《光电测试与系统》讨论课报告
基于干涉的微位移光电测试系统
摘要
高精度的位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业获得位置精度的基础,也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素,特别是在军事领域,高精度的微位移测量有着重要的意义。
而这些方面光干涉计量以其能够精确到波长级的优势成为位移测量系统的主要代表。
本次讨论课我们设计了一种可进行动态微位移激光测量系统。
该系统以He2Ne激光器为光源,配以去噪装置、判向变频系统、CCD视频信号的高速动态采集系统、微机处理系统及干涉图处理软件包等,基于位相调制的基本原理,实现了微位移的精确测量。
与传统测量方法相比,其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高,并实现了微位移的全自动测量。
关键词线阵CCD 位相调制迈克尔逊干涉仪微位移干涉
目录
摘要 (1)
目录 (2)
第一章研究背景及意义 (3)
第二章系统总体结构设计 (3)
第三章系统光路结构设计 (4)
3.1 测量光路原理图 (4)
3.2 测量光路系统设计分析 (5)
第四章信号处理系统设计 (6)
4.1 信号处理系统设计原理 (6)
4.2 滤波放大电路设计 (6)
4.3 整形比较电路设计 (7)
4.4 判向计数电路设计 (7)
第五章心得体会 (9)
第六章参考文献 (8)
第一章研究背景及意义
高精度的位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业获得位置精度的基础,也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素,特别是在军事领域,高精度的微位移测量有着重要的意义。
而这些方面光干涉计量以其能够精确到波长级的优势成为位移测量系统的主要代表。
本文提出一种以He2Ne激光器为光源的基于位相调制原理的新型微位移测量系统,与传统的测量方法相比,本系统利用单色性及波长稳定性更好的He2Ne激光器作为光源,特别是以CCD(ChargeCoupledDevice)取代传统的光电探测器作为条纹拾取工具,利用其分辨率、灵敏度高等特点与驱动电路和单片机相结合,配以条纹判向、细分系统,实现了对条纹的高精度细分,并对微位移实现了自动精确测量,较大的提高了系统的测量精度和系统的稳定性,并基本消除了人为的计数误差。
第二章系统总体结构设计本系统是基于位相调制原理利用光的干涉效应对被测物体微
位移实现测量的，系统总体结构设计见图1。
本系统主要由四部分组成：
（1）He2Ne激光光源
（2）迈克尔逊干涉机构
（3）CCD及其驱动装置
（4）信号处理系统。
图1 系统总体结构图
第三章系统光路结构设计3.1测量光路原理图
图2 系统光路结构图
3.2 测量光路系统设计分析
由He2Ne激光器发出的激光束经起偏器和1/4波片到达分光镜P后分成光束1和光束2,反射光束1经迈克尔逊干涉仪上的固定反射镜M反射后仍然回到分光镜P,透射光束2到达被测物体O 后也反射回来到达分光镜P,两束光在分光镜P处发生干涉。
由于光束1的光程长度不变,而光束2的光程长度是随被测物体的移动而改变的,因此,当两束光的光程差是激光半波长的偶数倍时,光束相互叠加而加强,在接收屏上形成亮条纹;当光程差是激光半波长的奇数倍时,两束光波相互抵消,在CCD上形成暗条纹。
结果,两束合成光的强度加强或减弱,完全是由两束光的光程差来决定的,而光束1的光程是固定不变的,光束2的光程则随被测物体O的移动距离变化,为此,干涉条纹的明暗变化,直接可以测量被测物体的微位移距离。
由图2,两束光的光程差δ(P)可以表达为:δ(P)=2(PM-PO)。
当光程差δ(P)满足δ(P)=2n λ/2 (n=0,1,2…)时,光程差恰为激光半波长的偶数倍,此时的合成波干涉强度I加强,呈现亮条纹。
当光程差δ(P)满足δ(P)=(2n+1)λ/2(n=0,1,2…) 时,光程差恰为激光半波长的奇数倍,此时的合成波的干涉强度I减弱,呈现暗条纹。
因此,被测物体O每移动λ/2距离,光束2的光程就改变了一个波长,于是干涉条纹就产生一个周期的明暗变化,这个变化可由
光电转换装置及记录装置表达。
所以,只要记录被测物体移动时的干涉条纹变化的周期数K便可获得被测物体的位移量X
X=K λ/2
第四章信号处理系统设计
4.1信号处理系统设计原理
