基于激光干涉的高分辨率精密位移测量研究

由于高分辨率精密位移测量过程中调制深度波动和载波相位延迟,导致相位解调中存在误差,致使测量效果较差,测量时间较长,提出基于激光干涉的高分辨率精密位移测量方法。分析激光干涉原理和位移测量原理,获取位移测量误差产生的原因,采用相位生成载波反正切解调方法解调干涉信号,通过离散卡尔曼滤波修正相位解调后正交信号的幅值和偏置,补偿相位解调误差,实现高分辨率精密位移测量。实验结果表明,所提方法的测量波动均值稳定在±1.5 nm之间,能够有效地稳定测量能力、减小测量误差、缩短测量时间。     

基于透射式激光空气隙干涉的纳米分辨率精密位移测量

基于透射式激光空气隙干涉原理,建立微位移测量系统,实现纳米分辨率的物体微小位移测量。利用外加微小位移并将前后光强度相减的图像处理方法,有效地提高激光干涉图像的信噪比,将掩没于杂散噪声中的干涉条纹提取出来。实验结果表明,该系统的相对位移测量分辨率优于10 nm,绝对位移测量不确定度优于5%。该系统结构紧凑,安装、使用方便,测量分辨率达到nm级,可实现快速、便捷、稳定的测量,适用于临时性的高分辨率精密位移测量需求。     

融合双波及单波干涉的光纤位移传感系统研究

研究一种融合双波长干涉及单波长干涉的大跨距高精度光纤位移传感系统。两种波长不同的光波同时作用于光纤干涉仪中,基于波分复用技术,利用光纤光栅分离双波长干涉信号和单波长干涉信号。利用双波长干涉信号决定被测位移的幅值,使最大测量跨距扩大至毫米量级。在本系统选定的两个激光波长(分别为1 557.32nm和1 558.52nm)下,最大测距为0.5mm,通过恰当地选用传感系统中的两个激光波长,可获得更大的测距范围;利用单波长干涉信号高精度地测量位移,使系统保持单波长干涉测量精度高的优点。     

激光光栅干涉技术的微位移测量研究

为提升精密测量的精度与量程,提出了激光光栅干涉技术的微位移测量方法。通过集成双光栅微位移测量方法以2组近似正交相位差的光栅交替选择并累积高灵敏度测量区域,扩大测量量程,且在测量过程中避免激光光束存在抖动问题,通过频率调解法实行外差干涉信号处理,转变待测物理量的信息为调相或调频信号,实现测量的高分辨率。检测结果表明,该方法能够测量出可移动部件的总位移,且测量的最小位移达到0.19 nm,可实现大量程与高分辨率的微位移测量,同时该方法测量的相对误差低于0.025°,测量精度高,测量结果可信度高,另外在测量中激光入射角度与凹槽深度对该方法测量精度影响轻微,测量性能稳定,具有实际应用价值。     

小波分析在激光自混合干涉位移传感器中的应用

为减小激光自混合干涉位移传感器测量误差,提 出了基于小波分析的自混合干涉信号 处理方法。在进行全相位快速傅里叶变 换(FFT)解调相位之前,利用离散小波分解、重构去除自混合干涉归一化信号的奇异点 ,有效降低调制电流斜率突变引入的高次 谐波干扰,同时去除高频随机噪声干扰。简述了自混合干涉位移测量原理,介 绍了基于小波分析的自混合干涉信号处理算法原理并进行了算法仿真,采用数值仿 真分析了系统反馈水平及调制参数对测量误差的影响,利用压 电陶瓷(PZT)对自混合干涉位移测量系统进行标定。结果表明,位移测量误差减小到2.45nm。应用小波分析处理干涉信号可减小激光自混合干涉位移传感器的 测量误差。     

高稳定大量程复合光纤干涉位移测量系统研究

为了使位移测量系统达到大量程、高分辨率,采用复合光纤干涉的方法,进行了理论分析和实验验证。利用光纤光栅作为反射镜,构成两个干涉光路几乎共路的光纤迈克尔逊干涉仪。其中一个光纤迈克尔逊干涉仪通过反馈控制补偿环境干扰对测量系统的影响,使测量系统适合在线测量;另一个干涉仪用于完成测量工作。两个不同波长的光同时作用于完成测量的干涉仪中,测量量程由两个波长的合成波干涉信号确定,使测量量程大于1mm;测量分辨率由其中一个单波长干涉信号确定,测量分辨率小于1nm。结果表明,这种基于复合光纤干涉仪的位移测量系统可以实现大量程、高稳定的位移在线测量。     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

