精密仪器课程设计激光干涉纳米级位移测量系统设计

1、精密仪器课程设计激光干涉纳米级位移测量系统设计姓名： 薛重飞 学号： b10340130 专业：测控技术与仪器2013年12月目 录1. 国内外发展现状概述42. 总体方案设计63. 测量方法设计63.1测量方案框图63.2 测量原理73.2.1激光干涉原理73.2.2光电传感器的信号83.2.3移相系统103.2.4 辨向及可逆计数113.2.5量化细分133.2.6模数及数模转换173.2.7比较器的参考电压183.3硬件电路的实现193.3.1信号整形及低通滤波193.3.2单片机系统193.3.3数模模数转换芯片与单片机连接203.3.4整体电路设计203.4软件程序的设计214总结及

2、展望235参考文献23 激光干涉纳米级微位移系统设计1. 国内外发展现状概述 随着现代化国防建设、工业生产和科学技术的飞跃发展，无论是元件生产的设备正向超大型化、微型化、精密化和自动化方向发展。因此，精密测量的工作显得越来越重要。 多年来单频激光干涉仪的研究主要集中在光学系统结构改良和非线性修正方面。前者的目标是通过改进干涉仪的结构，以提高系统的分辨率、重复精度以及对空气扰动、折射率波动、工作台振动等环境噪声的抗干扰能力。后者通过研究各具体干涉仪的非线性环节，提出补偿或校正策略(一般是基于软件实现)，来改善系统在整个测量范围内的线性度、重复精度等。由于缺乏概念性突破，改进干涉仪结构方面的研究未

3、能取得显著成绩，因而非线性误差校正(或称误差补偿)成为单频激光干涉仪研究中相对较为活跃的领域1。 renishaw新型单频激光干涉仪采用偏振光移相方法，获得三路位相依次相差的光干涉信号，经光电接收并放大后，使和，和信号分别输入两个比较器电路，生成两路错相的交变方波信号，推动可逆计数器计数。这种结构可以实现两个目的：一是去掉直流分量和实现共模抑制；二是因三个信号是完全共路的，有效地去掉了外界震动等噪声，保证了干涉仪低频的稳定性，从而实现了双频激光干涉仪的各种功能1。 我国于七十年代开始了激光测量系统的研制，1975年由中国计量科学研究院与陕西机械学院研制出我国第一台国产双频激光干涉仪样机。量程为

4、60m，测量精度为。到目前为止，清华大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学等也相继开展了对激光干涉仪及相关技术的研究。哈尔滨工业大学精密仪器系九十年代研制的光电接触式干涉仪，其分辨力为，仪器的总误差为(工为被测长度)。成都科技大学研制的双频激光干涉仪1，分辨力为，测量不确定度为。此外，清华大学在激光调谐绝对距离的测量方面、外差干涉的相位检测电路方面，华中理工大学在声光调制外差干涉的光路方面等做了相当好的研究工作。 为提高单频激光干涉仪的抗干扰性能以及测量精度，清华大学的薛实福等人研究了一种在迈克逊单频激光干涉仪的基础上采用自扫描光电二极管列阵(sspda)接收器件，将直流信号转换成交流信号、微处理

5、机处理，具有波长自动补偿功能的新型激光干涉仪。实验证明它比一般单频激光干涉仪具有较高的抗干扰性及测量精度1。 传统的迈克耳孙测量方法受限于光源单色性差和人眼计数的误差,再加上分束镜界面反射形成的干涉和环境噪声的存在,给条纹的细分造成困难.为了提高了测量精度,研究人员不断地提出了多种新的条纹细分方法,赵育良等2利用ccd作为条纹拾取工具,系统理论误差仅为ccd的1个像元,杨仕广等3人以迈克耳孙干涉仪的光路为基础,利用ccd实时采集干涉条纹的光强信息,通过精确测量条纹的偏移量,测出物体的微位移.与传统微位移测量方法相比,he-ne激光器、ccd等器件的使用和fft、互相关运算等信号处理方法的运用,

