張景和，張順國，董躍華

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院精密工程研究所，黑龍江哈爾濱150001）

烏氏干涉測量的信息讀取

張景和，張順國，董躍華

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院精密工程研究所，黑龍江哈爾濱150001）

針對(duì)烏氏干涉儀條紋信號(hào)調(diào)整難、用肉眼讀數(shù)難等問題，提出將He-Ne激光作為烏氏干涉儀光源的設(shè)計(jì)，得到了高質(zhì)量的干涉條紋信號(hào)，并采用光電轉(zhuǎn)換方法將條紋移動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)實(shí)現(xiàn)了微位移的高精度測量。設(shè)計(jì)了光電信號(hào)檢測電路，利用雙門限整形電路標(biāo)定出整形方波，克服了干涉信號(hào)在設(shè)定比較值附近抖動(dòng)引起誤處理的缺點(diǎn)；提出了辨向細(xì)分電路，在1路干涉條紋信號(hào)下，提取了具有正交性的2路電子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了干涉條紋的移動(dòng)辨向與信號(hào)細(xì)分。按此方案設(shè)計(jì)并搭建了一套激光干涉檢測實(shí)驗(yàn)裝置，用2個(gè)計(jì)量差值為5 μm的標(biāo)準(zhǔn)量塊，對(duì)激光干涉檢測裝置進(jìn)行了標(biāo)定，在電路為4細(xì)分的情況下，該裝置測量分辨率達(dá)79 nm；解決了烏氏干涉儀自動(dòng)讀數(shù)的問題，提高了烏氏干涉儀的測量精度和準(zhǔn)確性。

烏氏干涉儀；激光干涉；信號(hào)處理；雙門限整形；辨向細(xì)分

1 引 言

高精度位移檢測系統(tǒng)是在機(jī)械、儀表、工具、兵器、宇航等產(chǎn)業(yè)和研究領(lǐng)域獲得高位置精度的基礎(chǔ)，也是上述領(lǐng)域產(chǎn)品及技術(shù)不斷進(jìn)步的制約因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推進(jìn)，近代機(jī)械工業(yè)尤其是當(dāng)代超精密加工技術(shù)、微納米技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)的興起與發(fā)展對(duì)長度量的檢測提出了越來越高的要求，不僅要求測量分辨率從微米級(jí)上升到亞微米級(jí)甚至納米級(jí)，同時(shí)要求測量范圍達(dá)到1～100 mm，甚至更大［1，2］。現(xiàn)階段，能實(shí)現(xiàn)高精度測量的儀器種類較多，但大多數(shù)只能滿足高精度的檢測要求，測量范圍較小，能同時(shí)滿足高精度與大測量范圍要求的僅有激光干涉儀和光柵位移測量儀器，而采用激光干涉儀進(jìn)行檢測，還可以將其量值直接溯源到激光波長，從而便于統(tǒng)一科研、工業(yè)技術(shù)中各種納米尺度量值的溯源，具有十分重要的意義［3，4］。

本文對(duì)烏氏干涉儀光源進(jìn)行了改造，并采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀數(shù)與數(shù)據(jù)處理的方法提高了烏氏干涉儀的測量精度和微測量量程，擴(kuò)大了烏氏干涉儀的應(yīng)用范圍。本文的工作對(duì)相關(guān)白光干涉儀的改進(jìn)具有借鑒意義。

2 激光應(yīng)用于烏氏干涉儀

烏氏干涉儀，即白光干涉儀，其工作原理與單頻激光干涉儀工作原理類似，不同的是烏氏干涉儀使用的光源不是激光，而是低相干的白光光源，產(chǎn)生的干涉條紋為彩色，干涉圖樣中存在一個(gè)與波長無關(guān)的中心條紋。測量原理如圖1所示，在檢測位移變化時(shí)，測頭帶動(dòng)反射鏡來回移動(dòng)，產(chǎn)生的干涉條紋也隨之移動(dòng)。位移每變化半個(gè)光源波長λ/2時(shí)，干涉條紋便產(chǎn)生一個(gè)周期的明暗變化，干涉條紋變化的周期數(shù)N與被測位移L有如下關(guān)系：

