激光測距及細(xì)分.

1、精密儀器課程設(shè)計激光干涉納米級位移測量系統(tǒng)設(shè)計姓名：薛重飛學(xué)號：B10340130專業(yè)：測控技術(shù)與儀器2013年12月1. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀概述 32. 總體方案設(shè)計 53. 測量方法設(shè)計 53.1測量方案框圖 53.2測量原理 63.2.1激光干涉原理 63.2.2光電傳感器的信號 73.2.3移相系統(tǒng) 93.2.4 辨向及可逆計數(shù) 103.2.5量化細(xì)分 123.2.6模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換 163.2.7比較器的參考電壓 173.3硬件電路的實現(xiàn) 173.3.1信號整形及低通濾波 183.3.2單片機(jī)系統(tǒng) 183.3.3數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)連接 193.3.4整體電路設(shè)計 203.4軟件程序的

2、設(shè)計 214總結(jié)及展望 225參考文獻(xiàn) 22激光干涉納米級微位移系統(tǒng)設(shè)計1. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀概述隨著現(xiàn)代化國防建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，無論是元件生產(chǎn) 的設(shè)備正向超大型化、微型化、精密化和自動化方向發(fā)展。因此，精密測量的工 作顯得越來越重要。多年來單頻激光干涉儀的研究主要集中在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改良和非線性修正 方面。前者的目標(biāo)是通過改進(jìn)干涉儀的結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的分辨率、重復(fù)精度以及對空氣擾動、折射率波動、工作臺振動等環(huán)境噪聲的抗干擾能力。 后者通過研 究各具體干涉儀的非線性環(huán)節(jié)，提出補(bǔ)償或校正策略（一般是基于軟件實現(xiàn)），來改善系統(tǒng)在整個測量范圍內(nèi)的線性度、重復(fù)精度等。由于缺乏概念性突破，

3、改進(jìn)干涉儀結(jié)構(gòu)方面的研究未能取得顯著成績，因而非線性誤差校正（或稱誤差補(bǔ) 償）成為單頻激光干涉儀研究中相對較為活躍的領(lǐng)域 0RENISHAW新型單頻激光干涉儀采用偏振光移相方法，獲得三路位相依次 相差900的光干涉信號，經(jīng)光電接收并放大后，使 00和900，00和-900信號分別 輸入兩個比較器電路，生成兩路錯相900的交變方波信號，推動可逆計數(shù)器計數(shù)。 這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)兩個目的：一是去掉直流分量和實現(xiàn)共模抑制； 二是因三個信 號是完全共路的，有效地去掉了外界震動等噪聲，保證了干涉儀低頻的穩(wěn)定性， 從而實現(xiàn)了雙頻激光干涉儀的各種功能0我國于七十年代開始了激光測量系統(tǒng)的研制，1975年由中國計量

4、科學(xué)研究 院與陜西機(jī)械學(xué)院研制出我國第一臺國產(chǎn)雙頻激光干涉儀樣機(jī)。量程為60m測量精度為0.5 10 。到目前為止，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué) 等也相繼開展了對激光干涉儀及相關(guān)技術(shù)的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器系九 十年代研制的光電接觸式干涉儀，其分辨力為0.01，儀器的總誤差為0.015 10*L（工為被測長度）。成都科技大學(xué)研制的雙頻激光干涉儀 ，分 辨力為0.1 nm，測量不確定度為2.5 10。此外，清華大學(xué)在激光調(diào)諧絕對距離 的測量方面、外差干涉的相位檢測電路方面，華中理工大學(xué)在聲光調(diào)制外差干涉 的光路方面等做了相當(dāng)好的研究工作。為提高單頻激光干涉儀的抗干擾性能以及測量精

