳定性和重复 性；采用光程差放大技术，提高了系统的分辨率；采用四通道探测原理和共模 抑制的方法，对四路相互正交的信号进行差分处理，减小光强零漂以及环境变 化对系统的影响。 使用高速信号处理卡和p c 机，在v c + + 环境下，设计一套测量软件，对激 光干涉位移测量结果进行环境参数补偿和修正，以及抗干扰处理。在实现信号 高倍细分和高速实时动态测量要求的同时，有效保证整个仪器的总体精度。 针对于实验中，测量光轴和导轨运动轴的调整困难等问题，予以分析。由 此，研制出一套激光干涉仪光路准直系统装置，可以实现干涉光路的准确调整， 从而降低余弦误差对测量系统的影响。 论文对测量系统的精度进行了评价研究及相关实验，分析了仪器误差和系 统设计要点，论述了高精度纳米级测量所需要实验环境。 关键词：能量天平；激光干涉位移测量；测量软件；光路准直；误差分析 s t u d yo nh i g h p r e c i s i o nl a s e ri n t e r f e r o m e t e rd i s p l a c e m e n t m e a s u r i n gs y s t e mo fe n e r g yb a l a n c e a b s t r a c t t h e e n e r g yb a l a n c e m e t h o dp r o p o s e db ya c a d e m i c i a nz h a n gz h o n g h u aw i t h n a t i o ni n s t i t u t eo fm e t r o l o g y ，h a ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h ee s t a b l i s h m e n to f q u a n t u m m a s ss t a n d a r db a s e do n p r e c i s i o ne l e c t r o m a g n e t i c m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，ah o m o d y n el a s e ri n t e r f e r o m e t e rs y s t e mi sd e v e l o p e dt o a c h i e v et h ep r e c i s ep o s i t i o n i n gi nc o i l s m u t u a li n d u c t a n c em e a s u r e m e n ts e t u p t h es y s t e mi sb a s e do ni n t e g r a ll a y o u ta n dp h a s es h i f to fp o l a r i z e dl i g h t m e t h o ds ot h a ti t ss t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t yc a nb ei m p r o v e d t h es y s t e m s r e s o l u t i o ni si m p r o v e db yo p t i c a lp a t hd i f f e r e n c ea m p l i f i c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e d o nt h em e t h o do ff o u rq u a d r a n td e t e c t i o na n dc o m m o nm o d er e p r e s s i o np r i n c i p l e ，a f o u r - o r t h o g o n a ls i g n a li sd i f f e r e n t i a t e dt or e d u c et h ez e r od r i f to fo p t i c a li n t e n s i t y a n de n v i r o n m e n t a li n f l u e n c et ot h es y s t e m u n d e rv c + + ，u s i n gh i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s s i n gc a r da n dp e r s o n a l c o m p u t e r ， am e a s u r e m e n tp r o g r a mi sd e v e l o p e dt oc o m p e n s a t ea n da m e n dt h ei n t e r