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基于双纵模双频激光干涉测量的位移传感器自动检定系统的研究

田云辉

  本学位论文以为成都飞机工业集团公司研制双频激光干涉仪和位移传感器自动检定系统为基础,完成了以下研究工作:1.对双频激光干涉仪的工作原理进行了理论分析,着重分析了其主要影响因素:双频激光平均频率漂移;双频激光差频漂移;高斯光束干涉附加项在测量过程中的变化及其对相位变化的影响,与测量镜运动引起的程差变化的关系。双频激光干涉仪是一种外差干涉仪,理论分析证明:外差干涉具有高的转换增益、良好的滤波性能及优异的空间鉴别能力,能有效地滤除各种背景光干扰,得到信噪比很高的测量信号。在光路调整中,它对测量光与参考光的合光光束是否垂直于探测器光敏面要求不高,但对两光束合光同轴度则有严格要求。因而干涉仪系统达到高精度的基础是:频率及频差稳定的双频激光源、稳定的等效腔长;测量光与参考光合光后有很高同轴度的光路结构;能可靠记录相位差变化周期数的细分及可逆计数系统三部分。2.分析了激光频率的稳定性、复现性的定义及影响激光频率稳定的因素;介绍了常见的稳频及产生双频的方法;分析论证了激光器双纵模热稳频的使用条件和有关参数的关系,得到结论是:应将激光管装在保温罩内;选用放电管直径及长度大、壁厚小、材料导热系数大的放电管。采用控制激光器的放电电流的PID控制模式,在放电管外露,散热条件好;热变形不受约束的背包式He-Ne激光管上取得了很好的效果。在放电管外有玻璃罩,散热条件差;放电管温度变形受外玻璃罩约束的同轴式管子上则效果不理想(预热时间较长,抗干扰能力不如前者)。为此,提出了增加有缠绕于激光管颈上的电阻丝辅助加热控制环节的自四川大学博一l:学位论文组织模糊控制双纵模热稳频方法。选用腔长L=190mm的普通同轴式He一e激光管,采用PID和自组织模糊控制模式可达到10一的稳频精度效果,并满足预热时间和抗干扰要求。实验证明用自组织模糊控制方法获得的双纵模双频激光的频率稳定度在恒温条件为20士IOc时可达10一”;即使有冷、热气流吹拂时,也能保证稳频精度不低于10一7,单片机自组织模糊控制方法可以实现模糊优化和自组织,故不需要精确的数学模型。它结构简单,又有自适应的功能,使稳频系统预热时间减少,抗干扰性能和对环境变化的适应能力也得到提高。双纵模热稳频He一Ne激光源发出的双频激光,频率稳定度高;不用压电晶体和外加磁场;对激光管没有特殊要求;所以系统成本低,控制简单。用于激光外差干涉测量时,其抗干扰能力强;尤其是动态响应好,其模间隔即仪器的载波频率达790MHz:由于出射的两个纵模频率的光是偏振方向自然相互垂直的线偏振光,正交性好,因光源椭偏引起的非线性误差很小;因而有广泛的应用范围。3.以上述研究为基础改进和重新设计了双纵模双频激光干涉仪。系统采用长度为1 90mm的普通全内腔He一Ne激光管构成双纵模热稳频光源,其模间隔为△F=。/ZnL(式中c为光速,L为谐振腔长,n为空气折射率,其值约790MHz),原理上对目前可能要求的测量速度都能满足;它发出的光为一对互相垂直的线偏振光,与塞曼型双频激光干涉仪相比,它不用外加轴向磁场及1/4波片,因此结构简单,造价低廉。测量光路采用角锥镜作测量镜及参考镜以保证测量光与参考光合光后的同轴度要求;本系统中,对合光后光束的同轴度要求为:0.na、一0.21 lmrad一43.5”,为此要求角锥镜三个直角加工偏差均不得大于7.27”。采用倒置望远镜光路及针孔构成准直扩束及空间滤波系统,使高斯激光束束腰扩大了M倍(M=石/‘万),发散角减小了1/M,等效腔长增大了M,倍。由于拍频频率高达79OMHz,采用了80mm长syv型聚乙烯介质同轴电缆作为延迟线移相’即可获得相位差为900的两路信号,比传统的光学镀膜移相法简单。以上所述的一系列优异特性,使此种干涉仪可满足各种高精度测量的要求,有良好的应用前万L。4.细分及可逆计数系统首次采用了经放大整形的两路相位相差9了的计数脉冲信号作为EPROM的地址输入控制其数据输出,而数据输出又返回来控制地址输入。这种循环查表、反馈作用,在向 EPROM中写入适当的内容后即可实现依相序抗干扰细分、辨向的功能。采用两片大规模集成器件8253分别作为正向脉冲和四川大学博士学位论文反向脉冲计数器,未设置专门的辩符号功能环节,而采用单片机程序处理完成。由于采用了以EPROM硬件查表技术为核心的依相序抗干扰四细分辨向电路和以高集成度的16位计数器8253为核心的辨符号可逆计数电路,并在单片机89C51的控制下,完成采样、清零、结果显示及与微机通讯,智能化程度及可靠性得到提高。5.对双纵模双频激光干涉仪的精度理论分析表明其最大测量误差为:占二士(0 .2十10一6L)声lm(L单位为pm)。在中国测试技术研究院GzJ一l型长光栅自动检测仪上与美国HP5528双频激光干涉仪进行的比对实验验证了这一结论。在宁江机床厂装配车间正常生产条件(有机床与吊车开动及人员在车间内行走)作了进一步的适应性试验。并在现场用巾6手电钻距仪器50Omm范围内不断开闭制造人工干……   
[关键词]:激光稳频;干涉测量;双频激光干涉仪;位移传感器检定
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:四川大学2003年
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