5、度，清華大學(xué)的薛實福等人研究了一種在邁克遜單頻激光干涉儀的基礎(chǔ)上采用自掃描光電二極管列陣 （SSPDA接收器件，將直流信號轉(zhuǎn)換成交流信號、微處理機(jī)處理，具有波長自動 補(bǔ)償功能的新型激光干涉儀。實驗證明它比一般單頻激光干涉儀具有較高的抗干 擾性及測量精度。傳統(tǒng)的邁克耳孫測量方法受限于光源單色性差和人眼計數(shù)的誤差 ，再加上分 束鏡界面反射形成的干涉和環(huán)境噪聲的存在 ，給條紋的細(xì)分造成困難為了提高 了測量精度，研究人員不斷地提出了多種新的條紋細(xì)分方法 ，趙育良等2利用 CCD乍為條紋拾取工具,系統(tǒng)理論誤差僅為CCD的 1個像元,楊仕廣等3人以邁 克耳孫干涉儀的光路為基礎(chǔ)，利用CCD實時采集干涉條紋的

6、光強(qiáng)信息，通過精確 測量條紋的偏移量，測出物體的微位移.與傳統(tǒng)微位移測量方法相比，He-Ne激光 器、CCD等器件的使用和FFT互相關(guān)運算等信號處理方法的運用,使得測量精度 和靈敏度有較大提高，借助虛擬儀器手段還實現(xiàn)了微位移的全自動測量。激光干涉儀通常采取 Machelson（邁克爾遜）干涉儀形式，由于反射器的作 用，直接接收的脈沖當(dāng)量為12（約0 . 3um）,對于精密測量來說，顯然是不夠的。如何提高激光干涉儀系統(tǒng)的分辨率是激光干涉儀中的重要技術(shù)，有多種激光干涉儀的細(xì)分方法，概括起來為光學(xué)細(xì)分和電子細(xì)分兩大類在精細(xì)計量技 術(shù)中，干涉條紋的記數(shù)與細(xì)分是基礎(chǔ)技術(shù)之一。目前干涉條紋的記數(shù)技術(shù)已日趨

7、成熟而細(xì)分技術(shù)還有待于進(jìn)一步發(fā)展4 o現(xiàn)在已有的細(xì)分條紋技術(shù)有電子學(xué)倍頻法、光學(xué)倍頻法、CCD細(xì)分法等。倍 頻法多采用四倍頻、八倍頻，可以記錄到四分之一、八分之一的干涉條紋的移動。 這在細(xì)分精度上顯然是不夠的?，F(xiàn)在常用的高倍細(xì)分法有微機(jī)細(xì)分等，此外激 光干涉儀的細(xì)分方法還有很多，例如在單頻激光干涉儀中，可以用電阻鏈細(xì)分方 法;在基于聲光頻移的雙頻激光干涉儀中，可以將測量信號與頻差信號，測量信號 與移相90的頻差信號分別混頻,得到相位差為90。的兩路信號,然后按單頻激 光干涉儀的細(xì)分方法處理；在基于塞曼效應(yīng)的雙頻激光干涉儀中，可以采用測量 剩余相位的方法實現(xiàn)細(xì)分等，利用兩個相互垂直偏振光相干，其

8、干涉信號為一個 旋轉(zhuǎn)的線偏振光的特點實現(xiàn)細(xì)分 ，在國內(nèi)亦有大量的研究，并取得很好的效果。2. 總體方案設(shè)計用邁克爾遜干涉系統(tǒng)得到干涉條紋，用相差900的移相系統(tǒng)進(jìn)行一移相，然后 用線性光電探測器探測光強(qiáng)變化，然后將得到的兩路周期性信號濾除高頻噪聲， 然后將兩路信號中的直流分量濾除， 得到正弦信號，然后信號進(jìn)行辨向和可逆計 數(shù)，將計數(shù)器的所得值傳入單片機(jī)，同時采用量化細(xì)分的辦法，將第一個值的相 位和最后一個值的相位，采入單片機(jī)，然后通過查表，就能完成細(xì)分，與此同時， 單片機(jī)通過采樣計算的方法，得出每一周期的直流分量值，和最后的顯示工作。3. 測量方法設(shè)計3.1測量方案框圖光電傳感器放大電整形路可