f e r o m e t e r d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gr e s u l t s ，a s w e l la s p r o c e s s i n t e r f e r e n c e t h eh i g h s u b d i v is i o nr a t i oa n dh ig hs p e e dr ea l - t i m ed y n a m i cm e a s u r e m e n ta r ea c h i e v e d ， s i m u l t a n e o u s l yw i t ha s s u r a n c e o nt h eo v e r a l lp r e c i s i o no fi n s t r u m e n t d i f f i c u l t i e ss u c ha st h ea d j u s t m e n t so fo p t i c a lm e a s u r i n ga x i sa n dt h eg u i d i n g s l i d e sm o v i n ga x i sh a p p e n e di ne x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e d t h e r e f o r e ，al a s e r i n t e r f e r o m e t e r so p t i c a lp a t hc o l l i m a t i n gs y s t e mi sd e s i g n e ds u c ht h a tt h ei n f l u e n c e o fc o s i n ee r r o ri sr e d u c e di na c c o r d a n c ew i t ho p t i c a lp a t ha d j u s t m e n t t h es y s t e m sp r e c i s i o ni se v a l u a t e de x p e r i m e n t a l l y ；t h ei n s t r u m e n t se r r o r s a n dd e s i g nh i g h l i g h t sa r ea n a l y z e da n dt h eh i g hp r e c i s i o nn a n o 。m e a s u r e m e n t e x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n ti sd i s c u s s e di nt h et h e s i s k e yw o r d s ：e n e r g yb a l a n c e ；l a s e ri n t e r f e r o m e t e rd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e m ； m e a s u r i n gs o f t w a r e ；o p t i c a lp a t hc o l l i m a t i o n ；e r r o ra n a l y s i s 插图清单 图1 1 千克原器砝码实物图1 图1 2 “能量天平”方案的核心思想图3 图2 1 迈克尔逊干涉仪的原理图7 图2 2 干涉系统的光路图8 图2 3 光路实物图l1 图2 4 光电探测电路原理图1 2 图2 5 放大与调理电路原理图1 2 图2 - 6 示波器输出的两路正交信号13 图3 1 系统输出的正余弦信号1 4 图3 2 软件采集系统原理图15 图3 3 功能程序模块l6 图3 4 软件采集测量系统主界面1 7 图3 5 测量系统实物图1 7 图3 - 6 软件流程图18 图4 1 四象限信号处理原理图2 2 图4 2 光电转换及前级放大电路图2 3 图4 3 信号加减法原理图2 3 图4 4 信号除法原理图2 4 图4 5 信号滤波原理图2 5 图4 6 电路的电源设计原理图2 5 图4 7 电路的噪声图2 5 图4 8 使用电感测微仪进行瞄准系统实验实物图2 6 图4 - 9x y 路输出电压和位移的关系曲线2 6 图4 一1 0 电路x 和y 路输出噪声2 8 图4 11 使用干涉仪进行瞄准系统实验实物图2 9 图4 1 2 x y 路输出电压和位移的关系曲线( 改进后) 3 0 图5 1 不同环境条件下干涉仪静态漂移比较曲线31 图5 - 2 实验室环境的变化曲线3 2 图5 3 光电自准仪实验实物图3 3 图5 4 导轨偏摆角的测量曲线3 3 图5 5 偏摆角实验误差一位移曲线1 3 5 图5 - 6 偏摆角实验误差位移曲线2 3 5 图5 7 