（物理电子学专业论文）基于labview的干涉型动态微位移纳米在线测量系统的研究.pdf

中文摘要 纳米技术是在近乎原子尺度上研究物质的特性及物质问相互作用的前沿技 术。随着科学技术的飞速发展，纳米技术涉及到机械、材料、生物、化学等越来 越广泛的领域，对于纳米测量的需求越来越多，对于纳米测量的精度要求也越来 越高。高精度的动态位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业获得 位置精度的基础，也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素。而这些方面光 学干涉计量以其能够精确到波长量级的优势成为位移测量系统的主要代表。 本文提出了一种基于l a b v i e w 的利用光纤干涉法测量动态位移的测量系统 及方法，本系统中利用光分复用技术以及f b g 光栅的特性构成两个几乎重合的迈 克耳逊干涉仪，通过反馈系统驱动p z t 来控制参考臂长度，使两臂始终保持正交 状态，从而实现对外部环境干扰进行补偿，进一步使得测量系统得到稳定，并结 合软件编程的方法实现干涉信号相位的解调，该方法测量误差小，精度高，结构 简单，非常适用于在线测量。 本论文的主要工作包括：( 1 ) 对系统稳定性、相位解调技术分别进行理论分 析，并根据其中存的问题提出解决方案。( 2 ) 在在线动态测量中引入虚拟仪器技 术，建立动态检测的虚拟仪器系统，利用l a b v i e w 图形化语言实现数据采集以及 信号处理。( 3 ) 结合软件编程实现干涉信号的相位解调，避免使用p z t 以提高系 统测量精度。 关键词：纳米测量；动态微位移；相位解调；l a b v i e w ；数据采集 分类号：t b 9 6 a bs t r a c t n a n o t e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g i e st h a ti sa s s o c i a t e dw i t ht h e r e s e a r c h e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a la n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a t e r i a l so n t h ea t o m i c s c a l e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , n a n o t e c h n o l o g yi n v o l v e si nm o r ea n dm o r ef i e l d s ，s u c ha sm e c h a n i c s ，m a t e r i a l s ，b i o l o g y , c h e m i s t r y , e t c t h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n tm e a s u r es y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o ni st h e b a s i so ft h ei n d u s t r y , s u c ha sm e c h a n i s m ，i n s t r u m e n t ，w e a p o n s y s t e m ，a e r o s p a c e i n d u s t r y , e t c i ti sa l s ot h em a i nf a c t o rt h a ta f f e c t st h et e c h n i q u ep r o g r e s so ft h ei n d u s t r y m e n t i o n e da b o v e t h u s ，t h e o p t i c a l i n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r e m e n tw h i c hh a s w a v e l e n g t h s c a l er e s o l u t i o ni st h el e a d i n gr e p r e s e n t a t i o ni nd i s p l a c e m e n tm e a s u r e r e a l m t h i sp a p e rc o m e su pw i t has y s t e mr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l eo fd y n a m i c m i c r o d i s p l a c e m e n ti n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r e m e n t t h em u l t i p l e x e df i b e ri n t e r f e r o m e t e