[摘要]近年來，激光測量干涉技術(shù)的研究受到越來越多的重視，特別是隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度的低頻微小振動測量已經(jīng)成為目前工業(yè)和科學(xué)發(fā)展中迫切需要解決的問題。在綜合考慮了眾多高精度測量方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種用于激光測量干涉技術(shù)的改進型邁克耳遜激光干涉儀。

[關(guān)鍵詞]激光干涉 振動測量 載波調(diào)制 相位跟蹤

激光干涉測量法是以激光干涉原理為基礎(chǔ)進行測量的一種光學(xué)測量方法，與一般的光學(xué)測量方法相比，激光干涉測量法具有更高的測試靈敏度和準(zhǔn)確度。根據(jù)實際的應(yīng)用情況選擇適合的調(diào)制解調(diào)方法還可以提高激光干涉測量的測試分辨率和穩(wěn)定性。因而，激光干涉測量技術(shù)成為高精度測量的廣泛應(yīng)用技術(shù)。

一、激光干涉測量法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

激光干涉測量法理論上具有極高的分辨率，但是由于測量精度受諸多因素的影響，使得理論與實踐之間還存在較大的差距。因此，它的設(shè)計和研究成為非?；钴S的領(lǐng)域，出現(xiàn)了不同的測量原理和方案。常見的高精度激光干涉測量法包括：零差激光干涉法、外差激光干涉法。

1.零差激光干涉法

零差激光干涉法是干涉光路中信號光頻率與參考光頻率相等，并通過定的光學(xué)器件使信號光束與參考光束相遇疊加而產(chǎn)生干涉的測量方法。零激光干涉儀具有靈敏度和精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、裝置相對簡單、成本較低和有限制反射鏡運動速度的因素等優(yōu)點，而被廣泛地應(yīng)用于高精密測量。而對環(huán)境條件的要求較高，限制了它的實際應(yīng)用。為了提高它的抗干擾能力推廣其使用范圍，研究開發(fā)出了各種基于零差激光干涉法的解調(diào)方法。

零差激光干涉法的研究主要集中在環(huán)境誤差補償和非線性修正方面：環(huán)境誤差補償是為了抑制空氣擾動、折射率波動、工作臺振動等環(huán)境噪聲的干擾。提高系統(tǒng)的分辨率、重復(fù)精度，主要采用雙干涉自補償法、多點檢測線性擬合技術(shù)和共模抑制等技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境誤差補償；非線性修正是為了補償或校正干涉儀的光學(xué)和電學(xué)等非線性環(huán)節(jié)，改善系統(tǒng)線性度、重復(fù)精度等，主要采用增加并行相位檢測電路或光路的方法，或者用設(shè)計補償光路或?qū)y試數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)模型補償?shù)姆椒ㄏ蔷€性誤差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對激光干涉測量的測量精度有越來越高的要求，環(huán)境誤差補償和非線性修正仍然是單頻激光干涉儀的主要研究內(nèi)容。

2.外差激光干涉法

外差激光干涉測量是利用載波技術(shù)將被測物理量信息轉(zhuǎn)換成調(diào)頻或調(diào)相信號的高精度測量方法，具有抗干擾能力強、測量速度快、信噪比高、易于實現(xiàn)高測量分辨率等特點。實現(xiàn)外差千涉的方法主要有：（1）利用塞曼分裂He-Ne激光器作為光源的雙頻激光測量系統(tǒng)；（2）利用光學(xué)頻移器件實現(xiàn)外差干涉，目前，應(yīng)用最多的光學(xué)頻移器件是聲光調(diào)制器。

He-Ne激光器在縱向磁場的作用下，其譜線分裂成頻率相差1.5-2MHz，偏振態(tài)分別為左右旋的兩束偏振光，經(jīng)四分之一波片后成為正交的線偏振光。在外差干涉儀中，線偏振光經(jīng)偏振分光器后一個頻率的光作為測量光，另一個作為參考光。兩路光相干后形成拍頻信號，當(dāng)測量反射鏡移動時產(chǎn)生多普勒頻移，其中包含被測位移信息，對其積分可求出被測位移量。增加外加磁場的大小可使雙頻頻差增大。但外加磁場也不能無限增大，頻率牽引作用也限制了雙頻頻差的進一步增大。聲光調(diào)制激光外差測量方法突破了雙頻頻差較小的限制，由超聲信號源及功率放大器驅(qū)動的超聲轉(zhuǎn)換器發(fā)出超聲波，通過介質(zhì)（可以是石英、妮酸鏗、鋁酸鉛等）傳播，引起介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦形的疏密變化，其變化周期等于超聲波的波長。