导轨俯仰角的测量曲线3 6 图5 8 俯仰角实验误差位移曲线l 3 8 图5 - 9 俯仰角实验误差位移曲线2 3 8 图5 1 0 实验比对原理简图一3 9 图5 1 l 夹角实验误差位移曲线4 0 图5 1 2 比对实验误差位移曲线4 1 图5 1 3 比对实验测量系统实物4 l 表格清单 表4 1 x 路输出电压和位移的实验数据一2 7 表4 2y 路输出电压和位移的实验数据2 7 表4 3 干涉仪实验x 路输出数据2 9 表4 4 干涉仪实验y 路输出数据2 9 表5 1 偏摆角( 4 次往返) 测量数据3 4 表5 2 测量数据l 3 6 表5 3 俯仰角( 4 次往返) 测量数据3 7 表5 4 测量数据2 3 9 表5 5 测量数据3 4 0 表5 - 6 比对测量数据4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒壁王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 刘小为 签字日期：2 d f d 年年月珥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金g 墨王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 女】小、为 签字日期：州p 年年月2 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 嚣耋憨 签字日期：h d 年耳月：w 甲 致谢 本论文工作是在导师黄强先教授的悉心指导下完成的。导师指引我走进了 一个无限广阔的知识领域，从电子器件和仪器的购买到系统的设计、从实验方 案的提出到论文总结，无不渗透着导师的关心和帮助，在有限的经费和实验条 件下给以全力资助。无论是在资料收集、理论研究，还是在系统集成调试，导师 都给予了精心指导，谨向导师致以深深的敬意和衷心的感谢。 感谢合肥工业大学仪器科学与光电工程的费业泰老师、陈晓怀老师、党学 明老师、夏豪杰老师、陈东老师、张勇老师、张兰刚老师、王宏涛老师等，他 们在课题方案及实验方面提出了许多宝贵意见和帮助。感谢王晨晨博士、刘文 其硕士给予热心的帮助。 感谢王祥、王广红、张维富、侯祺、盛秀丽、万耿华、孙拉拉、侯茂盛等 师兄弟和师兄妹们，感谓 倪康、石楠这两位本科生，谢谢他们陪伴我实验和参 与实验的讨论。感i 身 陪伴我渡过研究生的美好时光的同学和朋友们。感谢审阅 论文的专家和老师! 感谢我的父母，多年来他们的期望和勉励是我不断进步的力量。 论文的完成是和导师、老师i 同学、朋友的帮助和支持分不开的。谨向所 有关心和帮助我的人们表示深深的感谢和诚挚的敬意! 作者：刘小为 日期：2 0 l0 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景 l l l 引占 通常测量结果要溯源到国际单位制的基本单位，以保证其准确性。基本单 位的量值由计量基准所保存及复现。早期计量基准一般是根据经媳物理学的原 理，用某种特别稳定的实物来实现。如图1 1 ，例如保存在巴黎国际计量局( b i p m ) 的铂铱合金圆柱的质量就定义为质量单位千克”1 。 l争 l 趣i 112 实物基准的概述 实物基准在选择材料以及制造工艺都是有严格要求的，这样才能保持长期 稳定性。但是随着时问的流逝，实物基准开始出现很多缺点：例如它的特性会 发生物理、化学变化等，因而其量值也不再是最初的量值；有些实物基准往往 世界上只有一套，万丢失或者其他原因损坏将影响量值的传递等。像质量基 准传递就是各国的中央计量部门，将自己国家基准千克砝码带到巴黎，将其与 砝码原器进行比对以得到基准砝码的准确量值，校准后再向下传递质量量值【2 】。 l 13 质量量子基准的提出 随着社会发展，以实物基准为量值传递检定系统反映出来许多不足。为此， 就需要有新的计量基准来取代传统的实物基准。于是量子计量基准成为世界计 量学者的研究热点。 基本物理常数是稳定并且是不随着时间的变化。因此，人们试想如果能把 基本单位用基本物理常数重新定义，这样基本单位的定义就可以有长期的稳定 性”i 。许多国家研究人员已经对量子计量基准实现质量标准进行广泛深入的研 究【4 1 。 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 概述 当今，世界发达国家的研究人员用同位素自然丰度制作的样品来进行实验， 从而测定阿伏加德罗常数建立质量自然基准。首先测量硅单晶的晶格常数，然 后算出一个硅单晶球体中的硅原子数目，从而测量硅单晶球的质量，最后求出 阿伏伽德罗常数实现了建立基于硅原子质量的宏观物体的质量自然基准【5 】。 1 2 2 瓦特天平法 但是测定阿伏加德罗常数方案所测得的数据分析结果与电功率天平法( 本 节介绍) 的结果不一致。因此，许多国家计量院已开始进行用“功率天平法”建 立质量量子基准工作。 “瓦特天平法( w a t tb a l a n c e ) ” 6 - 9 】是英国国家物理实验室( n p l ) 的b b k i b b l e 于1 9 7 5 年首先提出的。这实验是用运动线圈装置比较电功率和机械功率，用 s i 单位制中的米千克秒测量机械功率，用约瑟夫森效应和量子化霍尔效应测 电压和电流，得到电功率，从比较中得到约瑟夫森常数k ；和冯克利青常数心 以及它们的乘积k ；段，进一步还可求出普朗克常数h 和电子质量m 。随着电 学的量子标准的发展，研究人员正在努力从电学的量子标准导出质量单位，从 而建立了一种量子质量标准。 但是瓦特天平实验中是将线圈挂在天平一端，实验时线圈将会发生左右摆 动运动，从而引起系统测量误差。针对上述问题，世界顶级的计量研究机构对 瓦特天平方案各出自己的解决方案，设法避免线圈在上下运动的过程中发生此 问题【1 们。 1 2 3 能量天平法 据此，中国计量科学研究院张钟华院士首次提出了“能量天平”方案，实现 用精密电磁测量技术实现建立量子质量标准的目标，设计了“磁能量( me ) 天 平法”方案，简称“m e 天平法”，开展了能量天平质量量子基准的研究，并已提 出一套独特实现质量自然基准的方案。 用精密电磁测量技术实现建立量子质量标准的目标。与国外的”功率天平” 方案相比较，”能量天平”方案无需在测量过程中使悬挂在天平上的线圈进行移 动，从而消除了国外方案中的最大误差来源。 假设一个系统的能量为w ( q 1 ，q 2 ，4 一) ， q 为广义坐标，则对应于广 义坐标q 的广义力为f = a w l 7 ，线圈系统分为固定线圈和可动线圈两部分，两 部分之间互感的磁场能量为彤，= m ，：厶两部分线圈之间垂直方向( z 方向) 的作 用力为f = ( a 出) ，。，把可动线圈悬挂在天平的一端，线圈间的作用力用砝码的 重力来平衡，则有m g = ( a m i 3 z ) i i i z ，所以，需要测出了g ，o m i a z ，1 2 这4 个 2 量，这样就可导出质量m 的量值来，并且不要求测量线圈的几何尺寸。其实，“能 量天平”方案( 图1 2 ) 中的核心是w i t 的量纲是欧姆，因此，互感可以溯源到量 子化霍尔电阻和时间基准，占核心地位的显然就是如何测出o w l o z 【1 。由此看 出，可动线圈位置垂直移动量的精确测量是能量天平法需要研究的问题是之一。 ；质量基准： ij 图1 2 “能量天平”方案的核心思想图 1 3 课题研究的目的、意义、内容及来源 1 3 1 课题研究的目的及意义 国际上，目前在建立各种量子基准的工作中，质量标准是最难建立的量子 标准。中国计量科学研究院张钟华院士首次提出了“能量天平”方案，实现用精 密电磁测量技术实现建立量子质量标准的目标。与目前国外的“功率天平”方案 相比较，“能量天平”方案无需在测量过程中使悬挂在天平上的线圈进行移动测 量，从而消除了国外方案中的最大误差来源。根据项目要求，在“能量天平”中 设计了一套非接触测量的单频激光干涉仪系统，实现互感量测量中线圈在几个 不同位置的精密定位。 以量子物理为基础的现代计量基准研究是为落实国家中长期科学和技 术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 和国民经济和社会发展第十一个五年规划 纲要，而启动的“十一五”国家科技支撑计划重点项目。一共包括9 个课题，其 中就包括能量天平质量量子基准研究，由此可见意义之重大。 另外，激光干涉位移测量系统是长度测量中的一种高精度测量系统。目前， 在微纳米三坐标测量技术与装置中，激光位移测量系统是保证目前微纳米量级 测量精度的主要选择手段之一。本论文的研究内容也是微纳米三坐标测量技术 中有待解决的主要技术难题之一，研究成果也可用于微纳米三维测量装置中。 1 3 2 课题研究的内容 单频激光干涉仪具有精度高、量程大、结构简单等特点，因此在长度测量 领域得到了广泛的应用，但往往其抗干扰能力相对于双频干涉仪来说较弱。但 本系统采用整体式的布局和偏振光移相的方法，提高了干涉系统的稳定性和重 复性。根据项目需要，我们研制出这套激光干涉位移测量系统，研究主要内容 包括： ( 1 ) 研究了质量的计量基准国内外研究的现状，就国内外研究的热点一瓦特 天平法和能量天平法两种方法进行了深入研究分析。 ( 2 ) 对双频激光干涉仪和单频激光干涉仪进行的深入研究。针对影响纳米级 精度位移测量的激光干涉仪的环境因素，提出了整体式的布局、共模抑制技术 等偏振干涉光路的设计，提高了干涉系统的稳定性和灵敏度。在光路中采用光 学细分技术，因而提高了系统的分辨率。 ( 3 ) 系统使用四道探测原理，并采用共模抑制及消除直流分量的方法，对系 统输出的相位差为9 0 0 的信号进行差分处理。通过实验证明，此方法增强了系 统抗干扰能力。 ( 4 ) 首次提出了光栅信号处理卡在激光干涉位移测量系统中的应用，实现干 涉位移测量系统的信号高倍细分和高速实时动态测量的要求。