系统的整个测量过程最终是通过线阵CCD拾取干涉信号并经信号处理系统后续处理实现的,系统测量原理框图如图1所示。
我们以线阵CCD及其驱动系统取代传统的人眼或光电探测器，作为干涉条纹拾取工具,CCD的光谱响应范围在(0.4～1.2)μm之间(属可见光及近红外光范围)具有2048个像元,光敏元在空间上和电气上彼此独立, 其输出的电荷包空间分布与光强的空间分布成比例关系。
干涉条纹的CCD视频信号通过后续数据采集、滤波放大、门限比较器、判向计数器、送入计算机自动处理并输出结果。
4.2 滤波放大电路设计
受分束镜界面反射形成的干涉和环境噪声的影响,实际的干涉条纹不是理想的正弦分布,而是叠加有背景噪声使条纹边缘不清晰,图3是由CCD采样得到的水平方向各像素点的光强分布图,其中的噪声及干扰易造成条纹位置的误判,必须进行处理。
图3 滤波前后光强对比图
图3中的a图为滤波前，图b为滤波后的图，滤波后的干涉条纹消除了背景噪声和白噪声,因此,确定条纹的位置可以达到只误差一个像元。
4.3 整形比较电路设计
从CCD出来的信号经放大滤波后为得到如图4中y1的信号波形,再经比较器进行二值化处理,得到矩形信号图。
图4
由于被测物体移动导致条纹相应移动,首先确定某采样像素i在y2为上升沿,然后跟踪i像素,对上升沿计数,这样经计数器得到干涉条纹的个数K。
由于CCD具有自扫描功能,因此可随时取出第一幅静态图像经后续处理计算象素i所在明暗条纹所占像元个数,设为M,象素i距上一下降沿象素数N。
这样我们就实现了对移动条纹个数的细分,总的条纹移动数为:
X=K+ N/M;
由此可得位移为:
X=λ/2（K+ N/M）;
4.4 判向计数电路设计
在微位移实际测量过程中,由于实际需要或外界振动等干扰,可能会使被测物体产生正、反两个方向的移动,这样如果不采取相应的措施就会使计数器产生误计数,因此必须对被测物体位移方向进行判别以实现干涉信号的可逆计数。
CCD拾取的干涉信号通过移相的方法,可以获得两路相差π/2的干涉条纹的光强的信号,该信号由两只光电检测器接收,便可获得干涉信号相对应的两路相差π/2的正弦信号和余弦信号,经放大、整形、倒向及微分处理等,可以获得四个相位依次相差π/2的脉冲信号,若将脉冲排列的相位顺序在反射镜正向移动时定为1、2、3、4,反向移动时定为1、4、2、3,由此,后续的逻辑电路就可以根据脉冲1后面的相位是2还是4,便可判断是正向脉冲还是反向脉冲,并分别送入是加脉冲的“门”或减脉冲的“门”,这样便可实现判向的目的消除误计数,也可以达到抗干扰,提高测量的稳定性的精度。
图5 判向计数原理图
第五章心得体会
通过本次课程设计不仅加深了我对理论知识的理解，也加强了我们处理实际信号，解决问题的能力。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，也终于顺利完成了此次课程的设计。
虽然在设计过程中遇到可很多问题，但最后在老师的指导下和同学的帮助下，终于迎刃而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到困难就想退缩，一定要不厌其烦发现问题所在，然后进行一一解决，只有这样才能成功的坐成自己想做的事情，才能在今后的道路上披荆斩棘，若知难而退，则永远难以获得成功。
本次课程设计提高了我们的知识水平和动手能力，在团队合作中加深了同学间的友谊，也增加了与老师交流的机会，可谓受益匪浅。
此次课程
设计也让我明白思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教老师同学或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，此次课程设计收获颇丰。
第六章参考文献
[1] 万德安.激光基准高精度测量技术.北京:国防工业出版社. 1999:141—174
[2] 王永仲,琚新军,胡心.智能光电系统.北京:科学出版社, 1999:76—79
[3] 吕海宝.激光光电检测.长沙:国防科技大学出版社,1999: 131—154
[4] 袁纵横,周晓军,刘永智.采用频谱分析技术的高分辨率微位移测量方法.仪器仪表学报,2000:2:99—103 5 孙涵芳.INTEL16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社, 1995:11:30—47
[5] 张玉存，刘彬，李群.检测激光多普勒信号的新方法[J].计量学报，2006, 4.。