光电课程设计-激光干涉法测量微位移的设计.docx

光电课程设计-激光干涉法测量微位移的设计.docx激光干涉法测量微位移的设计
电科1104班 刘海涛 学号:201011911422
位移的量值范围差异很大（在制造工业中nm- u m-mm直至数十米；秒分度 以下或几度至几十度），检测可以是接触式或非接触式，加之对检测准确度、分 辨力、使用条件等要求不同，因此有多种多样的检测方法。
随着光学检测元件和精密制造工艺的提高以及电子元器件的发展，伴随计算 机的更新换代和工业自动控制技术的不断进步，利用光电结合的方法是解决问题 的有效途径，如光栅码盘、激光干涉法、三角法、光斑散射法，其测量精度高、 反应速度快、易于实现数字化测量。在光学干涉测量法中，激光多普勒效应测量 方法具有动态响应快、线性度好、测量范围大、精度高等许多独特的优点，得到 了更加广泛的应用，有很好的发展前景。为了满足微位移测量的非接触、高精度 等要求本文设计、制作了一种基于激光多普勒效应的测微位移系统，和传统的微 位移测量仪器相比，其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高，并实现了对 微位移的自动非接触测量。
干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。激光的出现使干涉测量位 移的应用范围更加广泛。其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为 两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一 束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动， 这束光从测量反射镜后形成测量光束。测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成 干涉信号。干涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。因此，由光接收器件 光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值⑴。
干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，测量范围大，适用于实时动态测 量而被广泛应用于位移测量。
目前干涉测量按测量对象不同大致可分为全息干涉测量、散斑干涉测量和光 栅位移激光多普勒测量。随着科技的进步，对测量精度的要求越来越高，激光多 普勒技术的非接触、高精度测量的优点使它得到蓬勃发展。激光多普勒测量有空 间分辨率高、测量精度高、多普勒频移与位移成线性关系、动态响应快，信号用 光来传递，惯性极小，可以进行实时测量、激光多普勒测量是非接触式测量，激 光会聚的干涉体积小，即是测量探头在通常情况下对被测的流场和物体等没有干
扰等优点。通过比较，确定以多普勒效应为基础的激光干涉测量法为系统设计方 案。
光路部分
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，将使频率发生变化，这种频率变化称作多普勒频移。由被测物运动所散射 的光的频移应当作为一个双重多普勒频移来考虑。光源发射一束光入射到运动物 体表面（如图1所示），运动物体相对于光源来说，相当于接收器，从光的多普勒 效应考虑[15],接收到的频率将随运动体的速度增加：
G=fo（l +呼。
C （1）
式中扁为光源辐射频率，U为运动物体表面速度，三1为入射光和运动方向夹 角，C为真空中光速；运动物体又相当于一个发射天线，把接收到的辐射波
运动体
发射出来，在02方向的接收器也因多普勒效应，收到频率增高的光波信号为:
f — 切* 丄 WCQflfz
1
式（2）中
2 g
十（lie"% ） 十（UCOP% ） 十…
因为在关心的速度范围内三«1,对上面的展开式取一级近似
fi
ucosGa
（3）
把式(3)带入(2)中得
f = f0 ^1 + (cos 8t + cos&2)\ (4)
所以速度为U的运动体产生的多普勒频移为
df = f — f° =三 fa(cosB]+ ros 8』=+ ros 9^) (5)
Q
用同样方式可得到
df =芦(cos + cos &2) (6)
即当光源和接收器都在运动方向一侧，并且运动物体与接收器做相向运动时，按 收器接收的光频率增加，波长减小。当光线垂直入射并接受回波信号时，即叭二％二 9=0,则
df = # (cos 8«+cos 8a)=尹
dA = p(ros 兔 + cos 旳)=学
对式(7)两端时间积分得：
式中s(©为被测物体位移量，为干涉条纹移动数,系统只要检测出条纹移动数 就可以得出被测物体的位移量。
光信号检测部分
1混频技术
光混频技术即相干检测技术，或称为频率调制技术。假设有两列波，其中一 列波表达式为
E = E]_88(3应+ tpj另一列波表达式为E = Ea cos(<n)at+ «p2),则 合成波的振幅为
E = Ej. + %) + E2 cos(w2t 4 他) (9)
式(9)中，El, E2是两入射波的振幅，3- 3丄是两入射波的角频率，冷-%
是两入射波的初相位。当相差<Pv伞2不是