6、使得测量精度和灵敏度有较大提高,借助虚拟仪器手段还实现了微位移的全自动测量。 激光干涉仪通常采取 machelson(迈克尔逊 )干涉仪形式，由于反射器的作用 ，直接接收的脉冲当量为 (约 03um)，对于精密测量来说，显然是不够的。如何提高激光干涉仪系统的分辨率是激光干涉仪中的重要技术 ，有多种激光干涉仪的细分方法 ，概括起来为光学细分和电子细分两大类在精细计量技术中，干涉条纹的记数与细分是基础技术之一。目前干涉条纹的记数技术已 日趋成熟而细分技术还有待于进一步发展4。 现在已有的细分条纹技术有电子学倍频法、光学倍频法、ccd 细分法等。倍频法多采用四倍频、八倍频，可以记录到四分之一、八分之

7、一的干涉条纹的移动。这在细分精度上显然是不够的6。现在常用的高倍细分法有微机细分等，此外激光干涉仪的细分方法还有很多,例如在单频激光干涉仪中,可以用电阻链细分方法;在基于声光频移的双频激光干涉仪中,可以将测量信号与频差信号,测量信号与移相90的频差信号分别混频,得到相位差为90的两路信号,然后按单频激光干涉仪的细分方法处理;在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中,可以采用测量剩余相位的方法实现细分等,利用两个相互垂直偏振光相干,其干涉信号为一个旋转的线偏振光的特点实现细分6,在国内亦有大量的研究,并取得很好的效果。2. 总体方案设计用迈克尔逊干涉系统得到干涉条纹，用相差的移相系统进行一移相,然后用线

8、性光电探测器探测光强变化，然后将得到的两路周期性信号滤除高频噪声，然后将两路信号中的直流分量滤除，得到正弦信号，然后信号进行辨向和可逆计数，将计数器的所得值传入单片机，同时采用量化细分的办法，将第一个值的相位和最后一个值的相位，采入单片机，然后通过查表，就能完成细分，与此同时，单片机通过采样计算的方法，得出每一周期的直流分量值，和最后的显示工作。3. 测量方法设计3.1测量方案框图放大电整形路可逆计数器光电传感器 辨向电路干涉条纹移相电路光电传感器放大电整形路8051单片机显示电路 ad ad 3.2 测量原理3.2.1激光干涉原理 图1 迈克尔逊干涉光路 图2 同心圆环干涉条纹 激光器采用单

9、模稳频he-ne激光器，波长为623.8nm。激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪（如图1示）,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

10、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空气的折射率n=1。因为加了补偿板所以 (2)被测长度与干涉条纹变化的次数和干涉仪所用光源波长之间的关系是 (3)所当等速移动时，光电传感器输出信号的周期 ， （4）式中：为动镜移动速度， （5） 3.2.2光电传感器的信号 光电传感器采用光敏二极管，因为光敏二极管线性度好，光电传感器将光强的变化转化为电压信号， 理论上传感器输出的信号为 （6） 式中：为直流分量 为输出信号幅值 为周期 为角频率 将上述信号通过比较器滤除直流分量得 （7）同时将上述信号转换为方波，如图5 图3 光电传感器输出信号 图4滤除直流分量后的信号 图5 转换后的方

11、波 3.2.3移相系统干涉仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程中可能需要正反两个方向的移动，或由于外界振动，导轨误差等干扰，使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以干涉仪中需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种脉冲。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。将这两种脉冲送入可逆计数器进行可逆计算就可以获得真正的位移值。如果测量系统没有判向能力，光电接收器接收的信号是测量镜正反两方向移动的总和，就不代表真正的位移值。另外为了提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90度的电信号输出，一个按光程的正弦变化，一个

12、按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。本系统采用机械法移相，如图6 图6 移相系统原理 放大后如图7，在经过整形后得图8，整形采用比较器，参考电压由单片机提供。 图7 放大滤波后的信号 图 8 整形后的信号 3.2.4 辨向及可逆计数 本文采用四细分辨向电路，相位差的两路方波信号。基于两路方波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。根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。根据和的不同，来辨别方向。 图9 四细分辨向原理 同时经判向电路后，将一个周期的干涉信号变成四个脉冲输出信号。实现干涉条纹的四倍频计数，相应的测量方程变为 (8)式中

