外差干涉测量仪的研究——毕业论文.doc

毕业论文外差干涉测量仪的研究学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 6 月I中文摘要摘 要外差干涉测量仪又称双频干涉仪或交流干涉仪，它具有精度高、应用范围广、环境适应能力强、实时动态测速高等一系列无可比拟的优势，因而被广泛应用于几何量计量活动它是利用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束，通过光电探测器的混频，输出差频信号同时被测物体的位移变化引起的光波相位或频率的变化载于此差频上，经解调即可获得被测数据本文便是根据外差干涉测量仪的发展，对外差干涉测量仪的原理、应用及其在测量微小位移方面的原理进行了详细介绍和软件模拟关键词：外差干涉测量仪，单频激光干涉仪，测距，激光，声光调制器AbstractAbstractHeterodyne interferometer, also known as dual frequency interferometer or AC interferometer, has a high precision, wide range of applications, the ability to adapt to the environment, higher real-time dynamic velocimetry and other unparalleled advantages. And that makes it become the main force of geometrical measurement activities. Heterodyne interferometer uses two different frequency of monochromatic light as the measuring light beam and reference beam, by the mixing of the photoelectric detector. It output the difference frequency signal. Phase change of light-wave caused by the displacement of the object displacement contained in this difference frequency can be obtained by demodulation of the measured data. This article is according to the development of heterodyne interferometer, to make a particular simulation and summary for the principle and application at small displacement measuring by heterodyne interferometer.Key words: heterodyne interferometer, a single wavelength interferometric measurement, distance measurement, laser, acousto-optic modulator- 25 -目录目 录摘 要 IABSTRACT II目 录 III第一章 简 介 11.1引言 11.1.1发展背景 11.1.2发展现状 21.2 外差干涉测量仪的主要特点 21.3 本文的研究内容 3第二章 外差干涉测量仪原理 42.1产生具有微小频差的双频的原理 42.1.1声光调制器 42.1.2磁光调制器 102.1.3电光调制器 102.1.4光学机械频移 122.1.5双纵模He-Ne激光器 122.2本课题选择声光效应产生双频的原因 132.3外差干涉测量仪测量位移的原理 132.2.1利用位相差测量位移 132.2.1利用频差测量位移 15第三章 软件模拟 16第四章 主要应用与前景展望 204.1主要应用 204.1.1外差干涉测量仪在精密定位中的应用 204.1.2光学外差干涉法检测微弱超声振动 214.2前景展望 22总结 24参考文献 25致谢 26第一章 简介第一章 简 介1.1引言随着20世纪60年代初激光的出现，几何量测量技术的发展步入了崭新的时期。

激光的时间和空间相干性好、亮度高和方向性好,因而测量中激光技术的应用使得其不仅具有更高的灵敏度和精度,而且测量范围进一步扩大,测量速度进一步加快虽然单频激光干涉测长系统具有高精度、宽频带、动态响应快、线性度好等优点，并且在检测多种几何尺寸、精度方面广泛应用[1]，然而单频激光干涉仪的光强信号以及光电检测器转换后的电信号都是直流量而直流漂移是形成测量误差的重要原因，并且使得信号处理及细分都比较困难而采用双频光源的外差干涉仪，利用两种不同频率的单色光分别作为测量光束和参考光束，通过光电探测器的混频，输出拍频同时被测物体的位移变化引起的光波相位或频率的变化载于此拍频上，经解调即可获得被测数据因而使光、电信号均成为交流量，不仅克服了上述单频干涉仪的漂移问题，而且使细分变得更容易，显著提高了抗干扰性能[2]因此，双频激光干涉的发明对计量事业的发展乃至整个科学事业的发展有着很大的推动作用[3]1.1.1发展背景长度和位移是最常用的物理量，它的变化与光程差和干涉仪的条纹变化相对应，因此测量长度和位移是干涉仪的基础功能另外，现代科技的发展对长度测量技术的要求不断向小尺寸和大尺寸两个极端深入，向特殊环境下的长度测量技术发展。

一方面，当代科技的发展已经从不同领域进入了原子分子尺度，产生了纳米科学这一新的研究领域，而这一领域大多以小尺寸位移测量为技术先决条件另外，现代精密仪器的安装调制许多要求非常高的精度，例如大型天文望远镜的装调、大型机床的装调等，并且使用环境千变万化，因此必须有高精度、大量程，高速、高效的大尺寸长度位移测量设备，才能满足这些需要外差干涉测量仪，特别是声光调制外差干涉测量仪，是能同时满足以上两方面要求的测量设备，并且具有的精度高、量程大，特别是体积小、测量速度高、性能稳定的优点因此，研究声光调制激光外差干涉测量技术，进一步完善和发展这一技术，将具有重要的科学和应用价值1.1.2发展现状 外差干涉测量仪的发明把几何量测量的发展推向了又一个高峰就长度计量而言，通常将200m以上的测量称为距离测量（Distance Measurement），3m以下的称为一般长度测量，3~200m之间的测量称为大尺寸测量(Large Dimension Measurement)[4]其中，外差干涉测量仪较多的使用在一般长度精密测量中它可以在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺等，也可以在一些普通车间内为大型机床进行刻度标定，不仅可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，不仅可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。