9、逆計數(shù)干涉 條紋移相電路辨向電路光電傳感器放大電整形路8051單 片 機(jī)顯示電路ADAD3.2測量原理3.2.1激光干涉原理圖1邁克爾遜干涉光路圖2同心圓環(huán)干涉條紋激光器采用單模穩(wěn)頻He-Ne激光器，波長為623.8nm。激光干涉測長的基本 光路是一個邁克爾遜干涉儀（如圖1示），用干涉條紋來反映被測量的信息。干 涉條紋是接收面上兩路光程差相同的點連成的軌跡。激光器發(fā)出的激光束到達(dá)半 透半反射鏡P后被分成兩束，當(dāng)兩束光的光程相差激光半波長的偶數(shù)倍時， 它們 相互加強(qiáng)形成亮條紋；當(dāng)兩束光的光程相差半波長的奇數(shù)倍時，它們相互抵消形 成暗條紋。兩束光的光程差可以表示為NM:= nih 二 njlji

10、AJ A式中：ni ,nj分別為干涉儀兩支光路的介質(zhì)折射率；li,lj分別為干涉儀兩支光路的幾何路程。將被測物與其中一支光路聯(lián)系起來，使反光鏡 M沿光束2方向移動，每移 動半波長的長度，光束2的光程就改變了一個波長，于是干涉條紋就產(chǎn)生一個周 期的明、暗變化。通過對干涉條紋變化的測量就可以得到被測長度空氣的折射率n=1。因為加了補(bǔ)償板G2所以.2 d被測長度L與干涉條紋變化的次數(shù)N和干涉儀所用光源波長所當(dāng)M2等速移動時，光電傳感器輸出信號的周期式中：v為動鏡移動速度,3.2.2光電傳感器的信號光電傳感器采用光敏二極管，因為光敏二極管線性度好,的變化轉(zhuǎn)化為電壓信號,理論上傳感器輸出的信號為e(t)

11、 = Ao + A sin(灼t +)之間的關(guān)系是（4）（5）光電傳感器將光強(qiáng)（6）式中：A為直流分量A為輸出信號幅值T為周期-為角頻率將上述信號通過比較器濾除直流分量得e1（tHAiSin（，t ）同時將上述信號轉(zhuǎn)換為方波，如圖5Graph圖3光電傳感器輸出信號el(tl圖4濾除直流分量后的信號Graph0-0.8-0.6-0.4-0-2-10圖5轉(zhuǎn)換后的方波323移相系統(tǒng)干涉儀在實際測量位移時，由于測量反射鏡在測量過程中可能需要正反兩個 方向的移動，或由于外界振動，導(dǎo)軌誤差等干擾，使反射鏡在正向移動中，偶然 有反向移動，所以干涉儀中需設(shè)計方向判別部分， 將計數(shù)脈沖分為加和減兩種脈 沖。當(dāng)測

12、量鏡正向移動時所產(chǎn)生的脈沖為正脈沖， 而反向移動時所產(chǎn)生的脈沖為 減脈沖。將這兩種脈沖送入可逆計數(shù)器進(jìn)行可逆計算就可以獲得真正的位移值。 如果測量系統(tǒng)沒有判向能力，光電接收器接收的信號是測量鏡正反兩方向移動的 總和，就不代表真正的位移值。另外為了提高儀器分辨力，還要對干涉條紋進(jìn)行 細(xì)分。為達(dá)到這些目的，干涉儀必須有兩個位相差為90度的電信號輸出，一個按光程的正弦變化，一個按余弦變化。所以，移相器也是干涉儀測量系統(tǒng)的重要 組成部分。本系統(tǒng)采用機(jī)械法移相，如圖 6放大后如圖7,在經(jīng)過整形后得圖8,整形采用比較器，參考電壓由單片機(jī)提供。Graph圖7放大濾波后的信號Graph 14 口O-Griph