當(dāng)一束細的平行激光束射入這樣的介質(zhì)時，光柵衍射效應(yīng)使入射光受到衍射調(diào)制，其零級光束的頻率與入射光的頻率相同，而+1級和-1級光束的頻率分別為入射光的頻率同超生波頻率的和與差，其余依此類推。當(dāng)入射光以布儒斯特角入射時，將產(chǎn)生布喇格衍射，出射光將只有0級和+1級光束，且光強相等。0級和+1級以外的光束被限制，若讓0級和+1級兩種頻率的光射入干涉系統(tǒng)，調(diào)整超聲信號源的頻率，就可得到所需的外差拍頻光束。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對測量工具也提出了更高的要求，模間藕合現(xiàn)象和非線性問題成為制約外差干涉儀發(fā)展的決定因素。激光外差千涉儀采用超外差方法以消除模間禍合誤差、采用共光路思想以提高抗外界干擾能力，采用光纖技術(shù)以簡化光路。外差激光干涉儀向著高分辨率、高精度、高測速等方向發(fā)展。

激光干涉測量方法采用光學(xué)倍程技術(shù)、干涉條紋電子細分技術(shù)和電子倍頻技術(shù)可以進一步提高激光干涉儀的測量分辨率。但隨著激光干涉測量在生產(chǎn)生活多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于不同的應(yīng)用目的出現(xiàn)許多區(qū)別于傳統(tǒng)激光干涉測量法（零差激光干涉法和外差激光干涉法）的新型高精度激光干涉測量方法，如偏振激光干涉法和合成波長激光干涉測量法等。

二、邁克爾遜干涉測量原理

邁克爾遜干涉儀是19世紀末為測量地球和“以太”之間的相對運動而計的，現(xiàn)在各種雙臂式干涉儀，幾乎都是它的發(fā)展和改型。邁克爾遜干涉是一種所謂“增量法”測長的儀器，它是把測量反射鏡與被測對象固聯(lián)，參反射鏡固定不動，當(dāng)測量反射鏡隨被測對象移動時，兩路光束的光程差即生變化，干涉條紋也將發(fā)生明暗交替變化。若用光電探測器接收，當(dāng)被測象移動一定距離時，條紋亮暗交替變化一次，光電探測器輸出信號將變化個周期，記錄下信號變化的周期數(shù)，便確定了被測長度。邁克爾遜干涉儀光路原理圖如圖A所示，擴展光源S發(fā)出的光波被分光鏡G分成兩路，成互相垂直的兩臂，其中一束光經(jīng)參考反射鏡M1反射，透過G進入接收統(tǒng)，另一束光透過補償板C，由測量反射鏡MZ反射后原路返回，在經(jīng)G射后進入接收系統(tǒng)，與另一束光干涉。如果畫出M2經(jīng)G所成的鏡像M2′，上述干涉疊加可等效為由M1和M2′形成的空氣薄膜的兩束光干涉。

當(dāng)被測物理量發(fā)生變化時，會使測量反射鏡產(chǎn)生相應(yīng)的位移變化，這樣光電探測器所接收的光強信號就會發(fā)生改變，通過檢測所接收光強信號改變量的多少就可得到被測物理量的變化信息。邁克爾遜干涉儀常被用來演示和觀察干涉現(xiàn)象，測定單色光波長、微小位移量和進行多光束實驗等，這些都大大推動了計量科學(xué)的發(fā)展。

邁克爾遜干涉儀的原理還被發(fā)展和改進為其他許多形式的干涉儀器，如泰曼-格林干涉儀，傅立葉變換光譜儀等。但是傳統(tǒng)的自由空間干涉儀對外界環(huán)境條件要求嚴格，容易受到空氣、環(huán)境、溫度、聲波及振動的影響，并且調(diào)整光路也很困難，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。為此本課題在傳統(tǒng)邁克爾遜千涉儀基礎(chǔ)上設(shè)計了一種可以有效去除環(huán)境噪聲干擾的改進型邁克爾遜干涉儀，使其在高精密測量領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