式（1）表明，若能記錄干涉條紋變化的周期數(shù)N，即可測出被測長度。在實(shí)際測量中，需要人眼判讀中心條紋位置的移動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)計(jì)量。這種通過人眼對(duì)干涉條紋移動(dòng)量的判讀，引入了較大的讀數(shù)誤差［5］。

另一方面，能否觀察到干涉條紋還要取決于光源的相干長度［6］：

式中λ為光源的中心波長，Δλ為譜線寬度，當(dāng)Δλ?λ時(shí)，有：

由此可知光的單色性越好，即Δλ越小，相干長度Lc越大。

圖1 烏氏干涉儀測量原理圖Fig.1 Measurement principle of Ubbelohde interferometer

白光單色性差，相干長度僅為幾微米至幾百微米［7］，因此其測量范圍受到較大限制；而且其干涉圖樣僅在兩臂光束光程差接近零時(shí)才能發(fā)生干涉，調(diào)整出干涉圖樣較為困難。

綜上所述，烏氏干涉儀具有不易判讀、量程小、不易調(diào)試等缺點(diǎn)。激光具有能量集中、方向性和相干性好、能如實(shí)地負(fù)載物體光波信息等特性?；诩す獾母呦喔尚裕约す庾鞴庠吹臋z測儀器，測量范圍可達(dá)1 m以上，且干涉條紋明暗對(duì)比度高，易于調(diào)試。目前，激光干涉儀不僅能測量線位移、線速度，還能測量小角度以及各種形位誤差等幾何量［8］。

考慮激光測量的優(yōu)勢，本文改換激光作為烏氏干涉儀的干涉光源，以移植激光干涉測量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理判讀方法，將條紋移動(dòng)時(shí)的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理提取移動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)位移的高精度測量，如圖2所示。

圖2 激光干涉儀測量原理圖Fig.2 Measurement principle of laser interferometer

3 干涉信號(hào)的提取

采用光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理判讀方法，需要從干涉條紋中提取出干涉信號(hào)，并設(shè)計(jì)辨向電路以判別干涉條紋的移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)精確測量。一般要求從干涉條紋中提取出2路干涉信號(hào)近似正交來實(shí)現(xiàn)辨向電路功能，而這正是本文討論的判讀方法的難點(diǎn)之一。目前，干涉信號(hào)常用的提取方法是采用分光鏡、光柵等分光元件將干涉條紋分解成相位差為 π/2的幾路條紋，再用光電器件接收、轉(zhuǎn)化并合成2路相位差為π/2的干涉信號(hào)。

本文提出的方法是直接采用2個(gè)光敏二極管1，2相差1/4條紋周期排布，如圖3所示。當(dāng)干涉條紋移動(dòng)時(shí)，兩光電器件接受條紋光強(qiáng)周期性的變化，分別形成近似正弦的信號(hào)I1和I2，干涉條紋左移時(shí)，信號(hào)I1相對(duì)信號(hào)I2剛好滯后π/2；而當(dāng)干涉條紋右移時(shí)，信號(hào)I1相對(duì)信號(hào)I2剛好超前π/2，根據(jù)這2路干涉信號(hào)相位的超前/滯后，即可判斷干涉條紋的移動(dòng)方向。

圖3 兩路正交干涉信號(hào)的提取Fig.3 Extraction to two orthogonal interference signals

4 雙門限整形電路

為了提高信號(hào)的信噪比，采用了靈敏度較高的硅光敏二極管作光電轉(zhuǎn)換器件，采用低噪聲器件設(shè)計(jì)前置放大電路對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)選用一階Butterworth低通濾波器來濾除噪聲，最終提取得到的干涉信號(hào)，如圖4所示。

圖4 濾波后輸出的干涉信號(hào)Fig.4 Interference signal after filtering

由于電路器件非理想，濾波輸出的信號(hào)仍含有少量噪聲，見圖4。為了便于后續(xù)電路的處理，需要將得到的信號(hào)整形為方波。若直接采用常規(guī)比較器整形為方波，信號(hào)在設(shè)定比較電壓值附近抖動(dòng)時(shí)，輸出的方波信號(hào)也會(huì)隨之抖動(dòng)，從而造成后續(xù)電路的誤處理。為解決該問題，本文設(shè)計(jì)了一種雙門限整形電路，如圖5所示。