完成了测量分辨 率1 n m 以及测量速度不低于1 0 m m s 等要求。 ( 5 ) 设计了单频激光干涉位移测量数据采集系统。使用数据采集卡和p c 机， 在v c + + 环境下，进行应用开发测量系统。软件主要功能为实现信号的数据进 行处理、运算、数字滤波、振幅校正、相位细分、激光波长修正，提供最终测 量结果等。 ( 6 ) 研制了激光瞄准系统，其中包括：制定方案、结构设计、器件采购、原 理图s c h 的绘制、p c b 制版加工、电箱的制作、系统调试、系统测试等主要 工作。通过该系统校准，可以很容易实现两测量光轴和导轨运动轴线准直的校 准调整，使激光干涉测量系统获得高质量的输出信号。 ( 7 ) 针对干涉系统实验中测量光轴和导轨运动轴调整困难等问题，搭建实验 平台，进行一系列相关实验并对系统实验结果予以分析，给出激光干涉位移测 量的误差分析。此外，对提高系统的精度进行了深入的分析和研究。 1 3 3 课题的来源 l 、国家自然科学基金资助项目( 5 0 6 7 7 0 6 5 ) ： “用电磁测量技术实现量子质量标准” 2 、“8 6 3 ”计划项目( 2 0 0 8 a a 0 4 2 4 0 9 ) ： “微纳三维测量技术与装置” 4 第二章激光干涉位移测量系统硬件设计 由于激光的方向性好，单色性好及相干性好等特点，所以激光干涉仪在高 精度测长工程领域获得了广泛的应用。随着科学技术的进步，干涉测量技术已 经得到相当广泛的应用。一方面因为微电子、微机械、微光学和现代工业提出 了愈来愈高的精度和更大量程的要求，其它方法难以胜任；另一方面因为当代 干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适合恶劣环境、光波和米定义 联系而容易溯源等特点，因而在现代工业中应用非常广泛【j2 1 。 位移测量是激光干涉仪最基本的功能，由于激光的波长是国际米定义的基 准，因此干涉仪的位移测量结果可以直接溯源到米定义，是最精确的位移测量 手段之一。建立用于复现质量单位的高精度真空天平过程中需要研制激光定位 系统，实现互感量测量中线圈在几个不同位置的精密定位，因此就需要建立一 个高精度位移测量系统。因为本课题所要求的是通过能量天平的位移测量方案 实现质量标准的，因此在位移测量时也应该使用国家规定的长度基准来实现。 我国规定的长度基准是6 3 2 8 n m 稳频氦氖激光器的波长基准，因此实现位移测 量时，应该以6 3 2 8 n m 稳频氦氖激光器为光源。系统采用单频激光干涉仪，能 够满足非接触式测量的要求，不会产生力干扰和磁干扰，结构简单，成本低， 同时可以溯源到米定义【j 3 1 。 2 1 激光干涉测量法国内外研究 激光干涉仪在非接触高精度测量领域越来越多被使用，世界上很多国家对 其进行研究。目前，市场已经有很多商品化的双频激光干涉仪。在我们工程实 践中应用较多的有：美国h p 公司生产的双频激光干涉仪；英国r e n i s h a w 公司 的激光校准测量系统等。 我国研究学者也进行了大量的激光测量系统的研究，像我国第一台国产双 频激光干涉仪是由中国计量科学研究院与陕西机械学院研制的；四川成都工具 研究所已生产出带有测量空气参数装置并进行误差补偿的激光干涉仪。国内著 名高校也相继开展了对激光干涉仪及相关技术的研究【l 4 1 。 激光干涉仪通过对信号的细分来实现纳米级分辨率，然而在实际生产与应 用中却存在精度不是很高等现象。因此，对干涉测量系统的设计和研究成为很 多学者和专家的研究热点，也提出了不同的设计方案。我们一般将激光干涉测 量法分为外差激光干涉法和零差激光干涉法两种。 2 。1 1 外差激光干涉法 因为外差激光干涉法比零差干涉法更具有抗干扰能力，因此，得到了广泛 的研究。氦氖激光器在纵向磁场的作用下，其谱线分裂成一定的频差，偏振态 分别为左右旋的两束偏振光。经光路系统后，分为测量光和参考光，这两路光 相干后形成拍频信号，当测量镜移动时产生多普勒频移，其中包含被测位移信 息，通过运算可求出测量镜移动的位移量。磁场大小制约双频频差，因而影响 双频激光干涉仪的发展，因为所加的磁场不可能无限大。此外，外差激光干涉 法存在模间藕合现象和非线性等问题，也制约外差干涉仪发展。世界各国学者 对外差干涉仪的研究已经取得了巨大的进步【”】。 2 1 2 零差激光干涉法 较为经典的零差干涉法的原理如下：激光器发出的光束，经扩束准直后由分 光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而 产生干涉条纹。在测量中可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由探测部分 中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大及调理后输 入可逆计数器计算出总脉冲数，最后由计算机算出动镜的位移量。单频激光干 涉仪因为环境影响大以及非线性等问题的存在，所以世界各国的研究学者对其 进行了大量的研究1 1 6 1 。 