三、光學(xué)干涉儀光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化

基于交流相位跟蹤方法和使用準(zhǔn)貓眼動鏡，激光干涉測量儀采用改進型邁克耳遜干涉儀結(jié)構(gòu)，如圖B所示。改進型邁克耳遜干涉儀由激光器、準(zhǔn)直儀、偏振分光棱鏡、固定有參考反射鏡的PZT組、透鏡和

測量反射鏡組成。由光源發(fā)出的單頻激光經(jīng)準(zhǔn)直儀投射到分光棱鏡上，經(jīng)分光棱鏡將入射光線分成兩束：一束進入測量臂，通過透鏡照射到置于透鏡焦點處的測量反射鏡上。此光束再由測量反射鏡反射，經(jīng)過透鏡后，以與原入射光束平行方向返回到分光棱鏡上；另一束入射到固定在相位調(diào)制壓電陶瓷上的參考鏡后，反射到另一個固定在相位補償壓電陶瓷上的參考鏡上，再由這一參考鏡反射回分光棱鏡。這樣兩束光經(jīng)測量反射鏡和參考反射鏡組反射后，分別照射到分光棱鏡后重新會合，同時照射到光電探測器上形成干涉。

四、相關(guān)器的設(shè)計與實現(xiàn)

相關(guān)器是一種完成被測信號與參考信號互相關(guān)函數(shù)運算的電子線路。它必須具有動態(tài)范圍大、漂移小、時間常數(shù)可調(diào)、線性好、增益穩(wěn)定和頻率范圍寬等性能，由乘法器和積分器兩部分組成。

1.乘法器

常用的乘法器分為：模擬乘法器和電子開關(guān)式乘法器。模擬乘法器不僅輸出幅度受參考輸入信號幅度的影響，而且一般存在非線性，當(dāng)噪聲較強時，可能會導(dǎo)致較大的輸出誤差。電子開關(guān)式乘法器的功能相當(dāng)于參考信號為單位方波時的模擬乘法器，輸出幅度不受參考輸入信號幅度的影響，而且沒有非線性的問題，動態(tài)范圍大，抗過載能力強。此外，電子開關(guān)式乘法器電路簡單，運行速度快，有利于降低成本和提高系統(tǒng)的工作速度。在電子開關(guān)式乘法器中，因AD630具有優(yōu)良的性能，而成為相關(guān)檢測領(lǐng)域的主流乘法器。AD630的主要性能為：AVD（開環(huán)增益）>l10dB；KCMR>1l0dB；轉(zhuǎn)移率SR>45VμS；單位增益帶寬BWG>2MHz；輸入動態(tài)范圍>100dB。其組成方框圖如圖 C所示。

2.積分器

在鎖相放大器中積分器幾乎毫不例外地采用運算放大器組成的近似積器。理論分析常將積分時間取無窮大，實際上不存在這種理想情況，也沒必要實現(xiàn)時間常數(shù)無窮大。為了抑制噪聲和不使儀器輸出端噪聲電平過載希望時間常數(shù)越長越好。但為使信號不失真，則時間常數(shù)又不能太大，所應(yīng)該按系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況適當(dāng)選擇。

五、結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，低頻微小振動的高精度測量得到人們越來越廣泛的關(guān)注。激光干涉測量技術(shù)具有非接觸、高分辨率和高精度等優(yōu)點，克服了現(xiàn)有低頻微小振動測量儀的不足，已成為主要的研究方向?；诹悴罡缮娣?gòu)成的傳統(tǒng)測量儀雖然結(jié)構(gòu)簡單，但容易受外界環(huán)境、自身光學(xué)元件和電子器件波動的影響，測量穩(wěn)定性不好，測量精度不高。而對于能夠抑制干涉背景和電子電路噪聲的外差干涉測量儀雖然能夠提高測量分辨率，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本相對較高。就此，本文根據(jù)交流相位跟蹤零差法，設(shè)計探討了一種可用于低頻微小振動高穩(wěn)定性高精度測量的改進型邁克耳遜干涉儀。

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（作者單位：浙江理工大學(xué)機控學(xué)院）