（光学工程专业论文）主动抗振技术研究——单点探测与pzt补偿.pdf

摘要 光干涉测试是一种高精度的测试，极易受外界振动影响，为解决光干涉测试中 的振动问题，本文首先介绍了国内外干涉仪抗振技术的发展情况，比较了几种常用 方案的优缺点，在大量实验基础上，本着工程化的目的，提出了以压电陶瓷移相器 ( p z t ) 为补偿元件的单点式相位探测抗振方案。即采用单个光电二，极管实时测量干 涉条纹相位并由p z t 实时补偿因振动引起的干涉条纹的相位变化。文中详细讨论了 用于单点式抗振方案的电路设计及d s p 的程序编制，并对系统频响的瓶颈一p z t 移 相器的机械结构和驱动电源作了改进，使其频响及线性度大大提高，从而整体上提 高了抗振的效果。在泰曼一格林干涉仪上进行光、电、及计算机联机调试，比较了各 种振动条件下和没有振动下的干涉仪测量结果。实验表明在5 0 h z 以下的振动条 件下，干涉仪能进行正常移相测量，且结果稳定可靠。本方案对干涉条纹形状没有 要求，成本低、易工程化、适应性强，是一种相对来说效果好而成本低的方案，具 有很强的实用性。 。 关键词：移相干涉抗振d s p a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，t h ed e v e l o p m e n to fv i b r a t i o n r e s i s t a n ti n t e r f e r o m e t e r si s r e v i e w e df i r s t l y , t h e n ，an o v e l ，l o w - c o s t ，w e l l a d a p t i v e ，e n g i n e e r i n g o r i e n t e d t e c h n i q u e ，s i n g l e p o i n tp h a s e d e t e c t i n g v i b r a t i o n r e s i s t a n t m e t h o d ，i s p r e s e n t e db a s e do nal a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t sa n de x i s t e dm e t h o d s t h e m e t h o du s e s p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r ( p z t ) a sv i b r a t i o n c o m p e n s a t i n g d e v i c et h ed e s i g no fe l e c t r o c i r c u i ta n dt h ec o n t r o lf l o ww i t hd s pa r e d e s c r i b e di nd e t a i l s t h em e c h a n i s mo fp z td r i v e nm i r r o ra n dt h ep z t d r i v e ra r eg r e a t l yi m p r o v e do nt h e i rp e r f o r m a n c eo f f r e q u e n c 3 r e s p o n s ea n d l i n e a r i t y w i t ht h e s e i m p r o v e m e n t s ，a v i b r a t i o n - r e s i s t a n t p h a s e - s h i f t i n g i n t e r f e r o m e t e ri ss e tu pf i n a l l y , a n ds u f f i c i e n to n l i n ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e d o u to ni t b yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nd i f f e r e n tv i b r a t i o n e n v i r o n m e n t s ，w ef i n dt h a tt h ei n t e r f e r o m e t e rw o r k sw e l li nt h ep r e s e n c eo f v i b r a t i o nw h o s ep r o d u c to fa m p l i t u d e a n d 行e q u e n c y i sl e s st h e n5 0 w a v e s h z ，t h e r ei sn oo b v i o u s e r r o rc a u s e d b y v i b r a t i o n k e y w o r d s ：p h a s e - s h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y , v i b r a t i o n r e s i s t a n c e ，d s p 硕士论文 主动抗振技术研究 一、课题的研究背景 绪论 光干涉测试技术是公认的检验光学系统光学元件和波像差的最有效、最准确的 手段之一。八十年代后，国际上将激光技术、图像处理技术、电子技术与计算机 技术引入光干涉计量测试领域，用于光学系统及零部件波像差与成像质量的评价， 实现了实时快速、高精度、多参数、自动化计量测试。随着激光、计算机和集成 化光电探测器件的出现与迅速发展，光干涉测量技术的自动化程度也越来越高， 分辨率可达纳米级，使干涉仪广泛用于平整度、粗糙度测量和质量控制等。移相 干涉仪( p s i ) 以其高精度、高空间分辨率，集光机电算于一体等特点，广泛用于 各种光学元件的测量。然而干涉测试技术对振动特别敏感，一般都需要在实验室 的防振台上才能进行。 随着光学制造业和加工业的发展，对光学元件加工的精度要求越来越高，这就 要求有精度高，使用方便的干涉仪能够在现场进行检测，特别是大型天文仪器中光 学件的检测由于镜片大，光路长，振动及气流的影响很大，并且很难建造巨大的 防振台及罩子来减小外界影响，因而迫切需要发展干涉仪的主动抗振技术。 