13、 23S 44,5 S 3,566.S77,588,599,510-00,3圖8整形后的信號324辨向及可逆計數(shù)本文采用四細(xì)分辨向電路，相位差90的兩路方波信號。基于兩路方波在一個周期內(nèi)具有兩個上升沿和兩個下降沿，通過對邊沿的處理實現(xiàn)四細(xì)分。根據(jù)兩路方波相位的相對導(dǎo)前和滯后的關(guān)系作為判別依據(jù)。根據(jù)Uo1和U2的不同，來辨別方向DmA -J_II B I|LUI 廠f n n n氏nnnn nn n nuolr Lnnnnnnnnnnn%A Ji i ni iB |川_11n_n_夕nnnninnninnnnnnnnnnnb)a)圖9四細(xì)分辨向原理同時經(jīng)判向電路后，將一個周期的干涉信號變成四個脈

14、沖輸出信號。實現(xiàn) 干涉條紋的四倍頻計數(shù)，相應(yīng)的測量方程變?yōu)?8)式中:N 為可逆計數(shù)器的數(shù)值L 是可逆計數(shù)器所記錄的位移四分辨向芯片采用HCTL-2OO0此芯片有集成的12位可逆計數(shù)器和辨向功能。HCTL-2000原理如圖Ml*CHAMU6 CHAMILI一皿片mu1KIj4切伽彳enMMflKHIM49fitft圖10 HCTL2000原理圖因為HCTL2000是12位的，所以最大位移Smax =323.7 5，可以滿足設(shè)計的要求。3.2.5量化細(xì)分信號可分為三段，如圖11所示圖11三段信號這三部分要分別計算，要達(dá)到要求的 3nm精度，需要細(xì)分120倍。對于不滿 一個整數(shù)周期的信號第一段和第

15、三段，要用單片機(jī)細(xì)分來計算出長度。對于整數(shù) 周期的信號第二段要通過計數(shù)器進(jìn)行大的計數(shù)。 現(xiàn)已有的細(xì)分條紋技術(shù)有電子倍頻法、光學(xué)倍頻法、CCD細(xì)分法等。倍頻法多采用四倍頻、八倍頻，可以記錄到四分之一、八分之一的干涉條紋的移動。這在細(xì) 分精度上顯然是不夠的，因此本課程設(shè)計采用微機(jī)細(xì)分。量化細(xì)分原理框圖如圖12斗加Mar o比較器一 辨向(i可逆THTL14電路計救2SDA1圖13卦限圖卦限iH的極性的極性lulls虺大小1+|ul|u2|3|nl| |u2|4+|ul|u2|5-|ul|u2|3Ml|u2|表1八細(xì)分表本文采用整周期量化細(xì)分，微機(jī)通過判斷兩信號的極性和絕對值的大小， 實 現(xiàn)8倍細(xì)分

16、。圖13中把一個信號分為8個區(qū)間，或者稱卦限，每卦45。由表1 可列出兩信號的極性和絕對值的大小。在一個卦限內(nèi)，按信號絕對值比值大小還可以實現(xiàn)更小的細(xì)分。兩信號|u1|、|u2|的比值可按tan，二As inAcosvUiU2(9)(10)AcosOu2C0出二兩嗣下計算，在1、4、5、8用公式7,在2、3、6、7用公式8,上述卦限中的tan0值或cot日|值都在01之間變化，因而可用00 450間的tan日|來表示。這樣，在計 算機(jī)中固化一個表，每卦限細(xì)分?jǐn)?shù)為 15,這樣就實現(xiàn)了 120倍的細(xì)分，用15個 存儲單元固化00 450的15個正切值，微機(jī)在此表中查詢已算的|tan值或cot。 值