圖5 雙門限整形電路Fig.5 Dual threshold circuit

設(shè)定了2個(gè)比較電壓，當(dāng)干涉信號(hào)幅值上升剛過初始比較電壓時(shí)，輸出信號(hào)電平高低發(fā)生變化，控制模擬開關(guān)選通另一電壓較低的比較電壓，使干涉信號(hào)在此處抖動(dòng)不影響輸出信號(hào)，直到干涉信號(hào)下降至剛低于比較電壓時(shí)，輸出信號(hào)電平才會(huì)變動(dòng)。依此循環(huán)，就可以直接從帶噪聲的信號(hào)波中整形出所需要的方波，最終整形得到的兩路正交干涉信號(hào)，如圖6所示。

圖6 整形輸出的兩路正交干涉信號(hào)Fig.6 Two orthogonal interference signals after shaping

5 辨向細(xì)分電路

對(duì)干涉條紋移動(dòng)方向進(jìn)行判別，是實(shí)現(xiàn)精確測量的必要條件。本文采用微分型基本辨向電路，實(shí)現(xiàn)了干涉條紋移動(dòng)方向的精準(zhǔn)判別，如圖7所示。

圖7 微分型基本辨向電路Fig.7 Differential-type of basic discerning circuit

當(dāng)條紋正向移動(dòng)時(shí)，U1比U2超前90°，只有信號(hào)Y1有計(jì)數(shù)脈沖，Y2為低電平，觸發(fā)器置1；當(dāng)條紋反向移動(dòng)時(shí)，U1比U2滯后90°，只有信號(hào)Y2有計(jì)數(shù)脈沖，Y1為低電平，觸發(fā)器復(fù)位輸出為0。由此即可以以觸發(fā)器的輸出作為辨向信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉條紋移動(dòng)方向的辨別［9］。

圖8 4細(xì)分辨向電路原理圖Fig.8 Principle diagram of 4 subdivision and discerning circuit

基本辨向電路不對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，只能在條紋移動(dòng)相位變化大于π弧度時(shí)判向，而且得到的辨向信號(hào)總是滯后于條紋的移動(dòng)［10，11］。 為了提高測量分辨率，本文還通過對(duì)2路方波在一個(gè)周期內(nèi)的2個(gè)上升沿和2個(gè)下降沿的處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干涉信號(hào)的4細(xì)分［12，13］，設(shè)計(jì)的4細(xì)分辨向電路如圖8所示。

整形得到2列方波信號(hào)ina和inb，經(jīng)過同向與反向輸出得到4路信號(hào)a1，a2，a3和a4，這4路信號(hào)再經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器提取得到b1，b2，b3和b4，即為2路方波信號(hào)在信號(hào)的上升沿處與下降沿處的4個(gè)觸發(fā)脈沖。然后對(duì)這8路信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到正向計(jì)數(shù)信號(hào)add和反向計(jì)數(shù)信號(hào)sub：

最后將正反向計(jì)數(shù)信號(hào)經(jīng)過鎖存器就可以得到辨向信號(hào)dir，正反向計(jì)數(shù)信號(hào)輸入到或門就得到計(jì)數(shù)脈沖jishu。

由圖9可知，在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，無論在條紋正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)時(shí)，干涉信號(hào)每變化1個(gè)周期，都有4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)干涉信號(hào)的4細(xì)分；在條紋正向移動(dòng)時(shí)，dir始終輸出高電平，在條紋反向移動(dòng)時(shí)，則始終輸出低電平，通過判斷信號(hào)dir電平高低，就可以判別條紋移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)辨向功能。

圖9 4細(xì)分辨向電路EDA仿真圖Fig.9 EDA simulation map of 4 subdivision and discerning circuit

最后設(shè)計(jì)了可逆計(jì)數(shù)器，根據(jù)辨向信號(hào)電平高低，將條紋移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)累加/減計(jì)入，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。

6 系統(tǒng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的基本思想是：選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊，用本檢測裝置進(jìn)行測量，理論上，測量值應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)量塊的實(shí)際值相符。

