一种基于激光干涉式的三自由度检测系统

发布时间：2017-09-03 10:04

  本文关键词：一种基于激光干涉式的三自由度检测系统

  更多相关文章： 干涉测量系统 三自由度 椭圆拟合 四细分计数 条纹形状识别

【摘要】：在精密超精密加工、微电子、自动化检测、航空航天等现代高科技领域,利用激光干涉法对工作台或运动导轨多自由度在线测量具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在国内外激光干涉多自由度测量调研的基础上,应用相关理论知识,设计一种新型基于激光干涉式三自由度同时检测的光学系统,主要研究内容如下:首先,在传统的迈克尔逊干涉系统上,设计基于激光干涉式三自由度测量系统,通过矢量分析光束传播证明系统光路理论可行,系统光路采用优化的无反馈光测量光路,同时利用PZT实现干涉条纹动态调制及四象限光电探测器识别干涉条纹。其次,建立了条纹形状参数与导轨偏转角之间的数学模型,推导了条纹形状参数与四象限光电探测器象限间相位差的理论关系,从而得出导轨偏转角与四象限光电探测器象限间相位差的关系,为工作台角偏测量提供了理论基础。对位移的测量主要利用常用的四细分辨向计数来完成,主要利用光程差的变化与条纹移动的变化对应关系进行测量。并且分析了满足计数条件的条纹信号的有效性。第三,阐述了本课题设计的总体实施方案,设计并完成光学结构的加工,利用基于ARM Cortex-M3内核的单片机STM32进行干涉条纹信号采集和数据处理,利用人机交互界面实现STM32与压电陶瓷控制器之间的通信。干涉条纹信号通过四路AD采集,应用椭圆拟合的算法提取相位差测量工作台角度偏转;其中两路信号差分整形细分计数,测量工作台线性位移量。最后,通过实际项目对微悬臂振动位移进行测量,利用本课题算法开发单片机软件程序,最终位移测量达到较高的精度,表明相位差的提取的可靠性及程序开发的可行性。并通过仿真验证圆形四象限光电探测器象限间的等效相位距离。
【关键词】：干涉测量系统 三自由度 椭圆拟合 四细分计数 条纹形状识别
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN247
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题来源9
• 1.2 多自由检测的背景及依据9-10
• 1.3 激光干涉多自由度检测的意义与目的10
• 1.4 激光干涉多自由度测量国内外研究现状10-12
• 1.5 本课题研究的主要内容12-13
• 第2章 基于PZT调制的无反馈光干涉系统的设计13-25
• 2.1 基于PZT调制的激光干涉系统13-14
• 2.2 激光的准直与扩束系统及光束的传播14-17
• 2.2.1 透射式激光扩束系统14-15
• 2.2.2 反射式激光扩束系统15-16
• 2.2.3 光束空间反射、折射的矢量关系16-17
• 2.3 迈克尔干涉系统原理17-18
• 2.4 激光干涉系统的无回馈光测量光路18-19
• 2.5 干涉系统的光路矢量分析19-24
• 2.5.1 无反馈光测量光路矢量分析19-22
• 2.5.2 激光干涉光路整体矢量分析22-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 光束夹角及条纹形状识别与相位差的理论关系25-36
• 3.1 利用干涉条纹形状参数对目标量测量的原理25
• 3.2 光束夹角与条纹形状参数之间的关系25-28
• 3.3 利用四象限光电探测器对条纹形状参数进行识别28-32
• 3.3.1“田”字型光电探测器的条纹识别法29-31
• 3.3.2 圆形四象限光电探测器的条纹识别法31-32
• 3.4 光束夹角与光电管相位差的理论关系32-33
• 3.5 细分辨向计数测量位移33-34
• 3.6 本章小结34-36
• 第4章 系统总体设计与数据处理及通信的软硬件实施36-53
• 4.1 总体方案设计36-38
• 4.2 光路结构三维设计及部分实验器材介绍38-39
• 4.3 光电转换电路及A/D采样39-43
• 4.3.1 四象限光电转换电路39-40
• 4.3.2 FPGA、DSP与STM32的各自优势40-41
• 4.3.3 STM32两路AD同步采集41-43
• 4.4 通信人机交互界面与XE-501压电陶瓷驱动器通信43-46
• 4.5 椭圆拟合提取相位差算法46-48
• 4.6 对满足计数的条纹信号有效性分析48-52
• 4.6.1 光电转换信号有效性分析48-49
• 4.6.2 有效干涉条纹椭圆信号图解49-50
• 4.6.3 条纹信号四细分处理50-52
• 4.7 本章小结52-53
• 第5章 实验设计与验证53-61
• 5.1 实验验证设计分析53-58
• 5.1.1 干涉信号数学建模54-55
• 5.1.2 相位计算55-56
• 5.1.3 相位解包裹56
• 5.1.4 悬臂振动位移的复原实验56-58
• 5.2 圆形光电探测器提取等效象限中心点仿真58-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第6章 论文总结与展望61-64
• 6.1 全文总结61-62
• 6.2 课题展望62-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文70-71
• 附录2 课题实物图照片71-74
• 附录3 课题部分程序清单74-80

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