13、： n为可逆计数器的数值 l是可逆计数器所记录的位移 四分辨向芯片采用hctl-2000。此芯片有集成的12位可逆计数器和辨向功能。hctl-2000原理如图 图10 hctl2000原理图因为hctl2000是12位的，所以最大位移323.7，可以满足设计的要求。3.2.5量化细分 信号可分为三段，如图11所示 图11 三段信号 这三部分要分别计算，要达到要求的3nm精度，需要细分120倍。对于不满一个整数周期的信号第一段和第三段，要用单片机细分来计算出长度。对于整数周期的信号第二段要通过计数器进行大的计数。 现已有的细分条纹技术有电子倍频法、光学倍频法、ccd细分法等。倍频法多采用四倍频、

14、八倍频，可以记录到四分之一、八分之一的干涉条纹的移动。这在细分精度上显然是不够的，因此本课程设计采用微机细分。量化细分原理框图如图12 图12量化细分原理框 图13 卦限图 表1 八细分表 本文采用整周期量化细分，微机通过判断两信号的极性和绝对值的大小，实现8倍细分。图13中把一个信号分为8个区间，或者称卦限，每卦。由表1可列出两信号的极性和绝对值的大小。 在一个卦限内，按信号绝对值比值大小还可以实现更小的细分。两信号|u1|、|u2|的比值可按 （9）或 （10）计算，在1、4、5、8用公式7，在2、3、6、7用公式8，上述卦限中的值或值都在01之间变化，因而可用间的来表示。这样，在计算机中

15、固化一个表，每卦限细分数为15，这样就实现了120倍的细分，用15个存储单元固化的15个正切值，微机在此表中查询已算的值或值最近的存储单元，如果该存储单元的第k个单元，则相位角对应的细分数x由下列公式决定 第1卦限，x=k 第2卦限，x=30-k 第3卦限，x=30+k 第4卦限，x=60-k 第5卦限，x=60+k 第6卦限，x=90-k 第7卦限，x=90+k 第8卦限，x=120-k 由如下公式计算属于非整数周期的位移第一段s1 （11）由 （12） 得到第三段的位移 由可逆计数器计算得到第二段的位移。因为可逆计数器是四细分后再计数的，所以具体的位移要根据第一段和第三段所处的卦象和进行计

16、算。计数器的值 k1s2k2 一二三四五六七八一n-4n-4n-5n-5n-6n-6n-7n-7二n-4n-4n-5n-5n-6n-6n-7n-7三n-3n-3n-4n-4n-5n-5n-6n-6四n-3n-3n-4n-4n-5n-5n-6n-6五n-2n-2n-3n-3n-4n-4n-5n-5六n-2n-2n-3n-3n-4n-4n-5n-5七n-1n-1n-2n-2n-3n-3n-4n-4八n-1n-1n-2n-2n-3n-3n-4n-4 表2 第二段位移补偿表由此得到总位移因为是120倍的细分，那么分辨率就为2.63，这样就满足了设计的要求。3.2.6模数及数模转换 为了减少采样过程造成

17、的相位误差，ad转换至少需用12位，转换应速度较大，本课程设计采用ad574，转换精度12位，转换速度一次16us。比较器的参考电压由单片机实时提供，关于参考电压由软件计算得到，先通过软件计算找到信号中斜率最大的点，此点就是直流分量点，此点的电压值代表直流分量的大小，将这个电压作为比较器的参考电压。参考电压需由数字量转换为模拟量得来，因此数模转换芯片的分辨力要高，因此选用dac1208，dac1208精度12位，可以满足要求。3.2.7比较器的参考电压 图14 采样点 因为信号的直流分量点必然是斜率最大的点，因此在单片机中开辟一个六位的数组b6。然后将采样6个数据，依次放到数组中，然后比较|b

18、2-b1|,|b3-b2|,|b4-b3|,|b5-b4|,|b6-b5| 的大小，如果|b2-b1| |b3-b2| |b4-b3| |b5-b4| |b3-b2| |b4-b3| |b5-b4| |b6-b5| ，则采样点中没有斜率最大的点。那么清空数组，在进行采样直到出现不满足上述两个不等式的数组，然后找出最大的bi+1-bi，然后求取两个数的平均值，这个平均值就是直流分量点。然后将这个值通过dac1208给出就是参考电压。3.3硬件电路的实现3.3.1信号整形及低通滤波 图15 光电传感器输出信号的整形及滤波 u1为放大，u2为低通滤波采用低通滤波是为了滤除高频的噪音，不直接滤除直流分