主动抗振干涉技术不同于被动抗振技术，它采用某种补偿元件抵消振动的影 响，可以真正使条纹稳定，目前已成为干涉测量领域的研究热点和难点之一。 本课题是国防科工委国防军工计量“十五”计划重点项目移相式数字球面( 波 差) 测量技术研究( 项目编号6 0 8 0 4 1 3 4 ) 的四个组成部分之一一振动的闭环实时 补偿技术。该项目要求在计量专业领域开展高新技术应用研究和工程化测量技术 或测量理论方面的前瞻性、探索性、创新性研究，为满足未来武器装备和国防科 技工业发展的需求奠定技术基础，也就是计量新技术新方法的先期性的研究项目。 二、本论文的主要工作 采用压电陶瓷( p z t ) 作为补偿元件解决干涉仪的自适应抗振问题，这种方法的 相位测量部分通常采用多个光电管或线阵c c d ，我们曾采用四个光电管的方案，它 们的优点是在计算瞬态相位时可利用减法运算和除法运算消除光源的波动及杂散 光引起的相位测量误差，不足之处是对干涉条纹形状要求严格，通常测量中难以 满足，这大大限制了其应用。为了克服对干涉条纹形状要求，本文提出了基于单 个光电一2 极管的干涉仪自适应抗振方案，设计相了位测量及移相方法。由于是单 个光电二一极管，容易受到光源波动及杂散光的影响，光源波动可能成为相位测量 硕士论文 主动抗振技术研究 误差的主要来源，因此如何减少光源光强的影响也将是课题研究的内容之一，基于 此本文主要有以下任务： 1 、单个光电二极管的瞬态相位测量 2 、解决振动环境下的移相问题 3 、如何减小光源波动的影响 4 、振动的补偿问题。 5 、光源波动引起的相位测量误差的定量分析 6 、提高系统工作稳定性和频响。 首先，应完善已有的四个光电管的方案，进行实验，总结吸收其中好的有用的 思想，找出缺陷和不足，提出解决方法。在此基础上，解决单个光电二极管的相 位测量、移相及光源波动等问题。采用数字信号处理器( d s p ) 用数字化的方法计 算相位及p z t 的补偿量，这样系统不易受噪音干扰，可提高精度和稳定性。由于 d s p 运行速度非常快，可以采用较复杂的算法以加快p z t 的补偿速度，从而提高整 个系统的频响。移相器是影响抗振效果的瓶颈部分，改进移相器机械结构及p z t 电 源，提高移相器的频响以提高整个系统的性能。最后制作实验电路板并进行实验， 最终实现振动环境中干涉仪的在线测量。 硕士论文主动抗振技术研究 1 抗振干涉技术的发展状况 干涉测量技术是一种非接触式高精度测量方法，易受外界振动影响。针对振动 环境下的干涉测量问题，目前国际上已经有了一些解决的方法。从振动控制的角 度出发可以将这些方法归为两大类：一类是被动抗振方式，另一类是自适应抗振 方式即主动抗振。由于主动抗振方式更为有效，从上世纪九十年代以来，已经成 了当代干涉计量技术发展的一个重要研究方向。 1 1 被动抗振方式 被动抗振方式干涉仪采用开环工作方式。通过各种隔离措施，如气垫、隔振平 台、罩子等来减小外界振动的影响，这种方法对高频振动效果较好，对低频大振 幅振动效果较差。该方法原理简单，易于实现，本文不作介绍。被动抗振方式也 有利用短时间内采集干涉图或特殊的算法，来消减干涉仪对环境振动和气流影响 的敏感度。 11 1 短曝光法 m a u r om e l o z z i 于1 9 9 6 年报道他们实现了在振动环境中用泰曼一格林干涉仪 进行面形测量“1 ，其干涉仪己安装到生产线上用于在线测量。这种方法思想是用高 速c c d 在短时间内( 如一毫秒) 采集单幅干涉图，这样对于低频振动，干涉图基 本不受影响。用空间移相干涉术( s c p s ) 处理干涉图，可得到与普通的移相干涉 术精度相当的结果。短曝光法的特点是：仪器装置简单易于实现，但只有幅干 涉图，不能采用通常的移相算法。 112 同步移相千涉术 一般的移相干涉仪都是分时采集各帧移相干涉图的，由于随机振动的存在，在 不同时刻采集的各帧干涉图不可避免地要受到环境振动的影响。若能同时快速采 集具有恒定移相步长的各帧干涉图，则可从根本上避免环境振动对移相步长的影 响。基于此想法，p h a s e s h i f tt e c h n o l o g y 公司的k o l i o p o u l o s 于1 9 9 1 年提出了 同步移相干涉术( s p s i ) 。 这种方法采用偏振分光和波片移相技术用四部c c d 摄像机同时采集相互移相 n 2 的四幅干涉图，然后通过这四幅干涉图计算出位相分布图，可以得到被测表 硕士论文主动抗振技术研究 面的面形。据文献报道，位相图的均方根值重复性可高达 1 0 0 0 。此系统要求用 一个同步信号源控制四部摄像机，以保证信号采集的同时性；此外，还要求使用 带高速电子快门的c c d 摄像机和高功率激光管。由于使用了四个通道采集图像， 与通常的移相二f 涉仪的单通道相比，这种方法必然会引入空间不一致性的误差源， 如四个通道分光光强不一致、四只c c d 摄像机光电性能的不一致、光学器件表面 的不一致( 甚至脏点、镀膜不均都会严重影响测量结果，而这一点在单通道干涉 仪中可以避免) 。基于上述原因，为了达到一致性的要求，整个系统各元件的加工 精度以及元器件的筛选就显得特别重要，这就导致了系统的价格十分昂贵，系统 的控制也较为复杂，因此这种技术不适合广泛应用。虽然s p s i 技术可以同时获得 四幅移相干涉图，但实际上干涉图并没有真正得到稳定。 113 移相算法补偿 在移相干涉测量中，因为振动引起的移相及相位测量误差( 包括线性误差和 高次谐波误差) 可以通过算法进行修正，从而也能获得正确的被测表面位相图。 文献。h ”1 描述了从算法的角度补偿误差的方法，这些方法通过递归或最小二乘拟 合法提高已有算法的噪声抑制特性。这些算法有的只能对参考相位的移相线性误 差进行纠正或对误差进行线性近似以及积分近似，有的可以对因振动、光强不稳 定以及移相不均产生的非线性误差进行补偿，有的可以对相移误差进行自校正。 大多数算法只能对低频小幅度振动引起的误差进行修正，如d w p h i l l i o n 提出 的一种移相算法可以对特定频率的小幅振动进行补偿，j s c h w i d e r 提出的特征误 差函数拟合消去法可以减少至少一个数量级的误差，甚至能达到外差式干涉仪的 精度范围( b o o t p ： b o o t p ： t e x t d a t a v e c t o r s