17、最近的存儲單元，如果該存儲單元的第k個單元，則相位角二對應(yīng)的細(xì)分?jǐn)?shù)x由下列公式?jīng)Q定第1卦限，x=k第2卦限，x=30-k第3卦限，x=30+k第4卦限，x=60-k第5卦限，x=60+k第7卦限，x=90+k第6卦限，x=90-k第8卦限，x=120-k由如下公式計算屬于非整數(shù)周期的位移第一段si120S3-1202(11)(12)得到第三段的位移S3由可逆計數(shù)器計算得到第二段的位移。因為可逆計數(shù)器是四細(xì)分后再計數(shù)的，所以具體的位移要根據(jù)第一段和第三段所處的卦象 k1和k2進(jìn)行計算。計數(shù)器的值K1S2K2四五六七八-一一N-4N-4N-5N-5N-6N-6N-7N-7-二二N-4N-4N-5N

18、-5N-6N-6N-7N-7-三N-3N-3N-4N-4N-5N-5N-6N-6四N-3N-3N-4N-4N-5N-5N-6N-6五N-2N-2N-3N-3N-4N-4N-5N-5六N-2N-2N-3N-3N-4N-4N-5N-5七N-1N-1N-2N-2N-3N-3N-4N-4八N-1N-1N-2N-2N-3N-3N-4N-4表2第二段位移補(bǔ)償表由此得到總位移S2 S3因為是120倍的細(xì)分，那么分辨率就為2.63 nm，這樣就滿足了設(shè)計的要求。3.2.6模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換為了減少采樣過程造成的相位誤差，AD轉(zhuǎn)換至少需用12位，轉(zhuǎn)換應(yīng)速度較 大，本課程設(shè)計采用AD574轉(zhuǎn)換精度12位，轉(zhuǎn)換速度一次

19、16us比較器的參考電壓由單片機(jī)實時提供， 關(guān)于參考電壓由軟件計算得到，先通 過軟件計算找到信號中斜率最大的點， 此點就是直流分量點，此點的電壓值代表 直流分量的大小，將這個電壓作為比較器的參考電壓。 參考電壓需由數(shù)字量轉(zhuǎn)換 為模擬量得來，因此數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的分辨力要高，因此選用DAC1208 DAC1208精度12位，可以滿足要求。327比較器的參考電壓圖14采樣點因為信號的直流分量點必然是斜率最大的點，因此在單片機(jī)中開辟一個六位的數(shù)組b6。然后將采樣6個數(shù)據(jù)，依次放到數(shù)組中，然后比較|b2-b1|,|b3-b2|,|b4-b3|,|b5-b4|,|b6-b5|的大小，如果|b2-b1| |b

20、3-b2| |b4-b3| |b5-b4| |b3-b2| |b4-b3| |b5-b4| |b6-b5|則采樣點中沒有斜率最大的點。那么清空數(shù)組，在進(jìn)行采樣直到出現(xiàn)不滿足上述 兩個不等式的數(shù)組，然后找出最大的 bi+1-bi，然后求取兩個數(shù)的平均值， 這個平均值就是直流分量點。然后將這個值通過DAC1208合出就是參考電壓。3.3硬件電路的實現(xiàn)331信號整形及低通濾波圖15光電傳感器輸出信號的整形及濾波U1為放大，U2為低通濾波采用低通濾波是為了濾除高頻的噪音，不直接濾 除直流分量是因為，如果直接濾除直流分量必然造成在初始采樣階段有較大的誤 差，所以不采用直接濾出的辦法。通過由 AD790A

21、Q&成比較器，濾除直流分量 3.3.2單片機(jī)系統(tǒng)圖16 8051 與外部元件的連接本課程設(shè)計采用單片機(jī)最小系統(tǒng)，將單片機(jī)與外的AD和DA以及顯示器連接, 實現(xiàn)本文要達(dá)到的要求。333數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)連接VLSTSI： 5DB11cfDB10AOEEB9F.CDBECEEEB7vccDEfREPOVTDB5AGNDEEB4REFINDB5VEECEB2EIPOFFDBllOVu：DBODGNDis1715I*4is22JIIDLS TfIS13=圖 17 AD574采樣用的AD用的是AD574 AD574是 12位逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間 25us，轉(zhuǎn)換精度0.05%，由于芯片有三