而且它不仅应用在单纯的长度计量领域，在其他工程技术领域的应用也越来越广泛，并且不乏一些很有创见的应用1.2 外差干涉测量仪的主要特点 （1）精度高：外差干涉测量仪是以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器普通激光干涉仪的精度为±0.2μm，而外差干涉测量仪精度一般可达到（0.08μm+10-6L），其中L是以μm为单位的被测量长度对于小量程测量，灵敏度和精度都可以更高 （2）应用范围广：外差干涉测量仪除了可用于长度的精密测量外，配上适当的附件还可测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等另外，可以直接从输出频率相对于差频的增减判别运动的方向，因此可以测量物体的连续变化过程如随机振动波形，气流扰动随时间变化过程，而零差干涉仪较难实现 （3）环境适应力强：由于物体变化所产生的多普勒频移的信息是载于这个稳定的差频上，并且其频率较高（几兆至100兆赫），因此，光电探测器探测时避过了半导体器件的1/f噪声区和激光器的低频噪声又利用了频率跟踪等外差解调技术滤除了大量宽带噪声，因而使光电信号的信噪比大为提高例如在零差干涉测量仪中，当测量光束受到外界干扰光强衰减至50％时，就容易产生不正常工作的现象，而外差干涉测量仪则可以在光强衰减90％时仍能正常工作，因此能用于生产现场，并能测量较长距离（大于60米）。

由于这一特点，外差干涉测量仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机，也可以在普通的车间内为大型的机床的刻度进行标定 （4）实时动态测量，测速高：现代的外差干涉测量仪测速普遍达到1 m/s，有的甚至于十几m/s，适于高速动态测量因此外差干涉测量仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚，更为广泛的应用于工业生产和科学研究中5）滤波性能好：为了形成外差信号，要求参考光和信号光空间方向严格对准然而若背景光入射的方向是杂乱的，振动方向不确定，不能满足空间要求，因而不能形成所需要的有效的外差信号因此，外差探测能够滤除背景光，有比较强的空间滤波能力另外，只要两束相干光波的频率是稳定的，并且当检测通道的通频带刚好覆盖有用的外差信号的频谱范围时，在此通带之外的杂散光，即使形成了拍频信号也将被滤掉因此，光外差探测系统也具有良好的光谱滤波性能6）探测能力强，可能获得全部信息：光波的相位、振幅及频率的变化，都会引起光电探测器的输出在光外差探测中，光电探测器输出的中频光电流的相位、振幅和频率，都随信号光的相位、振幅和频率的变化而变化使我们能将相位调制和频率调制的信号光，可以像强度调制或幅度调制一样进行解调。

因此，光外差干涉测量仪不但能检测出振幅和强度调制的光波信号，还可以检测出相位和频率调制的光波信号，因而可知它的探测能力强，可获得全部信息，是测试光的波动性的一种非常有效的方法而这是非相干直接探测所无法比拟的[5]1.3 本文的研究内容本文将利用声光调制法产生的微小的差频实现外差干涉所需的双频，进而实现在短时间内对物体的微小位移的测量文中将首先对外差干涉测量仪中产生双频的多种方法的原理进行详细介绍，进而得出声光式外差干涉仪的优点然后将对声光式外差干涉仪利用相位法测量微小位移的光路设计进行分析、模拟进而将利用mathematica对相位变换求得位移的方式进行模拟最后推广出外差干涉测量仪在其它方面的应用及原理第二章 外差干涉测量仪原理第二章 外差干涉测量仪原理2.1产生具有微小频差的双频的原理 外差干涉仪中两种不同频率的相干光束可由两只稳频的激光器提供，也可以利用声光效应、磁光、旋转光栅盘的衍射或电光效应提供2.1.1声光调制器当超声波在介质中传播时，将会引起介质的弹性应变作空间和时间上的周期性变化，并且会导致介质的折射率也发生相应的变化当一束光通过通着超声波的介质后便会发生衍射现象，这就是声光效应。

通有超声波传播的介质如同一个相位光栅图2-2 声光衍射图2-1 折射率分布图声光效应分为正常声光效。