上个世纪苏联科学院西伯利亚分院研制的激光干涉仪，研究表明其性能不 亚于双频激光干涉仪。单频激光干涉仪以运动反射镜的移动速度原理上不受限 制、生产成本低、工作原理简单等优点而得到了广泛的应用和研究。英国 r e n i s h a w 新型单频激光干涉仪采用偏振光移相方法，因此其抗干扰性能、测 量精度也得到了提高。系统获得三路位相依次相差9 0 0 的光干涉信号，经信号 处理后消除了直流分量的同时，还实现共模抑制。因此，在实际工程应用中实 现了较好的测量效果【1 7 。9 1 。 清华大学对单频激光干涉仪也进行了相关的研究，其系统采用自扫描光电 二极管列阵接收装置，然后信号进行直交转化，减小了环境波动对系统的影响。 同时，它还具有波长自动补偿等功能。系统实验证明它比普通的单频激光干涉 仪具有的抗干扰性良好及测量精度较高的优点 2 0 l 。 德国s i o s 公司具有纳米级精度的三光束微型激光干涉仪s p 一2 0 0 0 是一款 单频干涉仪，系统采用h e n e 激光的频率稳定性为2 1 0 一，三激光束来源于 同一光源，具有相同的波长6 3 2 8 n m ，最大输出功率大于o 5 m w ，其长度测量 范围2 0 0 0 m m ，分辨率1 2 4 n m 。s p 2 0 0 0 可用任何反射性表面作为靶镜，对环 境影响的激光波长进行补偿，靶镜最大速率大于5 0 0 m m s 。此外还提供温度、 湿度、振动测量模块，附带激光头俯仰偏摆调整装置，具有r s 2 3 2 接1 3 和u s b 接口和p c 机通信，其用于p c 机运行的软件i n f a cn t c 易操作，功能齐全1 2 。 激光干涉测量采用光学细分、电子细分、软件细分等技术提高激光干涉仪 的测量分辨率。但随着技术的发展，除了对细分技术进行相关研究外，还出现 了偏振激光干涉法和合成波长激光干涉测量法等新型激光干涉测量方法【2 厶2 3 j 。 6 2 2 迈克尔逊干涉测量原理 迈克尔逊干涉测量原理f 2 4 1 如图2 1 所示，设在测量开始时，一束激光经分 光器b 被分成两束，它们经过参考反射镜m 。和目标反射镜m ：后沿原路返回， 并在分光点处重新相遇，由光电接收器p 接收到的光强i 为： ，= 彳+ 彳+ 2 a i a 2 c o s 4 7 r ( 乙- z 。) ；4 ( 2 1 ) m ：移动时，位移发生变化，使输出光强i 变化，得到周期为的明暗( 正弦波) 光 信号。测量开始时两束光的光程差为： 1 = 2 n ( l 一厶) ( 2 - 2 ) 式中，n 为空气的折射率。测量结束时，目标反射镜m ：移过被测长度l 后 处于m ：的位置。此时两光束的光程差为： a 22 2 刀( 厶+ 三一t ) = 2 n l + a l ( 2 3 ) 在测量开始和结束这段时间里，光程差的变化量为： d = 2 一a i2 2 n l ( 2 4 ) 光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一次，则测量过程中与d 相 对应的干涉条纹变化次数为： k ：坐：一2 n l ( 2 5 ) 凡凡 式中，矗为激光光波中心波长。测得干涉条纹的变化次数k 之后，即可由 上式求得被测长度l 。 图2 1 迈克尔逊干涉仪的原理图 随着技术的发展，对基于迈克尔逊干涉仪的原理研究学者提出许多不同的 改进方案。为此本课题在传统迈克尔逊干涉仪基础上设计了一套单频激光干涉 位移测量系统，使其在复现质量单位的高精度真空天平中，实现互感量测量中 线圈在几个不同位置的精密定位。 2 3 干涉仪光路结构设计与优化 要想使得干涉仪进行纳米级精度的测量，须得在提高测量精度的同时，还 要提高其抗干扰的能力，为此纳米干涉仪光学设计中应该遵循以下原则：测 量光束与参考光束应尽可能接近同一路径，这样可以认为两束光处于相同的外 界环境，可以减小温度和振动对精度的影响，在设计中可将参考光束转折成与 测量光束相平行，同时尽量做到测量光束与参考光束等光程，在光学元件的设 置上应尽量相同。 为此，我们研制的这套纳米级精度激光干涉位移测量系统【25 1 ，具有以下特 点：( 1 ) 为了提高了干涉系统的稳定性和灵敏度，系统采用整体式的布局方案； ( 2 ) 为了提高了系统的分辨率，采用光程差放大技术；( 3 ) 电路上采用四通道探测 及共模抑制的方法，对信号进行差分处理，大大地减小外在因素对系统的影响； ( 4 ) 通过对信号的调理，电路系统输出的两路信号是幅值等大小相位差为9 0 0 正 交信号【26 1 。经处理后的信号分别被数据采集电路采集后输入计算机。环境参数 输入环境的温湿度及气压等环境参数可输入计算机，通过计算机软件对波长进 行补偿。数据处理软件该部分的主要功能为实现四路信号的数字滤波、振幅校 正、相位细分、激光波长修正等，提供最终测量结果。 