本實(shí)用新型屬于測量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

工程技術(shù)的發(fā)展及制造業(yè)的進(jìn)步，深刻影響著新型計(jì)量檢測儀器的研究。通過對計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)日常檢測工作的深入了解，發(fā)現(xiàn)位移量精密測量具泛的需求和越來越高的要求，如檢測現(xiàn)場對萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)位移量、機(jī)床回轉(zhuǎn)軸的位移量、火車輪對的幾何狀態(tài)參數(shù)位移量、造紙與造袋加工機(jī)械帶上、下滾筒的卷紙機(jī)位移量的測量等。然而，目前位移量檢測過程中普遍存在的讀數(shù)過程繁瑣、測量精度低、測量誤差大、測量時(shí)間長、無法現(xiàn)場快速判斷等問題，給檢測工作帶來了諸多的困擾。

目前基于干涉方法對位移量進(jìn)行精密測量的方法較多，通過調(diào)節(jié)干涉系統(tǒng)的光程差可實(shí)現(xiàn)干涉條紋在接收平面上的移動，對條紋的處理也局限于空間域。由于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中生產(chǎn)設(shè)備的位移產(chǎn)生的高頻震動對測量的影響也非常大，易導(dǎo)致干涉條紋在空間上的相位畸變。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)，解決了由于生產(chǎn)設(shè)備高頻震動導(dǎo)致位移測量裝置的干涉條紋在空間的相位畸變，從而使得測量精度較差的問題。

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)，包括激光器，激光器發(fā)射的激光分光后分別送入?yún)⒖几缮鎯x和測量干涉儀，參考干涉儀和測量干涉儀分別對應(yīng)連接有第二測頻系統(tǒng)和第一測頻系統(tǒng)，第一測頻系統(tǒng)和第二測頻系統(tǒng)共用同一個晶體振蕩器，第一測頻系統(tǒng)和第二測頻系統(tǒng)并聯(lián)后依次連接有混頻器、控制器。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于，

參考干涉儀和測量干涉儀結(jié)構(gòu)相同，均包括沿著光路設(shè)置的一個分光棱鏡、兩個角錐棱鏡以及光電探測器，激光經(jīng)過分光棱鏡分光后經(jīng)兩個角錐棱鏡分別反射后沿同一光路進(jìn)入光電探測器。

光電探測器為APD雪崩二極管。

激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行光束整形后再通過光闌最終通過分光計(jì)分光后分別送入?yún)⒖几缮鎯x和測量干涉儀。

混頻器是型號為MC1496的模擬乘法器。

激光器還分別連接有溫控儀。

還包括為激光器進(jìn)行供電的電流源和PZT調(diào)制電壓源，第一測頻系統(tǒng)和第二測頻系統(tǒng)共用PZT調(diào)制電壓源發(fā)生的同步信號作測頻時(shí)間的控制信號。