r c o m b i n e st w of i b e rm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r s ，w h i c hs h a r et h em a i no p t i c a lp a t ho ft h e o p t i c a ls y s t e m av o l t a g ec h a n g ei sa p p l i e dt op z t t om o d u l a t et h eo p t i c a lp a t ho ft h e r e f e r e n c ea r n lo ft h em e a s u r e m e n ti n t e r f e r o m e t e rw h i c h c o m p e n s a t e sd i s t u r b a n c e s ，s u c h a sv i b r a t i o na n dd r i f to ft e m p e r a t u r e , m a k e ss y s t e ms t a b i l i t y t h i ss y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ，m i n o re l t o rs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，a n di n s e n s i t i v i t yt ot h e d r i f t so ft h el i g h ts o u r c es p e c t n m a t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h et h e s i si n v o l v e s ：( 1 ) r e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo f i n t e r f e r o m e t r i co p t i c a lf i b e rs e n s o rs y s t e m sa n dt h e i rp h a s ed e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ；( 2 ) i n t r o d u c i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ei nt h ef i e l do fd y n a m i cm i c r o d i s p l a c e m e n t i n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r e m e n t ，e s t a b l i s h i n gt h ev i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mo fo p t i c a l m e a s u r e m e n t ，a n da c h i e v i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s ；( 3 ) t oa c h i e v e p h a s ed e m o d u l a t i o no ft h ei n t e r f e r e n c es i g n a l s k e y w o r d s ：n a n o m e t e r m e t r o l o g y ；d y n a m i cm i c r o - d i s p l a c e m e n t ；p h a s e d e m o d u l a t i o n ；l a b v i e w ；d a t aa c q u i s i t i o n ； c i 。a s s n o ：t r 9 6 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：力煳夕年7 月日 4 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： i 霞经 导师签名： 签字同期：切刁年7 月j e t ，一 弓扣 签字日期：叩年7 月乙日 致谢 本论文的工作是在我的导师谢芳副教授的悉心指导下完成的，从论文的开题 到论文的最终定稿，无不饱含着谢老师的心血和智慧，谢老师对我的谆谆教导和 言传身教使我不仅在专业知识上得到了长足的进展，还学到了许多科学的研究方 法，这些都将使我终生受益，并且她严谨的治学态度、孜孜不倦的求是精神潜移 默化的影响了我，鞭策着我在未来的人生之路上要不断进取。 感谢陈世谦老师在实验工作及撰写论文期间对我的大力支持和帮助，感谢冯 其波，高瞻，张斌，邵双运等老师给予我的帮助和支持。 在实验工作期间，我衷心感谢吴思进博士、高岩博士、杨婧博士、以及陈志 敏、李元轩给予我的帮助；感谢雷和平、高晓婧、毛雅亚、史增辉、岳鹏远，与 他们两年朝夕相处的日子是我一生的精神财富。 