單頻激光干涉系統(tǒng)性能優(yōu)化及高精度測量技術(shù)研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，激光干涉測量技術(shù)在各個領(lǐng)域都得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。一方面因為微電子、微機(jī)械、微光學(xué)和現(xiàn)代超精密機(jī)械加工工業(yè)提出了愈來愈高的測量精度需求并同時要求更大的量程，而其它方法難于勝任，只有激光干涉測量技術(shù)可以在大量程內(nèi)達(dá)到高精度的測量準(zhǔn)確度;另一方面當(dāng)代激光干涉測量技術(shù)自身具有靈敏度高、量程大及可以適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點，同時光波又具有直接對米進(jìn)行定義且容易溯源的特點，因而在現(xiàn)代工業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。
　　目前對于單頻

2、激光干涉測量技術(shù)的研究主要集中于兩個方面:一是在計量實驗室環(huán)境下的對小量程的更高精度測量及分辨率（納米及亞納米）測試技術(shù)的研究;二是在一般環(huán)境下使干涉儀的抗干擾性能更好、可靠性更佳、自動化及集成化程度更高和允許測量速度更高的測試系統(tǒng)的研究。對于以上內(nèi)容的研究主要歸結(jié)為以下三個方面:(1)抗干擾性能更強(qiáng)、精度更高的頻率穩(wěn)定方法;(2)背景噪聲處理技術(shù)及信號處理技術(shù)等;(3)可減小或補(bǔ)償非線性誤差，對加工及安裝精度要求不苛刻的光路結(jié)構(gòu)及對折

3、射率的影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)取?br>　　改善單頻激光干涉儀存在的這些弊端，增強(qiáng)其抗干擾能力，優(yōu)化其非線性誤差，不僅可以使其向納米計量領(lǐng)域發(fā)展，還可使單頻激光干涉儀走出實驗室，跨入工廠的生產(chǎn)車間，從而擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，使其適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)對于低成本、高準(zhǔn)確度的要求，以滿足科研及生產(chǎn)的需求。所以，對于單頻激光干涉系統(tǒng)的研究具有非常重要的理論價值及實際意義。
　　本課題研究了單頻激光干涉系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理方法及其優(yōu)化調(diào)校，在此基礎(chǔ)上應(yīng)

4、用該系統(tǒng)研制了可變光程的激光測長機(jī)，并應(yīng)用該激光測長機(jī)對量塊在不同姿態(tài)下的長度變化量進(jìn)行了測量。
　　(1)針對傳統(tǒng)的兩路信號單頻激光干涉系統(tǒng)存在抗干擾能力差，系統(tǒng)穩(wěn)定性不佳的缺點，本文提出了四路信號單頻激光干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)較雙頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，減小了非線性誤差來源，通過光路的設(shè)計和采用偏振分光鏡，使得反射光完全不返回激光器，從而具有光隔離器的作用。同時，四路信號系統(tǒng)具有良好的對稱性，可以有效抑制共模噪聲的產(chǎn)生，提升單頻激光干涉系統(tǒng)

5、的抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　(2)針對該系統(tǒng)信號的特點，提出四路信號預(yù)處理方法。其主要實現(xiàn)的功能包括:光電轉(zhuǎn)換，抗干擾自適應(yīng)系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換和非線性誤差最小二乘擬和算法等幾部分。重點分析了自適應(yīng)系統(tǒng)并提出非線性誤差最小二乘擬和算法，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真實驗。
　　(3)研究了單頻激光干涉系統(tǒng)非線性誤差的調(diào)校方法，總結(jié)了調(diào)整光路的基本原則。分析了光學(xué)元件優(yōu)化調(diào)校對單頻激光干涉系統(tǒng)的性能提升的影響。在此基礎(chǔ)提出了最優(yōu)控制優(yōu)化調(diào)

6、校方法，并通過測量實驗驗證了最優(yōu)控制優(yōu)化調(diào)校方法可以使該系統(tǒng)獲得較為理想的性能指標(biāo)。
　　(4)建立了干涉系統(tǒng)的噪聲數(shù)學(xué)模型，研制了自適應(yīng)系統(tǒng)，提高儀器的抗干擾能力和測量精度。
　　將激光干涉儀應(yīng)用于測量領(lǐng)域以來，各國學(xué)者都對其發(fā)展傾注了很多心血，使其得到飛速發(fā)展。激光干涉理論的不斷豐富和發(fā)展，使得各種類型的干涉儀不斷推陳出新，且每種激光干涉儀都有其各自的應(yīng)用領(lǐng)域。論文系統(tǒng)性的研究了激光干涉儀的發(fā)展進(jìn)程及其應(yīng)用范圍，創(chuàng)新性的