光干涉测试中的抗振技术研究
发布时间：2020-11-02 06:22
移相干涉术(PSI)作为快速、非接触的精密测量手段，已经广泛地应用于光学零件、光学系统、精密表面检测和其它一些与光程差参数相关的物理量的测量(如温度场、密度场等)。它的基本测量原理是，通过摄像系统(CCD)接受到的干涉图中空间坐标已知的各个像素点的光强信号，在压电晶体驱动参考光程有序变化时，采集到多幅干涉图的光强信号，由移相干涉法，由光强值得到被测光程差值(位相值)。通过严格控制环境条件(温度、气流、振动等)，其理论光程差(位相)的最小分辨率可以达到nm的数量级。然而，由于干涉计量测试灵敏度高、精度高，对外界振动非常敏感，使它的应用范围受到限制。为了进一步拓展干涉仪的用途，发展移相干涉技术，本文结合导师的研究项目，在光干涉抗振技术方面做一些前瞻性、探索性的研究。 本文分析了干涉测量技术中存在的主要误差来源，通过对通常环境下振源特性的分析，得到了对干涉测试影响较大的振源的频率范围主要在30Hz以下，确定了抗振补偿的目标和技术指标是使干涉仪的振动频率＜50Hz，振幅～1μm。创新性地提出了一种新的自适应抗振技术——条纹细分测振技术，可以探测到很小(本文中为1／400个条纹间距)的条纹移动量。建立了位相调制条纹细分技术的数学物理模型，提出了用硬件实现条纹移动探测技术途径。建立了一套闭环的自适应抗振干涉测试硬件系统，成功实现了实时地探测干涉条纹移动量和移动方向。提出了填充脉冲数预设定的方法，可以将干涉条纹锁定在任意设定的位相位置，实现了用PZT同时实现振动补偿和移相测量；深入分析讨论了PZT的延迟问题，创造性地提出了用多次逼近补偿的办法，给出了反馈补偿的算法，解决了补偿过程中存在的系统不稳定和过补偿的问题。详细分析了影响抗振效果的主要因素，定量地给出了其对结果的影响的大小。在实验系统中，设计并实现了带耦合系统的单模光纤导光系统，使光源和干涉仪主体的可以分离。实验验证和测试结果表明，本自适应系统可以较好地补偿50Hz以下的大振幅(条纹移动一个条纹间隔左右)振动。即使在振动较大的环境里，也可以实现干涉测量。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2002
【中图分类】：TH744.3;TB535
【文章目录】：
绪论
1 课题的研究背景
2 抗振干涉技术的发展状况
3 本论文的主要研究工作
1 抗振干涉技术的原理和发展状况
1.1 移相干涉测量原理及其优点
1.2 移相干涉仪的误差来源
1.2.1 数据采集误差
1.2.2 光机误差
1.2.3 环境误差
1.3 振动的影响
1.4 抗振技术的研究动态
1.4.1 机电反馈式
1.4.2 半导体激光器光反馈法
1.4.3 声光、电光调制反馈控制
1.5 抗振干涉技术原理概述
1.6 本章小结
2 振动信号分析与抗振方法概述
2.1 振动信号的分类
2.2 振源的类型与分析
2.3 地面振动的规律和振动特征
2.3.1 地面振动的规律
2.3.2 常见振源的振幅和频率特性
2.3.2.1 交通运输车辆引起的地面振动的特征
2.3.2.2 工业机器引起的地面振动的特征
2.3.2.3 地面脉动
2.4 振动对干涉测试的影响
2.5 减振技术
2.5.1 隔振、消振和减振
2.5.2 本文在采取的主动抗振技术路线方面的考虑
2.6 干涉测量中的自适应原则
2.7 本章小结
3 光干涉测试中抗振技术方案
3.1 条纹细分测振技术探测干涉条纹移动量和移动方向的原理
3.1.1 信号的采集和2路正交信号的获取
3.1.2 载波调制法
3.1.3 鉴零和整形
3.1.4 鉴相和脉冲填充
3.1.5 干涉条纹移动方向判断
3.2 抗振反馈控制方法
3.2.1 DSP特点及其介绍
3.2.2 反馈控制信号处理
3.2.3 反馈控制过程
3.3 本章小结
4 抗振补偿原理实验系统和相关器件参数的测试分析
4.1 振动补偿系统的设计方案
4.2 系统各组成部分描述和测试
4.2.1 光纤导光系统
4.2.1.1 单模光纤和单模条件
4.2.1.2 数值孔径
4.2.1.3 光纤导光系统的结构和测试结果
4.2.2 线阵光电三极管
4.3 压电陶瓷堆（PZT）参数测试的原理和方法
4.3.1 干涉图的Fourier分析
4.3.2 测试流程图
4.3.3 测试系统总设备
4.3.4 实验测试的电压—位移曲线
4.4 压电陶瓷负载情况下的动态频率响应特性
4.4.1 压电陶瓷的动态频率响应特性的测量原理
4.4.2 压电陶瓷的动态频率响应特性测试结果
4.5 电路处理系统
4.5.1 光电信号采集和差动放大系统
4.5.2 信号细分和方向判别
4.6 DSP反馈控制单元
4.6.1 DSP反馈控制单元
4.6.2 抗振系统控制工作流程
4.7 本章小结
5 抗振系统的实验结果及其分析
5.1 抗振系统信号的调试和结果
5.1.1 条纹间隔的调整
5.1.2 载波调制信号
5.1.3 加法器输出信号
5.1.4 带通滤波器提取的信号
5.1.5 鉴零器和鉴相器
5.2 振动测量结果的验证
5.3 补偿实验测试结果
5.3.1 用等间隔变化的控制电压驱动PZT作为振源
5.3.2 用手晃动干涉仪作为振源
5.3.3 信号发生器输出控制电压使PZT振动作为振源