19、量是因为，如果直接滤除直流分量必然造成在初始采样阶段有较大的误差，所以不采用直接滤出的办法。通过由ad790aq组成比较器，滤除直流分量。3.3.2单片机系统 图16 8051与外部元件的连接 本课程设计采用单片机最小系统，将单片机与外的ad和da以及显示器连接，实现本文要达到的要求。3.3.3数模模数转换芯片与单片机连接 图17 ad574 采样用的ad用的是ad574，ad574是12位逐次逼近型ad转换器，转换时间25，转换精度0.05%，由于芯片有三态输出缓冲电路，因而可以直接和各种典型的8位和16位的微处理器相连，而无需附加逻辑接口电路，且能与cmos和ttl兼容。 图18 da12

20、08 因为dac1208内部没有基准电压，所以有ad581来提供10v的基准电压，ad1208的工作方式采用双缓冲方式，在送入数据时要先送12位的高8位，然后再送入低4位，而不能按相反的方向，因为在送高8位的同时，低4位寄存器是打开的，如果先送低4位后送高8位，结果就会不正确。在图18中，dac1208 的电流输出端外接两个运放lf356，其中运放1运作电流电压转换器，运放2用作装换极性，r22定零点，r24定满度。3.3.4整体电路设计 图19 整体电路 3.4软件程序的设计 开始初始化计数器和单片机，设定采样频率和dac1208的初始参考电压采集两路正交信号，记录初始值计算并判断是否有斜率

21、最大值n y记录此值，转换为参考电压vefyn运动是否停止 从可逆计数器取值，并计算查表非整数周期的位移显示4总结及展望 本文通过激光干涉来实现微位移的测量，通过微机细分和软件查表的办法，实现3的分辨率和300的量程。要实现3的分辨率就必须至少将细分120倍。因为在后来的计数过程中，采用的是四细分，所以要实现300的量程，就采用了12位的计数器，这样就能达到大约实现300的量程。在细分的过程中，要采样，为了避免造成过大的采样误差，本文采用了12位的ad 芯片，同时参考电压也是12位的da芯片提供的，这样带来的误差就会小很多。在本微位移测量系统中，用8051单片机来实现数据处理，细分以及查表的功

22、能，以得到最终的位移。本系统采用跟踪查找直流分量点，这样就能减小由于光源不稳定带来的误差。单频激光干涉仪比双频激光干涉仪具有结构紧凑、装置相对简单、成本较低、没有限制反射镜运动速度的因素(除了电子系统通过能力所决定的自然因素外)等优点，而被广泛地应用于精密测量，它以灵敏度和精度高的优点，引起大家地重视。但其是基于对直流调幅信号处理的干涉仪，它对环境光的抗干扰能力较差，因而它对环境条件的要求较高，而且当信号减小50时，装置就会完全停止工作。单频激光干涉仪存在的这些弊端，使它只能局限在条件优良的环境中使用而无法进入车间本系统还有许多需要改进的地方，首先，由于光电传感器输出来的信号有许多的噪音，虽然

23、用了低通滤波，但是依然会造成误差。同时激光干涉系统也会带来误差，无论是光源的不稳定，还是激光干涉通路中扰动都会带来误差。再者，由于ad转换和da转换也会带来误差，要减小这种误差只有选用更高位数的芯片，还有就是在寻找直流分量点过程中，由于每次只连续采样6个数据，这样就会在进行数据处理的过程，不能采样，这样可能会造成采样的数据错误，要减少误差就必须提高采样速率。5参考文献1薛江荣.单频激光干涉测长系统抗干扰性及细分技术的研究d.南京理工大学.2004.2赵育良，许兆林,李开端.基于ccd的激光微位移测量系统的研究j.激光技术.2003,27(1):73-75 3杨仕广,刁维宁,李彬.采用光电计数的

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