2 3 1 光路系统的计算分析 l h 波片快轴方向 半波片决轴方向 匕l x ；3 ，1 2 ，1 4 偏振分光镜；4 ，6 ，1 0 1 4 波片；5 参考镜；7 测 ；1 1 消偏振分光镜；1 3 半波片 图2 - 2 干涉系统的光路图 为分析计算先设定坐标系，光传播方向为z 轴，平行于纸面且垂直z 方向 为x 轴，与z 轴和x 轴正交的方向为y 轴，系统光路分析见图2 2 。 整个光路分为干涉部分和探测部分，从干涉部分出射的两线偏光的振动方 程可以用下式表示，其中a 为两光束的振幅，r 。为测量光束所通过的光程，r ： 为参考光束所通过的光程，0 3 为初始相位， 测量光束： 巨= t 2 c 。s ( 奶一耐) 参考光束： 巨= 口c o s ( 知2 一t o t ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 测量光束和参考光束同时经过1 4 波片10 ，分别变成左旋和右旋的圆偏光， 波片的快慢轴的方向如图2 2 所示。左旋和右旋圆偏光的振动方程可以表示为： e l y = 一万a 伽( 缸- m t + n 2 ) 巨，2 万a 伽( 慨唰) t 2 万ac 哪( 红- c o t + n 2 ) t - 2 老伽( 红咧) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 蜩圆倔光经辽珀侗振分光锐11 ，被等分为光强相等的曲路光，分别射同偏 振分光镜1 2 和1 4 ，由p b s 的性质可知，光矢量沿x 轴方向的p 光分量透射形 成干涉信号2 ，光矢量沿y 方向的s 光分量反射形成干涉信号4 ，其干涉信号的 合振动方程分别为e 、e ”，光强分别为1 2 、1 4 ，其方程如下： 如一鲁+ 岳一鲁+ 鲁= 厄c ( 华+ 三卜( 华一耐) ( 2 - 1 0 ) 扣 胁s ( 学制甜卜s ( 妃哪劲 协 =髦+晕+髦+晕=厄伽(生鱼一三)c。s(生鱼一耐)(2-12)424 2 4 24 2 242 ll 厶。= s ( 华铘甜卜j ( 妃母詈) ( 2 - 1 3 ) 另一路光经过半波片1 3 ，半波片光轴的：h - 向如图3 3 所示，由半波片的性 质可知，圆偏光经过半波片，左旋圆偏光变成右旋圆偏光，右旋圆偏光变成左 旋圆偏光，那么同理，经过偏振分光镜1 4 ，光矢量沿x 轴方向的p 光分量透射 形成干涉信号3 ，光矢量沿y ：h - 向的s 光分量反射形成干涉信号1 ，其干涉信号 的合振动方程分别为e “、e ”，光强分别为i ，、i ，其方程如下： e = 责( 驴，) = 厄咖( 学) 倒( 华唰 ( 2 - 1 4 ) 9 厶= 卜胛( 华) 2 = 口2 1 + c 呱缸却硼( 2 - 1 5 ) e = 万a ( 塌) = 厄伽( 华h 半卅) ( 2 - 1 6 ) = 厄泐( 堕 2 - - a 2 坳她刊 ( 2 - 1 7 ) 由此可以看出，光电池所接收的四路光强信号i 。、i ：、i ，、i 。幅值相等， 相位差分别为9 0 0 ，将这四路干涉信号送模拟电路进行差分放大处理，可得到 两路相待善为9 0 0 的涮署信号t x ；l ；l v 汶两路信号可d i 亮系为 t = 厶一厶= 口2 ，+ c 。s ( 万一号) 一口2 + c 。j ( 万+ 三) = 口2 s r 刀万 0 = - 1 3 = 日2 1 + c o s 万 - a 2 1 + c d 5 ( 万+ 万) = 口2c o s 万 ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) 从以上公式推导可看出，干涉条纹进行空间移相得到相位依次相差9 0 0 的 四路干涉输出信号【27 1 。由于四个信号来自同一干涉光束，从理论上说它们受干 涉系统本身与外界的影响一致。因此，在电路系统中将位相相反的两个干涉光 信号相减消除信号中的直流分量，实验表明系统输出质量较好正交信号。经过 信号调理单元后，将模拟信号送数据采集卡，进行软件编程等2 3 1 。 2 - 3 2 干涉光路器件的选取与固定 系统选择了北京某公司生产的稳频的氦氖激光器作为整个系统的光源，其 波长是：6 3 2 8 n m ，频率稳定度可以达到l 1 0 j ，它是整个位移测量系统的测量 基准。 光学元件的选择，光学元件保证每个通光面上都要镀有增透膜，这样可以 减小激光通过每个光学元件时光强的损耗。偏振分光镜的分光面镀有偏振分光 膜，其消光比和波片光轴的延迟精度要高，这样可以减小测量系统的非线性误 差。 系统采用整体式的布局，将多个光学元件结合在一起，为了便于集成设计 时用一块底板将除激光器和测量镜之外所有的光学元件都固定在一块底板上， 如图2 3 实物图，实验表明可以增强系统对外界的抗干扰能力，同时减小环境 变化对系统的影响。 1 0 圈2 - 3 光路实物幽 2 , 4 干涉信号的处理 测量精度在很大程度上取决于信号处理方法。为达到纳米级的测量精度， 激光干涉仪都毫无例外的需要得到质量高的干涉条纹电信号。