混頻器和控制器之間還設(shè)置有鎖相環(huán)電路。

鎖相環(huán)電路采用型號為74HC4046的鎖相環(huán)集成芯片。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)解決了由于生產(chǎn)設(shè)備高頻震動導(dǎo)致位移測量裝置的干涉條紋在空間的相位畸變，從而使得測量精度較差的問題。本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)利用兩組激光外差信號來構(gòu)成兩組干涉儀，對兩組干涉光路的激光分別進(jìn)行了聲光移頻，使每一個干涉組內(nèi)的光束進(jìn)行外差干涉，探測器接收到回波拍頻信號后進(jìn)行時(shí)間域的平均與頻域解調(diào)，這樣將傳統(tǒng)的空間域信號處理變成由空間域轉(zhuǎn)換為時(shí)間域處理，提高了測量系統(tǒng)的魯棒性，使得測量系統(tǒng)的精度可以達(dá)到0.01mm。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.激光器，2.參考干涉儀，3.測量干涉儀，4.第二測頻系統(tǒng)，5.第一測頻系統(tǒng)，6.晶體振蕩器，7.混頻器，8.控制器，9.準(zhǔn)直透鏡，10.光闌，11.溫控儀，12.電流源，13.PZT調(diào)制電壓源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型提供的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其干涉系統(tǒng)由兩個結(jié)構(gòu)相同的類邁克爾遜干涉儀組成，分為參考干涉儀2與測量干涉儀3。兩個干涉儀利用的是經(jīng)過同一頻率調(diào)制分束后的同源激光進(jìn)行干涉。其中參考干涉儀2由分光棱鏡BS、角錐棱鏡CCP、光電探測器PD2組成，其工作距離dr為不變的參考距離；測量干涉儀3同樣由分光棱鏡BS、角錐棱鏡CCP、以及光電探測器PD1組成，其工作距離dm也即被測距離。當(dāng)兩個光電探測器PD1和光電探測器PD2分別將測得信號送入兩個對應(yīng)的測頻系統(tǒng)進(jìn)行混頻后，可得到信號的拍頻量。第一測頻系統(tǒng)和5第二測頻系統(tǒng)4的電路結(jié)構(gòu)相同，且共用一個晶體振蕩器6的石英晶振信號作時(shí)標(biāo)，共用PZT調(diào)制電壓源13的同步信號作測頻時(shí)間控制信號，所以它們的工作時(shí)序完全相同。在測量時(shí)間內(nèi)，它們同時(shí)分別測量參考干涉儀2和測量干涉儀3輸出的光拍信號頻率，并將測量數(shù)據(jù)存入控制器8讀取測量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而輸出計(jì)算結(jié)果。

本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)的測量方式，有水平和豎直兩種。一種主要用于導(dǎo)軌之間的水平位移測量，首先激光干涉測量系統(tǒng)被固定于被測物體一側(cè)相對穩(wěn)定的平面上，保證激光束照射被測表面時(shí)無阻擋，將角錐棱鏡固定在被測表面，用以反射干涉儀出射的激光。角錐棱鏡的固定座也需固定在被測面上，并且設(shè)計(jì)有微調(diào)裝置，可調(diào)節(jié)角錐棱鏡的俯仰與偏擺角度，使得光束能夠沿出射光軸返回參與干涉計(jì)算；另一種主要用于拉力機(jī)等垂直方向的位移測量，包括反射鏡和固定在被測表面的角錐棱鏡，同樣調(diào)節(jié)角錐棱鏡的方位角，使得光束經(jīng)過反射鏡反射正確返回。

本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)的光源選用632nm的紅光半導(dǎo)體激光器做光源，調(diào)制基準(zhǔn)頻率10MHz，因此選用探測器時(shí)應(yīng)考慮探測器的波長包含650nm，響應(yīng)時(shí)間在納秒級。所以選用AD5009-9型雪崩二極管，其參數(shù)如下：

光譜響應(yīng)范圍：400～1100nm；響應(yīng)度：0.5A/W；

響應(yīng)時(shí)間：0.55ns；反響偏置電壓180～240V。

利用差頻測量時(shí)，需要一個穩(wěn)定的本振信號與其進(jìn)行差頻得到一個中、低頻信號。本振信號與主振信號有一個穩(wěn)定且非常小的頻差。為了得到高穩(wěn)定低漂移的頻率信號，本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)選用了鎖相環(huán)電路。由于鎖相環(huán)電路中均為一個信號源，通過分頻、倍頻產(chǎn)生，因此可以忽略頻率漂移所帶來的誤差。

主振蕩器由10MHz的有源晶振產(chǎn)生正弦調(diào)制信號，經(jīng)過過零比較器變?yōu)?0MHz的方波信號，經(jīng)過2000分頻變成5kHz作為鎖相環(huán)的參考信號，鎖相環(huán)將輸入的5kHz的參考信號1999倍頻就得到了我們所需要的9.995MHz的本振信號，本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)采用74HC4046鎖相環(huán)集成芯片。