最后，感谢父母对我的养育之恩、无私的爱、经济和精神上的巨大付出，感 谢一直以来的默默关心和支持。 1 引言 科学技术上的重大成就往往是以测量仪器和方法的突破为先导的。正是由于 1 9 8 2 年扫描隧道显微镜的发明，人类才第一次实现了可观察、测量、传感物体纳 米尺度的位移、形貌或作用力的理想。纳米测量技术的内涵涉及到纳米尺度的评 价、成分、微结构和物性的纳米尺度测量，它是在纳米尺度上研究材料的结构与 性能，发现新现象，发展新方法，创造新技术的基础【l 】。 纳米科学是在纳米( 1 0 习m ) 和原子( 约1 0 0 0 m ) 的尺度上( 1 啪1 0 0 n m ) 研究物质的 特性、物质相互作用以及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术【2 1 。随 着科学技术的飞速发展，纳米技术涉及到越来越广泛的内容，形成了纳米生物学、 纳米化学、纳米物理学、纳米材料学、纳米电子学及纳米测量学等许多学科技术 的集合，在工业、国防等许多领域都起着巨大作用，并且会越来越深入地渗透到 人们的生活中。 纳米测量技术的研究大致分为两个方面：一方面是应用与研制先进的测试仪 器，分析各种测试技术，解决物理和微细加工中的纳米测量问题，提出改进的措 施或新的方法；另一方面是从计量学的角度出发分析各种测试方法的特点，如： 使用范围、精度等级、频率响应等【3 】。 1 1课题提出的背景和意义 近年来，在机械、仪表、工具、兵器、宇航以及工程等领域，经常会遇到如 何对微小位移或者微小振动进行检测，高精度的位移测量系统是其获得位置精度 的基础，也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素1 4 j 。而光学干涉测量以其纳 米量级的测量精度成为此测量领域的主导方法，在这其中，光纤干涉系统更以优 良的敏感性和结构简单，广泛的用于在线测量领域。 本文提出了一种基于波分复用技术的干涉型纳米在线测量系统，结合光纤传 感技术与虚拟仪器技术利用l a b v i e w 编辑数据采集以及相位解调软件程序，既可 以测得物体的微位移，又可测得其微振动。系统基于马赫一曾德光纤干涉原理， 对于今后通过共路干涉实现物体纳米量级微振动的在线测量，提供了良好的准备 工作和实验经验。 1 2几种测微位移和测振的系统及其工作原理 1 2 1 法布里一珀罗干涉仪测微位移法 2 0 0 5 年中山大学的江绍基，曾斌等人提出一种从光纤耦合和多光束干涉的原 理出发，建立了非本征型法布里一珀罗干涉仪光纤传感器的理论模型，得到了用 光谱法进行绝对距离测量的公式【5 刀。 h - - _ - _ - - - 7 - - _ - _i v - - - 图1 - 1e f p i 传感器的结构 这个系统是采用宽谱光源，由于光强和波长的光谱分布会随着f b 腔距s 的 变化而变化，该系统利用两次光谱中的光强最大值对应的波长来计算腔距的变化， 即位移的变化，由于该系统是通过波长而不是光强来实现位移的测量，所以它可 以克服光源强度波动对测量造成的影响，在理论上它具有更好地稳定性，虽然在 精度上也能达到很好的分辨率，但是由于它只能测量单一微位移或应变量，所以 也不能广泛适用于动态微位移的在线测量。 1 2 2 激光多普勒效应的测微位移法 任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的 运动，会使频率发生变化，这种频率变化称作多普勒频移，由于这种特性，所以 目前有很多测微位移以及测微振动的系统都是基于多普勒效应设计而成，图1 2 就 是一个典型的利用多普勒效应的动态微位移测量系统【1 1 】。 m e a s u r h lo 啪 图1 2 基于多普勒效应的微位移测量系统 2 h e _ n e 激光器发出的激光束经起偏器、1 4 波片到达分光镜后分成两光束， 其中光束1 经前置透镜到达参考反射镜回到分光镜，光束2 经前置透镜到达被测 物体，此时，当被测物体产生移动时，光束会产生多普勒频移，以此实现动态的 微位移测量。 该系统从理论上分析能达到最小的位移分辨率为0 0 0 3 2 t m ，但事实上，由于 其都是零散的光学元件，还有机械制动装置，所以系统造成的误差是不可忽略的。 1 2 3 利用光折变晶体的测振法 光折变晶体作为可重复使用的非线性介质，可以利用二波混合、四波混频以及 各向异性自衍射方法实时观测振动结构全息卧1 3 】。 南京师范大学光电技术实验室就对这方面的测振系统进行一些研究，他们提 出一种利用二波耦合法来实现微振动测量的系统。 图1 3实验装置图 利用光的干涉原理，分析了应用光折变晶体在准实时、离面小振幅振动时的 直接测量方法，把晶体作为记录介质，采用二波耦合光路，物光和参考光两次照射 晶体，透过晶体的物光与再现的原物光在观测平面形成干涉条纹，当物体振动时， 引起干涉条纹的移动，通过检测干涉条纹的变化，就可以计算出物体微振动的振幅 和频率。 与此同时，日本东京大学生产技术研究所和芬兰约恩苏( j o e n s u u ) 大学也利用光 折变效应共同研制出可测量l o n m 以下振幅的非接触振动测量系统。在这个系统中 即使是散射光也完全可以测量，并能抗干扰，可在生产现场的恶劣环境下使用。