本干涉条纹信号 处理技术是利用光电探测器将光强的信弓转换成电信号，再通过后续电路处理 和相关技术得到展终的测量结果。 24 1 前置放大部分 干涉条纹信号处理技术是光学干涉测量技术中的关键技术之一。因此，光 电探测器的选择好坏直接关系到整个测量系统好坏。系统实验中应既要选择响 应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低的探测器件，还要考虑到系 统中元件的放置和机械结构。 考虑到调试光路方便等因素，是后选西门子公司生产一款硅光电池作为光 电探测器，光电探测电路原理( 圈2 4 ) 的设计有多种方式，在系统设计时我们 采用无偏压的工作方式，光电池输出的光电流与光强成正比。这样设计可以减 小了暗电流同时也提高了检测精度。前置放大电路被放置在自行设计的黑色盒 子里面，这样可以减小了外界环境对系统探测精度的影响。在系统规划上，考 虑到了便于调试光路，可以微调菩功能。 图2 4 光电探测电路原理图 2 4 2 放大与调理部分 经过前段探测电路后，光信号变化被转换为电信号，由于前段电路输出信 号较为微弱，需要进行二级放大，后端信号电路的原理图见如图2 5 所示。虽 然，从原理上四路干涉信号来着同一干涉信号，但是由于环境电磁干扰及高频 干扰等也会使信号质量变差，需要进一步对信号进行调理，在后端处理电路中， 我们将正负的正余弦信号进行差分出来，滤除了他们信号自身共有的干扰，极 大的提高了信号的质量。最后还设计了滤波电路，进一步保证信号输出质量， 使最后输出到采集卡的是正交信号，并且是等幅值的。 图2 - 5 放大与调理电路原理图 此外，为了避免实验室日光灯光源等对系统的光路的影响，我们设计了黑 色的屏蔽盒将所有的光路和光电探测电路全部罩起来，这样不仅屏蔽外界杂散 光和电磁噪声，而且使系统外观大方。如图2 - 6 所示，电路系统输出的四路信 1 2 号两两相减可以得到两路相位差为9 0 。并且是等幅值的正弦信号。 ， 、妻臻 ：霸； 一v _ _ 1 。”mh 一，r u 一v 一l ! - - 豳2 - 6 示波器输出的两路正交信号 243 信号细分技术 光栅测量系统同激光干涉仪样，要得到仪器的分辨率，就要将信号进行 细分。两者信号的共同特点是：具有周期性两路正交信号。如果信号采用硬件 细分，细分数越高，电子系统越复杂，处理电路带来噪声都会给系统增加非线 性误差。软件细分常常是利用判别卦限和查表细分也可以实现细分。但是要实 现高倍细分就需要修改程序和正切表，这种软件查询，细分速度慢，主要用于 输入信号频率不高的测量系统中。针对常有激光仪的高细分方法不足和测量速 度低的要求，本文提出了光栅信号处理卡在激光干涉位移测量系统中的应用。 光栅信号处理卡p c i g s ，其a d 采样频率为8 m s ，它可以对输出的正交信号 进行连续采集。此外，还可以自动修正原始信号的直流漂移和幅度漂移后，完 成在每个信号周期内对信号进行连续精确地1 6 位插值。这样就即满足了信号频 响要求，而且还实现了干涉位移测量系统的信号高倍细分和高速实时动态测量 的要求。 2 5 本章小结 干涉信号经过光电转换，运算放大和滤波处理后，最终输出两路相位差为 9 0 。的正弦信号通过数据采集卡进行a d 转换并送计算机处理和显示。采集 卡在对信号进行a d 转换的同时，不但可以自动的修正两路信号的相位差和幅 值，还能通过插值对信号进行细分处理，最高可以达到2 0 0 4 0 0 细分。因此， 为了能充分利用采集卡以实现高椿度测量，必须通过调整处理电路，使得电 路输出的信号信噪比能够尽可能高。通过示波器可以观察到，两路输出信号的 幅值大小为2 v 。激光干涉测量系统的光路采用4 倍细分，使用采集卡结合测 量软件再对信号进行2 0 0 细分，因此，系统的分辨率可以达到a 8 0 0 n m 。 荔曙牵 第三章采集测量系统软件设计 激光波长的稳定性是激光干涉测量系统的基础，檄光测量系统的每一测量功 能性能的好坏，还与各项测量功能相应的光学元件、电信号的处理及测量软件 等有密切关系。因此正确合理的测量软件系统是整个激光干涉测量系统的重要 保证。单频激光位移测量系统经光程放大单元、光电探测单元及电路调理单元 后得到两路正交i f 余弦信号，经数据采集卡采集输入计算机进行细分和波长修 正。在测量镜以速度为1 0 m m l s 运动时，处理电路输出信号时，从示渡器李沙 育圆观察可以看到，两路正余弦信号质量很好( 见图3 - i ) 。由于纳米级精度位 移测量用的激光干涉仪要求具有高稳定性、高分辨率和高精度，因此，波长修 正( 又称为空气参数补偿) 在激光干涉测量中是一项非常重要的工作”+ ”j 。 工 1 x j a q “。一“”一翟：二：了一i 纛 类型 园 持续，r 一、 圈 7 ， 格式 f l 田 ；j 姑 、一一? ， 对比度 减小 图3 - i 系统输出的正余弦信号 3 1 测量软件简介 能量天平的单频激光干涉位移测量系统软件是