基于振动节点优化提高双频激光干涉仪的测量精度
发布时间：2021-07-09 17:43
双频激光干涉仪在纳米测量技术领域中的应用十分广泛,在特定的使用环境中,如何减小测量系统存在的误差,提高系统的测量精度变得越来越重要。鉴于此,提出一种利用测量环境中的振型节点减小环境振动,提高双频激光干涉仪测量精度的方法。先从理论的角度分析该方案的可行性,基于此理论搭建实验测量系统,再利用加速度传感器找到测量系统中的节点位置,最后测试双频激光干涉仪在振型节点位置和其他非节点位置处的测量重复性水平。实验结果表明:当外界存在振源时,所提方法在非振型节点位置的测量重复性为±9nm,振型节点位置的测量重复性为±4nm,即节点位置处双频激光干涉仪的测量精度相对非节点位置提高了125%,证明了该方法的有效性。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(15)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图1 双频激光干涉仪的工作原理图
由3.1节分析可知，当外界存在振动源时，测量系统中可能存在32.95,68.25,198.27,210.60 Hz 4个振动频率。对于L型大理石而言，32.95 Hz的振动频率分量主要分布在加速度计的Y轴方向上，该振动方向正好与测长干涉仪的X轴位移测量方向一致；68.25 Hz和198.27 Hz的振动频率只会使L型大理石产生沿Z轴的振动。根据节点定理，可认为Y轴测量干涉计位于L型大理石在X轴振动方向的节点上。根据测长干涉仪的工作原理，位移的产生由CCR与干涉计间产生相对运动所致。从图10可以看到，X轴两路测长干涉仪的噪声水平在18nm(2σ）以内，Y轴测长干涉仪的噪声水平在8nm(2σ）以内，两者相差10nm，也就是Y轴测长干涉仪的位移测量重复性相对于X轴测长干涉仪提高了125%。从图11可以看到，Y轴测长干涉仪无明显振动频率的存在，且FFT幅值在小于120Hz频率范围内均小于0.05nm;X轴测长干涉仪存在一个明显振动，该振动对应的频率为22 Hz，且振动幅值大于0.05nm。由此可说明，因为存在22Hz的振动频率，使X轴和Y轴测长干涉仪的测量重复性不同，即两者的测量精度存在差别。通过对测长干涉仪重复性测量数据的频谱分析得到，测量环境中存在22Hz的振动频率，与加速度计测量得到的Y轴振动频率为32.95Hz相对应，但两者之间存在10.95Hz的频率差，产生这一频率差的原因是电脑的采样率低于干涉仪计数器输出的频率所致。干涉仪测量数据采集系统是基于商用计算机（PC）平台开发的，再利用MATLAB编写相应的程序来读取安捷伦N1230A板卡计数器的数字信号，采样频率达到288Hz，但这一采样率显然远高于PC本身的工作频率。因此，利用干涉仪采样得到的振动频率与真实的振动频率间存在一定偏差，所以测量系统中存在的振动其频率测量值以加速度计测量结果为准。
为了对第2节的理论进行验证，搭建了双频激光干涉仪的三轴测量系统，如图2所示。X轴方向上共有两个测量轴（左侧为X1，右侧为X2),Y轴方向有一个测量轴，坐标系的坐标轴遵循右手法则。从双频激光器出射的激光经分光棱镜（67/33SP）后分成两部分，67%的光发生透射，33%的光被反射。被反射的激光经过Y轴全反射镜（reflector）后进入Y轴干涉计（interferometer）中并被分成两部分，一部分透射光进入测量CCR后再被反射回来形成测量光，另一部分反射光进入参考CCR后被反射回来形成参考光，两者在Y轴干涉计内重新相遇产生干涉信号S；透射光经50/50分光棱镜后一半发生透射，一半被反射。被反射的部分光进入X2轴的干涉计后被分成两部分，一部分反射光进入参考CCR后被反射回来，形成参考光；另一部分透射光进入测量CCR后被反射回来，形成测量光，参考光与测量光在X2的干涉计处再一次相遇产生干涉信号S2。同理，被50/50分光棱镜透射的光经过反射镜反射后进入X1轴干涉计，一部分被反射光进入参考CCR，并被反射回来形成参考光；一部分透射光进入测量CCR后被反射回来，形成测量光，最后在干涉计处与参考光相遇产生干涉信号S1。光电转换模块将干涉信号S1、S2和S转换成电信号，最后经数据处理模块得到三个测量轴的位移量。在图2测量系统中，所有测量CCR都安装在一个只能沿Z轴作闭环运动的金属板上，将这一沿Z轴进行闭环运动的系统作为实验的振动源。该可动机构的Z轴向运动驱动器为压电陶瓷（PZT),Z轴位移反馈系统为电容传感器。3.1 系统模态测试
【参考文献】：
期刊论文
[1]论固有振型的节点规律[J]. 胡海岩. 动力学与控制学报. 2018(03)
[2]双频激光干涉测量中的环境补偿技术[J]. 池峰,朱煜,张志平,高为宫. 中国激光. 2014(04)
[3]高加速度超精密激光外差干涉测量模型[J]. 陈洪芳,丁雪梅,钟志,谭久彬,王维雅,谢站磊,李海英. 光电工程. 2007(08)