但是 可测量振幅的范围由散斑的平均直径与晶体内振幅的比决定其下限和上限。如果 振幅过小，输出信号被噪声埋没；如果振幅超过某值，物体的振动和输出信号的比例 关系开始参差不齐，最后必须要进行平均，这样也会给测量结果造成误差【1 2 】。 1 2 4 纳米量级动态微位移测量技术的展望及需要解决的问题 纳米测量技术随着隧道显微镜的诞生拉开了序幕，经过二十多年的研究已经 取得突破性进展。随着科技的飞速发展，人类对微观领域的研究与认识愈加深入， 对纳米测量学的精度、速度、范围、实时性提出了更高的要求。如何评价纳米材 料颗粒度、分布、表面和微结构，如何评价超薄膜表面平整度和起伏，如何评价 纳米量级的微振动等，都已成为纳米测量领域的问题。当前，晶体管和量子效应 原理性器件已经进人到1 0 0 0 m 级，芯片的尺寸越来越小，集成度增高，如何评价 纳米器件，这些问题都将是纳米测量学今后发展的重要内容。 总之，以上介绍的测微位移和测振测量需要解决的问题有：( 1 ) 新型纳米测量 原理、纳米测量方法的研究；( 2 ) 新型纳米测量系统的开发、设计与制造；( 3 ) 测量 精度的提高；( 4 ) 测量范围的提高；( 5 ) 干涉、衍射图像的计算机处理技术；( 6 ) 纳米 测量涉及的尺寸定标技术；( 7 ) 解决纳米测量环境因素的影响问题，如环境温度的 影响、外界振动、电磁干扰的影响等【lj 。 1 3几种常用的光纤干涉仪 从上一节的介绍中我们发现这些技术都存在系统复杂，器件敏感的问题，所 以并不非常适用于纳米在线测量，然而随着工业技术的发展所以对纳米在线测量 的需求越来越多，为满足这一需求更多的技术倾向于研制出系统简单，轻便并且 更稳定的技术。由于光纤对于其他光学元件来说更轻便而且光纤传感技术系统相 对来说更简单，所以在研制适用于纳米在线测量系统是更倾向于采用光纤干涉仪。 在光纤传感技术中常用的双光束干涉仪有迈克尔逊( m i c h l s o n ) 光纤干涉仪、 马赫一曾德( m a c h - z e h n d e r ) 光纤干涉仪和斐索( f i z e a u ) 光纤干涉仪。 1 3 1 迈克尔逊干涉仪 图1 4 为迈克尔逊光纤干涉仪略图。 图l _ 4 迈克尔逊干涉仪 4 反身于镜 反射镜 光源发出的相干光经3 d b 分路器分成强度为l ：1 的两束光，分别经信号臂光 纤和参考臂光纤传输至纤端反射镜反射后再返回至3 d b 分路器汇合相干，形成干 涉条纹送至光探测器检测。当信号臂光纤受外界信号扰动场作用时，其中传输的 光相位发生变化；而参考臂光纤与外界信号无关，其中光的相位保持不变，因而 产生相位差，导致干涉条纹产生相应的位移，经探测系统探测和信号处理后即可 解调处于被测量有关的相位移。迈克耳逊干涉仪的优点是结构简单，只需要一个 3 d b 分路器；但由于采用了纤端反射镜，返回光对光源有干扰，影响测量精度。 1 3 2 马赫一曾德干涉仪 马赫一曾德干涉仪由于不带有纤端反射镜，需要增加一个3 d b 分路器，如图 1 5 所示。光源发出的相干光经3 d b 分路器分为光强1 ：l 的两束光分别进入信号 臂光纤和参考臂光纤，两束光经第二个3 d b 分路器汇合相干形成干涉条纹。m z 干涉仪的优点是不带纤端反射镜，克服了迈克耳逊干涉仪回波干扰的缺点，因而 在光纤传感技术领域得到了比迈克耳逊干涉仪更为广泛的应用。 信号臂 1 3 3 斐索光纤干涉仪 参考臂 图1 - 5 光纤马赫一曾德干涉仪 斐索光纤干涉仪如图1 - 6 所示。光源发出的激光束经偏振片p 1 、3 d b 分路器及 传输光纤耦合进自聚焦透镜g l ，由g l 出射的光束照到被测物体的表面，自聚焦 透镜g l 的入射端面m 1 于被测物体的表面m 2 构成斐索干涉腔，m 1 和m 2 的反 射光束相干，相干光经3 d b 分路器分束通过偏振片p 2 后由光电探测器接收。偏振 片p 1 与p 2 正交放置，以消除自聚焦透镜g l 入射端面回射光的干扰。外界信号 ( 被测量) 通过改变斐索腔二反射面m 1 和m 2 之间的间距对光纤中的光相位进行 调制。 p 1 拖 | 图1 - 6 斐索干涉仪 前两种光纤干涉仪的结构基本相同，主要由信号臂( 传感臂) 光纤和参考臂 光纤构成，信号臂光纤作为传感光纤置于被测信号的干扰场中。两者的区别在于， 迈克耳逊干涉仪的两臂纤端带有反射镜。 基于上述的分析，m z 干涉仪的优点是不带纤端反射镜，克服了迈克耳逊干 涉仪回波干扰的缺点，所以本课题在进行基础实验过程中，选用马赫一曾德干涉 仪作为研究对象，由于迈克尔逊干涉仪与m z 干涉仪的相似性，如果在马赫一 曾德干涉仪中试验成功，那么在迈克尔逊干涉仪也同样适用。 1 4 本论文的主要工作 本论文为解决稳定问题提出了两个迈克尔逊干涉仪几乎共路的系统，利用反 馈电压驱动p z t 来稳定第一个迈克尔逊干涉仪，因为第二个迈克尔逊干涉仪和第 一个几乎共路，所以第一个稳定以后第二个也就稳定了，由此解决了稳定问题； 另外，通过利用特殊公式进行相位解调，同时联合软件编程，避免使用p z t 进行 直接比相的方法，减小了误差，提高了精度，也提高了测量范围。 本论文的主要工作如下： 1 在查阅文献资料的基础上，对纳米测量国内外发展现状做出较为全面 的综述，提出了一种基于波分复用技术、利用布拉格光栅特性的纳米测量 技术【2 l 】。 