此外，本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)中混頻器7的主要作用是將調(diào)制測距信號與鎖相環(huán)產(chǎn)生的本振信號進(jìn)行混頻得到的中頻信號作為測相電路的參考信號，光電探測器接收的回波測距信號與本振信號進(jìn)行差頻得到一個中頻信號作為測相電路的測距信號。

本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)采用模擬乘法器做混頻器，其構(gòu)成的混頻電路具有寄生干擾少，混頻增益大，輸出信號頻譜純凈等優(yōu)點(diǎn)，對本振電壓幅值的大小要求低，端口之間隔離度較高。經(jīng)過分析比較，采用Motorala公司的MC1496模擬乘法器作為混頻器。

外腔半導(dǎo)休激光器出射光的頻率隨時(shí)間按三角波規(guī)律變化，射入臂長不相等的參考干涉儀和測量干涉儀中。在三角波的直線上升和下降段內(nèi)，調(diào)頻激光的頻率可分別表示為f_up(t)＝f₀+at和f_down(t)＝f₀-at，其中f₀為激光中心頻率，a為激光頻率調(diào)制率。于是，干涉儀中兩相干光波的相位差為：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{4\mathrm{\π}d}{c}(f_0\±at)$

式中，d為干涉儀兩臂長度差，c為真空中光速。

由于入射激光頻率線性連續(xù)變化，干涉儀在參考鏡和測量鏡均靜止的狀態(tài)下輸出一個交變光信號，通常稱之為光拍。光拍的強(qiáng)度為：

$I\left(t\right)=I_1\left(t\right)+I_2\left(t\right)+2\sqrt{I_1\left(t\right)I_2\left(t\right)}\·cos(2\mathrm{\π}\frac{2ad}{c}\±\frac{4\mathrm{\π}d}{c}{f}_0)$

其中I₁(t)和I₂(t)是激光頻率調(diào)制引起的光強(qiáng)變化。由上式可見，光拍的頻率為

$f_b=\frac{2ad}{c}$

即光拍頻率與干涉儀兩臂長度差成正比。

將調(diào)頻激光同時(shí)射入測量干涉儀和參考干涉儀中，一個用以測量距離，一個用以提供參考。測量干涉儀的兩臂長度差d_m為被測距離；參考干涉儀的兩臂長度差d_r固定不變，為參考距離。由以上分析可得兩個拍頻信號：

f_bm＝2ad_m/c和f_br＝2ad_r/c

由此可得到測距公式：

$d_m=\frac{f_{bm}}{f_{br}}{d}_r$

由于參考距離d_r為已知，所以通過分別測量兩個干涉儀的輸出光拍頻信號頻率，即可直接得到被測距離，實(shí)現(xiàn)無導(dǎo)軌距離測量。

此測距方案即利用兩個頻率的拍頻量以及參考干涉系統(tǒng)的工作距離來計(jì)算，因此測量精度取決于拍頻量的調(diào)制度，本實(shí)用新型的基于激光雙外差干涉的位移精密測量系統(tǒng)中將拍頻調(diào)節(jié)至100khz，這與激光的1Ghz頻率來說占比非常小，因此可實(shí)現(xiàn)較高的測量精度。

使用時(shí)，將本實(shí)用新型的參考干涉儀和測量干涉儀光路進(jìn)行調(diào)整，使其形成一個完整發(fā)射與返回光路，出設(shè)的激光經(jīng)過光路反射后分別進(jìn)入?yún)⒖几缮鎯x和測量干涉儀的光電探測器中轉(zhuǎn)化為電信號，然后分別送入第一測頻系統(tǒng)和第二測頻系統(tǒng)后再經(jīng)過混頻器、鎖相環(huán)電路后由控制器按以上計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算后得到最終的測量距離值d_m。