基于VMD与小波阈值的激光自混合干涉位移信号滤波方法

激光自混合干涉实验信号含有严重的噪声,噪声会对位移的测量产生较大的影响,为了保证位移测量的准确性,提出了基于VMD与小波阈值的滤波方法。利用VMD将信号分解为k个固有模态函数(IMF),对IMF进行小波阈值处理并重构达到滤波的目的。使用插值法结合条纹计数法的原理恢复重构位移信号实现位移的测量。通过仿真对所提方法进行了测试与对比,并结合实验使用绝对误差与标准误差对实际位移与恢复后的位移信号进行比对,结果表明了基于VMD分解与小波阈值的激光自混合干涉位移测量的准确性较高。     

激光自混合干涉式位移测量数值模拟及实验研究

对激光自混合干涉式位移测量原理进行了数值模拟和实验研究。首先，从三镜法布里珀罗腔理论出发，得到了基于半导体激光自混合干涉原理的位移测量模型，在此基础上对多种波形调制外反射体位移情况下激光自混合干涉信号进行了理论分析，证实信号倾斜方向发生反转的间隔条纹数目对应反射体位移的幅值范围；反射体有半个波长的位移，信号即输出一个完整的条纹；反馈强度的增加将增大输出条纹的倾斜。对信号倾斜现象进一步分析发现，当反射体位移减小时，信号向左倾斜，反之向右。造成信号倾斜的原因是由于高反馈强度下引起的非线性相位调制了输出信号强度。这些结论同样适用于任意波形调制的反射体位移。实验测试结果同理论分析吻合较好。     

能量天平动圈位移的激光干涉测量研究

为精确测量普朗克常数h,实现能量天平法建立量子质量基准,提出了三轴双频激光外差干涉和折叠式Fabry-Perot(F-P)干涉绝对距离测量相结合的激光干涉测量方法,用于精密测量和定位能量天平装置中沿竖直方向在均匀磁场中运动的互感线圈位移。用三轴双频激光外差干涉精密测量运动线圈的质心位移和姿态,位移测量不确定度为10nm;进而将F-P腔干涉绝对距离测量与外差干涉测量结果进行比对和校准。仿真表明,采用本文方法,当位移测量范围约为30mm时,测量分辨率优于1nm。将该方法运用于真空中线圈位移测量,相对测量不确定度优于1.0×10-9。     

光纤F P腔干涉纳米级位移高分辨率测量

激光抗干扰性好、复用能力强,光纤F P腔干涉仪结构简单、灵敏度高,适于纳米级位移测量。为了进一步提高分辨率,扩展测量范围,本文对光纤F P腔干涉信号的相位和功率进行分析。首先给出了二倍次方功率和分辨率的关系,找出了提高分辨率的途径。然后给出了二倍次方功率和干涉条纹变化的关系,确定了测量条件。最后根据光纤波在F P腔内干涉形成的滞后相位,通过多次希尔伯特变换,实现了待测物体位移重构。数值模拟和实验证明了该方法能够实现高分辨率纳米级位移测量,误差小。     

基于适度光反馈自混合干涉技术的位移测量系统

基于适度光反馈自混合干涉(OFSMI)技术,设计了一种位移测量方法.该办法通过对自混合干涉信号的整数条纹部分进行计数和对小数条纹部分进行细分,实现大量程高分辨率的位移测量.对小数条纹分析时,运用数据拟合方法,找出干涉波形特征点与被测物位移之间的关系,从而实现对小数干涉条纹部分对应位移的测量.仿真分析和实验结果证明,此方法可对位移进行大量程高精度的测量,误差平均为0.83%.并通过设计算法对物体的任意运动轨迹进行重构.     

大台阶高度测量的外差共焦方法

台阶高度是微电子产品的一个重要性能参数。基于双频激光干涉共焦显微系统(DICM)提出了一种微电子掩膜板台阶高度测量的扫描方法。在共焦显微扫描样品表面，当光强达到最大值时，将采样外差干涉的相位作为精确对准的判据。该扫描方法集中融合了外差干涉测量和共焦显微测量的优点，同时实现了高分辨率与较大量程的测量，该系统测量台阶高度的范围取决于Z向位移扫描仪PI-Foc的扫描范围，可达数十甚至近百微米。实验结果表明该系统在普通恒温的实验条件下1h内的漂移不超过5nm。该系统已经用于20μm高台阶的测量，对准分辨率为0．1nm，实验结果与台阶高度实际值有很好的一致性。     