[4]提高激光干涉测量系统精度的方法与途径[J]. 齐永岳,赵美蓉,林玉池. 天津大学学报. 2006(08)
[5]提高激光干涉测量精度的研究[J]. 李东光,张国雄,李贵涛. 北京理工大学学报. 2000(05)
本文编号：3274191
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(15)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
图1 双频激光干涉仪的工作原理图
由3.1节分析可知，当外界存在振动源时，测量系统中可能存在32.95,68.25,198.27,210.60 Hz 4个振动频率。对于L型大理石而言，32.95 Hz的振动频率分量主要分布在加速度计的Y轴方向上，该振动方向正好与测长干涉仪的X轴位移测量方向一致；68.25 Hz和198.27 Hz的振动频率只会使L型大理石产生沿Z轴的振动。根据节点定理，可认为Y轴测量干涉计位于L型大理石在X轴振动方向的节点上。根据测长干涉仪的工作原理，位移的产生由CCR与干涉计间产生相对运动所致。从图10可以看到，X轴两路测长干涉仪的噪声水平在18nm(2σ）以内，Y轴测长干涉仪的噪声水平在8nm(2σ）以内，两者相差10nm，也就是Y轴测长干涉仪的位移测量重复性相对于X轴测长干涉仪提高了125%。从图11可以看到，Y轴测长干涉仪无明显振动频率的存在，且FFT幅值在小于120Hz频率范围内均小于0.05nm;X轴测长干涉仪存在一个明显振动，该振动对应的频率为22 Hz，且振动幅值大于0.05nm。由此可说明，因为存在22Hz的振动频率，使X轴和Y轴测长干涉仪的测量重复性不同，即两者的测量精度存在差别。通过对测长干涉仪重复性测量数据的频谱分析得到，测量环境中存在22Hz的振动频率，与加速度计测量得到的Y轴振动频率为32.95Hz相对应，但两者之间存在10.95Hz的频率差，产生这一频率差的原因是电脑的采样率低于干涉仪计数器输出的频率所致。干涉仪测量数据采集系统是基于商用计算机（PC）平台开发的，再利用MATLAB编写相应的程序来读取安捷伦N1230A板卡计数器的数字信号，采样频率达到288Hz，但这一采样率显然远高于PC本身的工作频率。因此，利用干涉仪采样得到的振动频率与真实的振动频率间存在一定偏差，所以测量系统中存在的振动其频率测量值以加速度计测量结果为准。
为了对第2节的理论进行验证，搭建了双频激光干涉仪的三轴测量系统，如图2所示。X轴方向上共有两个测量轴（左侧为X1，右侧为X2),Y轴方向有一个测量轴，坐标系的坐标轴遵循右手法则。从双频激光器出射的激光经分光棱镜（67/33SP）后分成两部分，67%的光发生透射，33%的光被反射。被反射的激光经过Y轴全反射镜（reflector）后进入Y轴干涉计（interferometer）中并被分成两部分，一部分透射光进入测量CCR后再被反射回来形成测量光，另一部分反射光进入参考CCR后被反射回来形成参考光，两者在Y轴干涉计内重新相遇产生干涉信号S；透射光经50/50分光棱镜后一半发生透射，一半被反射。被反射的部分光进入X2轴的干涉计后被分成两部分，一部分反射光进入参考CCR后被反射回来，形成参考光；另一部分透射光进入测量CCR后被反射回来，形成测量光，参考光与测量光在X2的干涉计处再一次相遇产生干涉信号S2。同理，被50/50分光棱镜透射的光经过反射镜反射后进入X1轴干涉计，一部分被反射光进入参考CCR，并被反射回来形成参考光；一部分透射光进入测量CCR后被反射回来，形成测量光，最后在干涉计处与参考光相遇产生干涉信号S1。光电转换模块将干涉信号S1、S2和S转换成电信号，最后经数据处理模块得到三个测量轴的位移量。在图2测量系统中，所有测量CCR都安装在一个只能沿Z轴作闭环运动的金属板上，将这一沿Z轴进行闭环运动的系统作为实验的振动源。该可动机构的Z轴向运动驱动器为压电陶瓷（PZT),Z轴位移反馈系统为电容传感器。3.1 系统模态测试
【参考文献】：
期刊论文
[1]论固有振型的节点规律[J]. 胡海岩. 动力学与控制学报. 2018(03)
[2]双频激光干涉测量中的环境补偿技术[J]. 池峰,朱煜,张志平,高为宫. 中国激光. 2014(04)
[3]高加速度超精密激光外差干涉测量模型[J]. 陈洪芳,丁雪梅,钟志,谭久彬,王维雅,谢站磊,李海英. 光电工程. 2007(08)
[4]提高激光干涉测量系统精度的方法与途径[J]. 齐永岳,赵美蓉,林玉池. 天津大学学报. 2006(08)
[5]提高激光干涉测量精度的研究[J]. 李东光,张国雄,李贵涛. 北京理工大学学报. 2000(05)
本文编号：3274191
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3274191.html