如圖10所示，采用基本辨向電路進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，烏氏干涉儀通過固定架固定在平臺(tái)上，其測頭頂在標(biāo)準(zhǔn)量塊上，移動(dòng)平臺(tái)，分別使干涉儀的測頭頂在2量塊上測量，2標(biāo)準(zhǔn)量塊（編號(hào)分別為1006和1001）厚度相差5 μm，則測量差值應(yīng)為5 μm，同時(shí)記錄下干涉條紋移動(dòng)輸出的計(jì)數(shù)脈沖差量，依此重復(fù)20次測量，記錄下對(duì)應(yīng)的脈沖差量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖Fig.10 Physical map of calibration experiment

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Calibration experimental data

根據(jù)光干涉原理，干涉條紋的明暗條紋程周期性變化，若光源波長為λ，相鄰的明（暗）條紋對(duì)應(yīng)的實(shí)際位移（條紋當(dāng)量）為L0，則有：

式中，n為光束在空氣中的折射率，取n=1，β為干涉儀兩鏡片的夾角，β=30°，采用He-Ne激光，其波長為λ=632.8 nm=0.632 8 μm，則理論上1個(gè)條紋當(dāng)量為：

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中采用基本辨向電路，位移變化1個(gè)條紋當(dāng)量，恰好發(fā)出1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，則取理論條紋當(dāng)量值計(jì)算，實(shí)際每次標(biāo)定測量的位移值如表2所示。

表2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)位移數(shù)據(jù)Tab.2 Displacement data of calibration experiment （μm）

20次標(biāo)定測量的位移平均值為4.967 μm，單次測量中的最大誤差為0.6 μm，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)位移數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際情況相近，表明檢測裝置的測量結(jié)果可靠。

若采用4細(xì)分辨向電路進(jìn)行測量，其在位移變化1個(gè)條紋當(dāng)量時(shí)，發(fā)出4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，理論測量分辨力為：

此外，由激光干涉測量原理可知，在烏氏干涉儀的量程內(nèi)時(shí)，干涉條紋會(huì)隨位移變化而移動(dòng)，可利用改造的檢測裝置進(jìn)行測量。

7 結(jié) 論

本文用激光作為烏氏干涉儀的光源，移植了激光干涉測量的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用光電器件將干涉條紋光強(qiáng)變化量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)變化量，用信號(hào)處理電路提取出條紋的移動(dòng)方向、移動(dòng)條紋數(shù)等信息來實(shí)現(xiàn)精密測量。按此方案設(shè)計(jì)并搭建了干涉檢測裝置，通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測出分辨率可達(dá)79 nm，驗(yàn)證了檢測結(jié)果的可靠性。本文設(shè)計(jì)的檢測裝置的不足在于分辨率仍較低，下一步工作需要進(jìn)一步研究干涉信號(hào)的細(xì)分；另外，檢測裝置存在信號(hào)三差、測量環(huán)境誤差等系統(tǒng)誤差［12］，亦需要分析系統(tǒng)誤差來源及其引入的不確定度，對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正。

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Information reading of Ubbelohde interferometry

ZHANG Jing-he，ZHANG Shun-guo，DONG Yue-hua

（Center for Precision Engineering，School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

For the shortcomings of the interference fringe difficult to read and adjust in an Ubbelohde interferometer，a He-Ne laser was used in the Ubbelohde interferometer as the source to offer interference fringe signals with high quality.Then，the fringe signals were transform into electron signals to implement the microdisplacement measurement precisely.A detection circuit was designed and the square wave signal was extracted by using a dual-threshold shaping circuit，which solveed the error processing problem when signals jittered near the set comparison value.A discerning direction and subdividing circuit was designed and the orthogonal electron signals were extracted to achieve the discerning direction of interference fringe movement and the subdivision of interference signals.On the schemes above，a laser interference detection device was designed and built.The device was calibrated by two standard gauge blocks with a difference value of 5 μm.Under four subdividing circuits，the resolution of the detecting device is 79 nm.Therefore，the Ubbelohde interferometerachieveds automatic reading and improves its measurement precision.

Ubbelohde interferometer；laser interference；signal processing；dual-threshold shaping；discerning direction and subdividing

TH744.3

A

1674-2915（2011）02-0147-07

2010-09-02；

2010-11-23

國家十五攻關(guān)項(xiàng)目（No.41318.2.12）

張景和（1955—）男，吉林梅河口人，教授，主要從事精密機(jī)械、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)、超精密加工和檢測等方面的研究。E-mail：zjh2059@163.com