一种对称式双光栅干涉位移测量系统的研制

作为纳米位移测量技术领域的关键解决方案之一,干涉型光栅位移测量系统具有高精度、高分辨率、小体积的特点。干涉型光栅位移测量系统中采用的干涉光来自光栅的衍射,所以系统对光栅的偏摆角度较为敏感,装调难度大。为此,研制了一种对称式双光栅干涉位移测量系统,基于光学多普勒频移效应和圆偏振光干涉等原理实现高精度位移测量,系统对位公差小,装调简便。性能测试结果表明,该系统的实测分辨率为0.8nm,重复性为1.4nm;在1~14.5μm的位移范围内校正前系统测量精度为15.4nm,采用系统运动轨迹误差校正后精度为5.5nm,进一步采用周期性误差校正后精度达到1.4nm。     

基于Nd∶YAG激光器声音辨识的实验探究

为了实现以激光作为载体的声音辨识,提出了一种基于Nd∶YAG激光器的声音辨识测量方法。首先,通过实验验证了采用Nd∶YAG激光器的测量系统能够测量低反射率物体纸片的运动位移;其次,声音信号在通过空气向外传播时,会引起纸片的振动位移,经过滤波、放大处理,实现声音的还原。结果表明,基于Nd∶YAG激光器的激光回馈干涉测量系统通过测量纸片的振动位移,从而实现对测试人员的声音辨识。     

基于GaAs晶体的微小振动非线性干涉测量

研究了一种基于GaAs晶体非稳态光感生电动势效应的非线性激光干涉振动测量系统,以固体激光器为光源,以零差干涉光路进行测量。信号光被一定频率微小振幅振动调制后与参考光在GaAs晶体表面发生干涉,根据光感生电动势效应,高于一定的截止频率,GaAs晶体将产生正比于振动幅值的交变电流信号,从而进行振动测量。对影响输出光感生电流的主要因素进行了实验研究,包括干涉条纹空间频率及GaAs电极间距,确定了最佳工作条件。将该系统的测量结果与商用测振仪的测量结果进行了比较,结果一致。     

基于利特罗式激光反馈光栅干涉的微位移测量技术

通过在激光反馈干涉(LFI)系统中引入衍射光栅,提出了一种基于利特罗结构的激光反馈光栅干涉(LFGI)技术,用于一维和二维精密位移的测量。半导体激光器出射的光束以利特罗条件入射至反射式全息光栅,衍射光沿入射光方向返回激光腔后,腔内会发生激光反馈干涉效应。引入正弦相位调制解调技术,高精度地测量一维和二维微位移。利特罗结构和LFGI系统具有自准直性好、结构紧凑、易于操作和系统稳定性高的优点。实验结果表明,利特罗式LFGI系统的位移测量精度可以达到10 nm量级。     

激光干涉测长中的数据处理——拨码盘和插补相结合

一、激光干涉测长系统 激光干涉测长系统原理方框图如图土所示。 激光干涉仪是改型的迈克尔逊干涉仪。测量镜位移量L为: L=λ/2 N 式中N为干涉条纹数。经放大整形后的光电讯号代表λ/2。若通过逻辑电路对代表λ/2为计量单元的电讯号再进行四细分,则测量镜位移量L为:     

一种调频连续波干涉仪激光波长稳定性测量方法

针对调频连续波干涉测量系统中半导体激光光源存在波长漂移的问题,提出了一种基于干涉腔的调频连续波激光波长稳定性测量方法。首先推导了波长漂移量的测量理论,确定了位移-波长漂移量的变化系数,然后设计了拍频信号波长漂移量的解调算法,最后搭建了调频连续波干涉腔测量系统并进行了实验验证。结果表明,波长漂移量的测量分辨率为0.016 pm,波长漂移解算速度达50/s（测量时间为0.02 s）,相比光学拍频法和干涉比较法,测量速度有较大的提高。激光器持续工作1 h,测量标准差为0.049 pm,平均中心波长稳定性在0.19×10^-6内。该方法在光纤传感和精密干涉测量领域有较好的应用价值。     

双路信号相位同步测量系统设计与实现

为了实现2维外差干涉位移测量中信号相位的精确同步探测,采用整周期计数与脉冲填充相结合的方法,利用同一时钟基准,对双路信号进行同步检测与并行处理,设计并实现了一种基于现场可编程门阵列的双路外差干涉信号相位同步测量系统。该系统在100kHz载波频率下测量分辨率可以达到0.18,双路信号下的相位同步测量误差同样为0.18。结果表明,该系统实现了整小数相位的精确测量,确保了双路信号相位的实时同步探测,能够满足各种2维外差干涉位移测量系统对相位同步测量的需求。