2 以马赫曾德光纤干涉仪为例，分析光纤干涉系统的稳定问题。 3 对相位解调技术进行详细分析，提出精度更高的相位解调系统。 4 在l a b v i e w 环境下编写数据采集系统的上位机软件程序，使其实现能 够实时的采集数据，显示数据，保存数据。 5 结合软件编程，对采集到的信号进行特殊的公式计算以实现相位的解 调。 6 调试程序，使其完全能够适用于实际实验的需求。 6 1 5 本章小结 在本章中，简单介绍了现有的动态微位移测量系统的构成、优缺点以及需 要改进的地方；又讲了光纤干涉仪作为纳米测量的优势，以及三种常用光纤干 涉仪，并对其系统进行分析后选取了适合本课题的光纤干涉仪；阐明了本课题 的意义，最后提出本论文的主要工作。 7 2 干涉型动态微位移的纳米在线测量系统 2 1 测量系统的介绍 图2 1 系统光路原理图 系统测量的主要思想是： 由两台中心波长差为0 5 n m 的半导体激光器，光纤3 d b 耦合器，光环行器， 布拉格光栅，自聚焦透镜等光学元件构成两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪， 通过光电探测p i n 将光强信号转换为光电流信号，其中测量回路中的干涉信号在 经过一系列电路将其转化为电压信号，在通过数据采集卡以及软件编程实现数据 的采集和相位解调；反馈回路中的信号经过反馈电路驱动p z t 用于补偿温漂和环 境扰动造成的噪声以实现稳定系统的作用【1 7 之3 1 。 下面将在2 1 1 ，2 1 2 ，2 2 以及2 3 节中分别介绍整个测量系统的构成： 2 1 1 波分复用技术 波分复用技术( w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , w d m ) 是将一系列载有信息、 但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将 各个不同波长的光信号分开的通信技术。这种技术可以同时在一根光纤上传输多 路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是个波长信道 2 4 】。 在本文中就是利用了这种技术，使得两个波长不同的光信号都能在同一根光 纤中传输。 2 1 2 光纤布拉格光栅( f b g ) 的工作原理 光纤光栅传感器是利用掺杂光纤天然的紫外光敏特性，将呈空间周期性分别 的强紫外激光照射掺杂光纤，从而使掺杂光纤的纤芯折射率沿轴向周期性分布， 得到一种芯内位相光栅，即光纤光栅其中的短周期光纤光栅亦称为光纤f b g 光栅 ( fibe rbrag g grating ) 。根据f b g 衍射原理，当多种波长的光束由 光纤内入射到f b g 上时，只有某一个波长的光被f b g 反射、使其沿原路返回，其 余所有波长的光都无损失地穿过f b g 继续向前传输( 如图2 3 所示) 【2 5 】。 a l ， a 2 。 图2 - 3f b g 反射工作原理 被f b g 反射的那个波长称为满足布喇格条件的波长： 以豫= 2 n e g a ( 2 - 1 ) 式中刀讲为光纤有效折射率，a 为光纤光栅的光栅周期。 在本课题中，我们选用的f b g 的反射谱宽为0 1 n m ，只要两光波长差大于 0 1 n m f b g 就很容易将其分开。所以在本系统中，由两台激光器发出的波长差小于 l n m 的光，由于f b g 反射特定波长的特性，分别作用于这两个系统中，又利用波 分复用技术构成两个反射镜独立但光路几乎重合的两个光纤迈克尔逊干涉仪。 2 2 光纤干涉系统稳定问题的分析和解决 光纤干涉型传感器由于灵敏度高、体积小等优点，受到很大关注。但是干涉 型传感器对被测物理量的变化敏感的同时也对温度漂移、环境振动等干扰也同样 敏感。所以环境温度的变化和周围空气的振动也会引起引起干涉仪两臂光纤长度 的微小的不确定的变化，使干涉信号的变化与被测量的变化产生偏差【2 6 1 。 9 2 2 1 系统稳定性的分析 以马赫曾德光纤干涉仪为例，如图2 4 所示： 信号臂 参考臂 图2 - 4 光纤- q 赫一曾德干涉仪 信号臂和参考臂中的两相干光： 甬唧卅一_ 稗仍。 ) 陋2 ， 巨- - 1 = 口：e x p z 缈r 一，z ：乏云+ 伤。 ) c 2 - 3 ， 式中鲲。、仍。为光进入光纤前的初始相位，墨、包为传播常数，毛= 哎= 等； a 为光在真空中的波长；厶、厶分别两臂的光纤长度，n ：为光纤纤芯的折射 率。 毛与厶方向相同，乞与厶方向相同 即向厶= 曩厶= 红，屯厶= 如乞= 坞，且刀。= n ：= 力 合成合振动为： e + = a ie x p i c o t 一以克+ 仍。】) + a 2e x p i c o t 一甩霓乞+ 仍。】) ( 2 4 ) a l ，a 2 为振幅； 令仍= - n k 1 + 仍o ，仍= 一刀触+ 仍。 则合振幅： a 2 = 口1 2 + 口2 2 + 2 a l 口2c o s ( 仍一仍) ( 2 5 ) 若a l = a 2 = 口则 ，= 彳2 ：4 口2c o s 2 丝 l o = 2 a 2 + 2 a 2c o s z x o = i o ( 1 + c o s z x f p ) ( 2 - 6 ) 其中缈= 仍一仍为相位差，即妒= 竿( 厶一厶) 。 