5.3.4 条纹位置和条纹间隔对补偿效果的影响
5.4 补偿系统的频响特性参数测试
5.5 移相测量实验
5.6 探测器采采的信号质量对测量精度的影响
5.6.1 杂散低频及剩余直流电平的影响
5.6.2 信号幅度不等带来的误差
5.6.3 两路信号不正交带来的误差
5.6.4 信号正弦性不好带来的误差
5.7 其它误差分析
5.7.1 数据采集误差
5.7.2 光源的稳定性误差
5.7.3 数据采集误差
5.7.4 移相误差
5.7.5 PZT的相位延迟带来的补偿误差
5.7.6 抗振系统量化误差
5.8 本章小结
6 全文总结
6.1 本文的工作和创新点
6.2 需要改进的地方
7 博士在读期间论文发表情况及获奖情况
7.1 博士在读期间论文发表情况
7.2 博士在读期间论文获奖情况
致谢
参考文献
【引证文献】
本文编号：2866685
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2002
【中图分类】：TH744.3;TB535
【文章目录】：
绪论
1 课题的研究背景
2 抗振干涉技术的发展状况
3 本论文的主要研究工作
1 抗振干涉技术的原理和发展状况
1.1 移相干涉测量原理及其优点
1.2 移相干涉仪的误差来源
1.2.1 数据采集误差
1.2.2 光机误差
1.2.3 环境误差
1.3 振动的影响
1.4 抗振技术的研究动态
1.4.1 机电反馈式
1.4.2 半导体激光器光反馈法
1.4.3 声光、电光调制反馈控制
1.5 抗振干涉技术原理概述
1.6 本章小结
2 振动信号分析与抗振方法概述
2.1 振动信号的分类
2.2 振源的类型与分析
2.3 地面振动的规律和振动特征
2.3.1 地面振动的规律
2.3.2 常见振源的振幅和频率特性
2.3.2.1 交通运输车辆引起的地面振动的特征
2.3.2.2 工业机器引起的地面振动的特征
2.3.2.3 地面脉动
2.4 振动对干涉测试的影响
2.5 减振技术
2.5.1 隔振、消振和减振
2.5.2 本文在采取的主动抗振技术路线方面的考虑
2.6 干涉测量中的自适应原则
2.7 本章小结
3 光干涉测试中抗振技术方案
3.1 条纹细分测振技术探测干涉条纹移动量和移动方向的原理
3.1.1 信号的采集和2路正交信号的获取
3.1.2 载波调制法
3.1.3 鉴零和整形
3.1.4 鉴相和脉冲填充
3.1.5 干涉条纹移动方向判断
3.2 抗振反馈控制方法
3.2.1 DSP特点及其介绍
3.2.2 反馈控制信号处理
3.2.3 反馈控制过程
3.3 本章小结
4 抗振补偿原理实验系统和相关器件参数的测试分析
4.1 振动补偿系统的设计方案
4.2 系统各组成部分描述和测试
4.2.1 光纤导光系统
4.2.1.1 单模光纤和单模条件
4.2.1.2 数值孔径
4.2.1.3 光纤导光系统的结构和测试结果
4.2.2 线阵光电三极管
4.3 压电陶瓷堆（PZT）参数测试的原理和方法
4.3.1 干涉图的Fourier分析
4.3.2 测试流程图
4.3.3 测试系统总设备
4.3.4 实验测试的电压—位移曲线
4.4 压电陶瓷负载情况下的动态频率响应特性
4.4.1 压电陶瓷的动态频率响应特性的测量原理
4.4.2 压电陶瓷的动态频率响应特性测试结果
4.5 电路处理系统
4.5.1 光电信号采集和差动放大系统
4.5.2 信号细分和方向判别
4.6 DSP反馈控制单元
4.6.1 DSP反馈控制单元
4.6.2 抗振系统控制工作流程
4.7 本章小结
5 抗振系统的实验结果及其分析
5.1 抗振系统信号的调试和结果
5.1.1 条纹间隔的调整
5.1.2 载波调制信号
5.1.3 加法器输出信号
5.1.4 带通滤波器提取的信号
5.1.5 鉴零器和鉴相器
5.2 振动测量结果的验证
5.3 补偿实验测试结果
5.3.1 用等间隔变化的控制电压驱动PZT作为振源
5.3.2 用手晃动干涉仪作为振源
5.3.3 信号发生器输出控制电压使PZT振动作为振源
5.3.4 条纹位置和条纹间隔对补偿效果的影响
5.4 补偿系统的频响特性参数测试
5.5 移相测量实验
5.6 探测器采采的信号质量对测量精度的影响
5.6.1 杂散低频及剩余直流电平的影响
5.6.2 信号幅度不等带来的误差
5.6.3 两路信号不正交带来的误差
5.6.4 信号正弦性不好带来的误差
5.7 其它误差分析
5.7.1 数据采集误差
5.7.2 光源的稳定性误差
5.7.3 数据采集误差
5.7.4 移相误差
5.7.5 PZT的相位延迟带来的补偿误差
5.7.6 抗振系统量化误差
5.8 本章小结
6 全文总结
6.1 本文的工作和创新点
6.2 需要改进的地方
7 博士在读期间论文发表情况及获奖情况
7.1 博士在读期间论文发表情况
7.2 博士在读期间论文获奖情况
致谢
参考文献
【引证文献】
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5 柯金昌;平板玻璃的平行度快速检测研究[D];福建师范大学;2012年
本文编号：2866685
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