单频激光干涉测振关键技术研究

发布时间：2017-08-28 15:36

  本文关键词：单频激光干涉测振关键技术研究

  更多相关文章： 振动测量 单频激光干涉测振 非线性误差补偿方法 高速相位检测单元

【摘要】：单频激光干涉测振方法具有光路结构简单、光源可光纤传输、测量结果易溯源等优点,在振动测量和计量中具有广泛的应用前景。近年来,随着单频激光干涉测振方法应用领域的不断扩展,被测对象的多样性使得测量表面的反射率差异很大,同时被测振动的形式也向高频微小振动和低频大振幅振动两个方向同时发展,这要求单频激光干涉测振技术向着宽频带、反射率自适应方向发展,并提出高精度、高分辨力、高测量速度的测量需求。本课题“单频激光干涉测振关键技术研究”主要针对单频激光干涉振动测量中被测物体表面反射率不同导致非线性误差变大、低反射率和高频测振条件下测量信号噪声大、高频测振时相位细分速度和分辨力相互矛盾等问题,首先研究一种可在不同反射率条件下进行低非线性误差测量的单频激光干涉测振光路及其非线性补偿方法,其次使用FIR低通滤波器来抑制信号噪声、保证测量分辨力的有效性,最后设计基于CORDIC算法的高速相位测量单元对振动相位进行高速实时检测。本课题的主要研究工作如下:针对振动测量中不同被测对象表面反射率差异较大引起非线性误差不同且难以补偿的问题,首先分析了被测对象表面反射率影响传统单频激光干涉仪输出信号特性的作用过程,并指出此时非线性误差将相应变化且难以补偿;为此,研究一种可适应不同反射率的单频激光干涉测振光路,采用该光路的测振仪其输出正交信号的直流偏置误差为零且增益比误差、非正交误差与反射率无关,解决了非线性误差随反射率变化的问题;在此基础上,通过增益调整和矢量相位校正运算来补偿正交信号残余的不等幅误差和非正交误差,进而在不同反射率下均可获得较低的非线性误差。针对振动测量中低反射率下信噪比变差及高速数据采集噪声大而导致有效测量分辨力下降的问题,首先对单频激光测振仪输出的正交信号进行FIR数字低通滤波,以抑制正交信号存在的高频噪声、提高正交信号的信噪比,从而保证了位移测量分辨力的有效性。针对高频振动测量中提出的高速实时测相需求,研究一种基于CORDIC算法的高速相位测量技术,首先对输入信号进行象限转换以满足CORDIC算法对输入角度的要求,然后将反正切算法转化为多级流水线迭代得到运算角度,从而实现了相位小数的细分;同时采用四细分辨向方法实现相位测量整数部分的辨向计数,利用多级流水方式实现相位测量中整、小数单元的同步工作,实现了整、小数相位的同步合成。在上述研究的基础上,本文搭建了UOI_LSV型单频激光干涉测振系统。等效测试实验结果表明,本文研制的单频激光干涉测振仪在10%到接近100%的反射率下其残余非线性误差优于±0.15nm,测量分辨力为38.6pm,最大测量速度达到1.582m/s,位移数据更新速率为40MHz。直接测试实验结果表明,振动频率测量范围为DC~130k Hz,振幅测量误差小于±10.3%,静态分辨力为0.3nm,残余非线性误差优于±1.98nm。
【关键词】：振动测量 单频激光干涉测振 非线性误差补偿方法 高速相位检测单元
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH825
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题研究的目的与意义10-11
• 1.2 单频激光干涉测振研究现状11-17
• 1.2.1 振动测量技术研究现状11-13
• 1.2.2 单频激光干涉测振仪研发现状13-14
• 1.2.3 单频激光干涉测振非线性补偿方法现状14-15
• 1.2.4 单频激光干涉测振信号处理方法现状15-17
• 1.3 课题主要研究内容17-19
• 第2章 测量表面反射率引入的非线性及补偿方法19-36
• 2.1 引言19
• 2.2 单频激光干涉测振原理19-21
• 2.3 传统单频激光干涉测振光路的非线性误差21-27
• 2.3.1 传统四通道干涉光接收原理22-23
• 2.3.2 分光棱镜BS对非线性误差的影响23-27
• 2.4 分光棱镜BS的透反射特性分析27-30
• 2.5 消直流偏置单频激光干涉测振光路30-33
• 2.6 适于不同反射率表面的非线性误差补偿方法33-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 高精度高速振动信号处理技术研究36-51
• 3.1 引言36
• 3.2 高精度高速信号处理方案36-37
• 3.3 高精度AD信号采集37-41
• 3.3.1 ADC实际分辨率分析38-40
• 3.3.2 FIR低通滤波器40-41
• 3.4 高速相位处理单元设计41-50
• 3.4.1 CORDIC算法原理41-44
• 3.4.2 CORDIC算法的硬件实现44-46
• 3.4.3 CORDIC小数模块46-49
• 3.4.4 整数计数模块49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 系统设计及实验分析51-77
• 4.1 引言51
• 4.2 单频激光干涉测振系统51-53
• 4.2.1 单频激光干涉测振仪51-52
• 4.2.2 高速信号处理卡52-53
• 4.2.3 数据采集界面53
• 4.3 消直流偏置验证实验53-55
• 4.4 信号处理卡测试55-60
• 4.4.1 测试方法及实验平台55-56
• 4.4.2 非正交误差校正测试56-57
• 4.4.3 静态标准差测试57-58
• 4.4.4 动态分辨力测试58-59
• 4.4.5 动态标准差测试59-60
• 4.5 系统应用实验60-76
• 4.5.1 静态分辨力实验61-62
• 4.5.2 不同反射率实验62-63
• 4.5.3 中低频振动测量实验63-71
• 4.5.3.1 低频振动测试64-69
• 4.5.3.2 中频振动测试69-71
• 4.5.4 高频振动测量实验71-76
• 4.5.4.1 20kHz换能器测试72-74
• 4.5.4.2 60kHz换能器测试74-75
• 4.5.4.3 120kHz换能器测试75-76
• 4.6 本章小结76-77
• 结论77-79
• 参考文献79-83
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果83-85
• 致谢85-86
• 附录I: 现场应用照片及证明86-87

【参考文献】

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本文编号：748410