可见干涉光强，是光程差妒的函数。环境温度，空气振动等扰动引起的干涉 臂光纤的抖动最后都反映到的变化上，即探测器检测到的干涉光强上。 环境的温度，外界的振动，甚至是空气的流动都可能对干涉仪的干涉效果产 生影响。在这些因数之中，温度对干涉仪的影响最为明显。下面从温度对石英光 纤的影响，进而得到温度对马赫一曾德光纤干涉仪输出光功率的影响。温度发生 变化，光纤会产生热胀冷缩效应，从上面的讨论可知在长度为的光纤中传播光波 的相位为 缈= 口o o 。+ k o n l = + 孚彪 ( 2 7 ) 光经过两臂后，光波的相位r a m ，仍分别为 仍= 仍。+ ，心= 鲛。+ 孚鸠 ( 2 8 ) 几 仍= 仍。+ k o n 厶= 仍。+ 兰三甩厶 ( 2 9 ) 当光路厶( 设定厶温度不变化) 温度变化了d t 。折射率，z 和光纤长度厶分别 有增量砌和心( 此处没有考虑温度对光纤直径的影响) ，公式( 2 8 ) 中仍与温度r 的 关系可用全导数表示为 亟= 塑o n 面+ 玺- =- + 啊一) l d n ld q 2 x ( l id n,dlidtd td td td t 6 l 1 ) 1厶dc,ol一等(堕+inldlldt d t d t ) 厶五l厶 仍的全微分为 d 仍= 竿( 厶砒+ 以。码) ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 当厶= 厶= l ，仍o = 统o = 缈，啊= n 2 = 以时，温度变化后，仍，仍的相位差分 别为 d 仍：孥( 厶砒+ n , d l i ) ( 2 - 1 3 ) d c p 2 ：孕( 厶帆+ 皿) ( 2 - 1 4 ) d ：p ：车( l 如+ ，z d z ) ( 2 - 1 5 ) d 2 ：军f 三鱼+ ，z 堕1 ( 2 - 1 6 ) d t 五ld td t d ( r p ) = d r p 。一锄= 等 ( 砌。- d n ：) + 咒( 码一鸩) ( 2 1 7 ) 式( 2 1 6 ) 中的d n ，d l 是受温度调制的，亦即温度调制了光纤的相位。 式( 2 1 6 ) 具有普遍性，等号左边表示单位长度的光纤受温度影响、温度每改变 1 度光纤中光的相位的改变量，等号右边的塑d t ，丝d t 分别表示受温度的影响光纤 的折射率的变化率和长度的变化率。有资料显示，对于光源采用h e n e 激光器 ( 元= 6 3 2 8 n m ) ，石英光纤( 聆= 1 4 5 6 ) 的温度影响参数： ! d c p ：1 0 6 5 m j 。c 班 ld t 塑：1 0 1 0 q 。c d t ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ! 堕：5 1 0 一，。c( 2 2 0 ) ld t 由式( 2 1 8 ) 矢1 1 ，对于长1 m 的石英光纤，传感臂温度每改变1 。c ，两臂产生的相 位差为1 0 6 5 r a d ，式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 分别为石英光纤折射率的温度变化率和线膨胀系 数。对于波长为1 5 5 0 n m 的激光，l m 的石英光纤，传感臂温度每改变1 。c ，对应 两臂产生的相位差为4 3 4 6 r a d 。 因此对于由光纤构成的马赫一曾德干涉仪，若两干涉臂离得比较远，或长度 相差比较大时，如一砌：，犯一码的值变大，所以很容易受到温度的影响，使得输 出光功率不稳定，造成检测结果不准确。 1 2 韭盛盆地厶堂亟芏位监童 壬丛型弛盎熊拉整曲地鲞垄缮趔堂亟蕴 凹2 - 5 实际测昔系统 下图是光纤m z 干涉仪其中一输出光强转化为电压信号后由示波器探测到的 信号图： t e kj ls o p 打印钮 日圈 选择 文件夹 关于 储存 幽2 巧干涉信号凹 显示信号的不稳定就足温度和其他噪声对两臂相位差的影响造成的。为了提 高干涉仪的测量精度需要对这些噪声引起的影响进行修正。 菡 2 2 2 稳定问题的解决 为了解决这一问题，本课题提出一种两个迈克尔逊干涉仪几乎共路的系统， 利用反馈电压驱动p z t 来稳定第一个迈克尔逊干涉仪，因为第二个迈克尔逊干涉 仪和第一个几乎共路，所以第一个稳定以后第二个也就稳定了，由此解决了稳定 问题，具体光路如2 1 所示。 测量系统中用的三个光纤光栅( f b g l ，f b g 2 ，f b g 3 ) 的参数相同，它们反 射相同的波长。系统中的光纤光栅将反射以波长。将f b g l 和f b g 2 写在尽量靠 近光纤自准直透镜( g r i n ) 的位置，使由f b g l 和f b g 2 为反射镜构成的光纤迈 克尔逊干涉仪与测量回路中的迈克尔逊干涉仪的光路尽量多地重合。 如图2 1 所示，由半导体激光器2 发出的光允经过两个3 d b 耦合器后分为两 路，一路被f b g l 反射，另一路被f b g 2 反射。两路反射光经过3 d b 耦合器后再 次相遇并发生干涉，干涉光分成两路： 一路干涉信号经过环行器3 后被f b g 3 反射，再经过环行器，然后被探测器 p d 2 探测，此光信号为： i i = i o ( 1 + c o s a c , o ) ( 2 2 1 ) 同时p d l 探测到的信号是经过环行器l ，2 又被f b g 4 反射的光信号为： 厶= i o ( 1 - c o s a ( o ) ( 2 2 2 ) 两路光分别出射到两个光探测器( d 1 、d 2 ) 中，通过光敏二极管将光强信号 转化成电信号： = k i i o ( 1 + c o s a t p ) ( 2 2 3 ) 之= k i o ( 1 一c o s a ( o ) ( 2 - 2 4 ) 经过信号处理系统后输出为：毛= 2 i o k c o s a t p ， 、l 、 j j l7 图2 - 6 如图2 - 6 如果a c p = 0 ，即信号光与参考光在无检测信号作用下相位相同，称为 1 4 零偏置，光电流随位相角的变化斜率接近于零，且处于余弦曲线的顶峰附近，因 而检测灵敏度低，非线性误差大，动态范围小。为了克服这一缺点，可使矽= 互2 ， 当伊= 要时，称为直流偏置或正交，即使信号光与参考光在无检测信号作用下正 交偏置。反馈电路的作用就是使光信号保持在这种正交偏置状态。经反馈电路处 理后的信号加到压电陶瓷上，通过压电陶瓷的伸缩调节光程差，以达到此目的。 具体工作原理分析如下： l l i l l i 瓿l | 艄l 警 图2 7 缩略光程图 如上图所示，两个臂长度为： 厶= 。+ ： 乏= 之。+ 乞： 那么两路光的光程差为： 。= 乞一厶= ( 乞。一4 1 ) + ( 如：一4 ：) 相位差：拿2 万 ：k 血2 万一垒盘2 万 元五 = a c n , 一口 由于反馈回路中加入了反馈电路驱动压电陶瓷使得够= ( 2 胛+ 1 ) 要 所以= ( 2 玎+ 1 ) 要一缈 采用这种办法，整个系统的相位差作只与缈有关，很好的滤除了温度漂移 和空气扰动对系统的影响，提高了整个系统的稳定性，能够得到很好的测量效果。 1 5 2 3 相位解调问题的分析和解决 2 3 1 相位解调问题的分析 相位测量技术是一种用于光学干涉计量、计算机辅助光学测量中的重要技术。 相位测量技术的引入使以干涉条纹作为测量结果的光学干涉计量由原来计数 条纹的级数发展成为计数条纹的相位( 即1 条纹= 3 6 0 。) ，从而使测量精度大大提 高。由于计算机图像系统的使用和相位技术的结合而使测量完全自动化，大大提 高了使用性能和效率，由于这两大优点，相位测量技术得到了迅速的发展和应用。 普遍采用的求解相位的方法主要有两类，一类是傅里叶变换法，将干涉条纹 图逐行作傅里叶变换，并取出一级谱作反变换，求解出相位，但计算量比较大。 另一类方法是相移技术，它是在待测相位不变化的条件下引入两次以上已知 的相位变化，并对应地采集三幅以上相移干涉条纹图，继而计算出待测相位。该 方法需要相移器和多幅相移图。n 步相移技术的一般算法是需要n 幅干涉相移图 来计算的，实际上，在一切条件都理想的情况下，只需2 幅到3 幅干涉光强图就 可确定出被测相位，相移步数越多只会增加信息余量，同时也增加计算量。但是 实际测量中总是存在噪声、探测器非线性及相位控制不准确等因素，适当增加计 算余量，对于提高测量精度是必要的。所以就出现了各种各样的算法，如通常所 谓的三幅，四幅，五幅算法等。以上算法的共同特点是：可控制相位( 必须确定每 步相移的量) ，这就要求相移器必须精确的控制每步的相位，否则会引入较大误差。 由此可以看出，相移技术是实现高精度相移位相测量的关键技术。在相移的 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。 实现相移相位测量方法途径的实质是相位调制，而相移器是实现相位调制的 关键部件，其相移精度是影响位相测量精度的重要因素之一。 在众多相移装置中，由于压电陶瓷相移器简单易行，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，是一种普遍采用的相移装置。 理想情况下，位移与所施加的场强成j 下比，实际应用中，由于压电陶瓷结构 制造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，压电陶瓷将表现出迟滞、非线性和蠕变等现象，影响位移结果， 并对系统的测量结果造成直接误差【2 。 ( 1 ) 迟滞现象分析 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，就称为迟滞现象。图2 8 为压电陶瓷微位 移器的电压一位移特性曲线。压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 1 6 业瘟奎趣厶堂班堂位盐塞王造型弛盔毯位整曲绌丛生些麴量垂缝 晶压电材料。而压电晶体都是各向异性的电介质，电介质在电场作用下产生极化， 极化状志是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷问的相互吸引 力的暂时平衡统一的状态。极化主要机理有三种即电子位移极化、离子位移极 化和取向极化。电介质在电场作用下，都要经过一段时问，极化强度才能达到相 应的值，这种现象称为极化弛豫所经过的这段时间称为弛豫时间 驰明皑m ，v 圈2 - 8 压电陶瓷迟滞特性示意图 由压电陶瓷与与电场强度之问的关系得出： l ：f 2 e 2 sf 2 - 2 5 ) e o k 其中：a 为压电陶瓷的伸长量；e 为压r 乜陶瓷的介电常数；矗是真空中的介电 常数：e 是电场强度；5 为压电陶瓷的横截面积：足是压电陶瓷叠片的弹性模量。 ( 2 - 2 5 ) 式表明了压电陶瓷位移量与电场强度之间的关系，即压电陶瓷位移量 与所加电压之间的关系( e = u i d ) ，址与i n 场强度的平方e 2 成正比，但也许介 质常数成讵比而s 随外加电场而变，因此压电陶瓷位移与电压变化存在迟滞问题。 压电陶瓷的迟滞环一般在1 4 左右，并随温度变化而缓慢地变化。 ( 2 ) 非线性特性分析 在理想条件下，压电晶体微位移器应变与外加电压之间呈线性关系，但实际 上其应变与辨加电压之间并非线性关系，如图2 9 所示。对压电元件非线性形成 机理的研究一般都是从压电材料的极化机理开始的，为能够对非线性曲线给出比 较合理的解释，大多数研究都引入材料内部的摩擦或粘滞的概念，h w a n gs c 等人 通过对压电元件压应力非线性曲线的详细分析后提出这种铁电体的极化是一个软 化到硬化的交替过程，其非线性行为可以看作许多非线性弹簧和具有摩擦力的滑 块。 图2 - 9p z t 非线性特性 由上图我们还可以看出，驱动电压的增大和减小，p z t 的形变都是不一样的， 而在实际测量中，要求压电陶瓷移相器必须精确的控制每步的相位，否则就会引 入较误差。所以这就要求，如果使用压电陶瓷相移器就必须对其进行校正，否则 将会给实验结果造成误差，尤其是对于纳米量级高精度测量结果的误差是不可忽 略的；但是如果再在系统中加入压电陶瓷相移器的校正部分，那么将会使系统的 整体设计变得更加繁琐，也不利于用其进行在线测量。 基于以上的这些问题及其分析，在本课题的研究中，既抛弃了计算繁琐的傅里 叶变化法，又抛弃了使用移相法解调相位的方法，而是采用了特殊的公式计算， 再结合软件编程实现相位的解调，这样既优化了测量系统的结构，又避免了由于 压电陶瓷的迟滞特性和非线性特性所造成的测量误差，使测量结果精确度更高。 2 3 2 相位解调问题的解决 由图2 1 可看出，半导体激光器1 发出的光同样经过3 d b 耦合器和环行器l ， 2 倍分为两路，一路经过f b g l 透射，一路经过f b g 2 透射，测量臂中带有测量信 息的光信号在3 d b 耦合器中与参考臂中的信号发生干涉，干涉信号一路经过f b g 4 反射，被探测器p d 4 探测，另一路通过环行器3 被f b g 3 透射再被p d 3 探测到， 两束信号分别为厶= a + b c o s o ( t ) ，厶= a + b c o s o ( t ) + ，r 】，为解调干涉信号的相 位变化量，我们可以利用一下公式进行解调： 厶= a + b c o s o ( t )( 2 - 2 5 ) 1 42a + b c o s o ( t ) + 7 1 5 a b c o s ( p ( f )【2 2 6 ) 厶一厶= 2 b c o s ( t )( 2 2 7 ) 盟：一2 bs i n ( f ) ，( f ) ( 2 - 2 8 ) 由( 2 - 2 7 ) 式得：e o s o ( f ) 。去( 厶一厶 “神迁x 1 - c o s 20 ( t ) 。+ 卜去( 厶圳2 s i n o ( t ) = = 、| 1 - c o do ( t ) m 等一2 b t 一嘉( 厶圳2 帅) _ 厣丽毗) 。7 ( f ) = 一 o ) = ，( d 出= 一- 历荔打厶一厶) 当s i n o ( t ) = 一, 1 一c o s 2 ( f ) 时 似d 2j 雨希他 我们通过软件编程来实现这一运算过程，得到( f ) ，由于 ( f ) ：。( f ) + ，o ) ：_ a - l 2 万+ 垒箬2 万 其中o ( t ) ，即为由于振动所引起的相位随时问的变化，由此便可得出物体振 动的频率，由于使用特定公式来进行相位解调，所以在原理上可以实现在对 0 1 0 0 h z 振动量的测量，且对其振幅也没有限制。同时，既精简了系统的结构， 又避免了由于压电陶瓷所造成的误差，使测量结果精确度更高。 2 4 本章小结 在这一章中，主要介绍了测量光路系统的构成，不仅介绍了该系统中所利用 的技术，同时阐述清楚了系统所要解决的问题。对光纤干涉系统中共存的系统稳 定问题做了理论上的分析，对实际实验室中的m z 干涉仪进行了信号的采集，并 对此问题提出了解决方案。 理论分析了光学测量中的相位解调技术，提出一种新的相位解调方式，避免 使用p z t 移相进行相位解调，既精简了测量系统，又提高了测量的精度。 1 9 3 基于l a b v i e w 的数据采集与相位解调系统设计 3 1 虚拟仪器技术 所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测量平台，它以软件为主，配合必要硬 件来实现仪器功能。它在通用计算机为核心的硬件平台上，利用虚拟仪器开发软 件在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板以及相应的功能，人们通过鼠标或键盘操作 面板上的旋钮、开关和按键，来选择仪器功能，设置各种工作参数，启动或停止 一台仪器的工作。在计算机软件控制下对输入的信号进行采集