22、態(tài)輸出緩沖電路，因而可以直接和各種典 型的8位和16位的微處理器相連，而無需附加邏輯接口電路，且能與CMO和TTL兼容。圖18 DA1208I Vkk OITTGNDT因為DAC120內(nèi)部沒有基準(zhǔn)電壓，所以有 AD581來提供10V的基準(zhǔn)電壓,AD1208勺工作方式采用雙緩沖方式，在送入數(shù)據(jù)時要先送 12位的高8位，然后再 送入低4位，而不能按相反的方向，因為在送高 8位的同時，低4位寄存器是打開 的，如果先送低4位后送高8位，結(jié)果就會不正確。在圖18中，DAC1208的電流輸 出端外接兩個運放LF356,其中運放1運作電流電壓轉(zhuǎn)換器，運放2用作裝換極性, R22定零點，R24定滿度。3.3.

23、4整體電路設(shè)計III：+ BJ1! 4 It no m n 配 W R I-I! I n I li L=ITOWTFn決/ LE L Lt 11鑲冠 UR H ft P H H 111 L3丄i丄3 033 t Hnlm 3*fi- 9 ns-AM ll-R pt-ib-lnlllM Eli su r:二H34 FHnriM Hdm-1 1 1八卜1HTTk-!圖19整體電路3.4軟件程序的設(shè)計初始化計數(shù)器和單片 機(jī)，設(shè)定采樣頻率和DAC1208的初始參考電壓采集兩路正交信 號，記錄初始值N計算并判斷是否有斜率最大Y記錄此值，轉(zhuǎn)換為 參考電壓VEFYN運動是否停止從可逆計數(shù)器取值，并 計算查表

24、非整數(shù)周期的 位移顯示4總結(jié)及展望本文通過激光干涉來實現(xiàn)微位移的測量， 通過微機(jī)細(xì)分和軟件查表的辦法， 實現(xiàn)3nm的分辨率和300 m的量程。要實現(xiàn)3nm的分辨率就必須至少將 /2細(xì) 分120倍。因為在后來的計數(shù)過程中，采用的是四細(xì)分，所以要實現(xiàn)300m的量程，就采用了 12位的計數(shù)器，這樣就能達(dá)到大約實現(xiàn) 300m的量程。在細(xì)分 的過程中，要采樣，為了避免造成過大的采樣誤差，本文采用了12位的AD芯片，同時參考電壓也是12位的DA芯片提供的，這樣帶來的誤差就會小很多。在本微位移測量系統(tǒng)中，用8051單片機(jī)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，細(xì)分以及查表的 功能，以得到最終的位移。本系統(tǒng)采用跟蹤查找直流分量點，

25、這樣就能減小由于 光源不穩(wěn)定帶來的誤差。單頻激光干涉儀比雙頻激光干涉儀具有結(jié)構(gòu)緊湊、裝置相對簡單、成本較低、 沒有限制反射鏡運動速度的因素（除了電子系統(tǒng)通過能力所決定的自然因素外 ） 等優(yōu)點，而被廣泛地應(yīng)用于精密測量，它以靈敏度和精度高的優(yōu)點，引起大家地 重視。但其是基于對直流調(diào)幅信號處理的干涉儀，它對環(huán)境光的抗干擾能力較差， 因而它對環(huán)境條件的要求較高，而且當(dāng)信號減小50%時，裝置就會完全停止工作。單頻激光干涉儀存在的這些弊端，使它只能局限在條件優(yōu)良的環(huán)境中使用而 無法進(jìn)入車間本系統(tǒng)還有許多需要改進(jìn)的地方，首先，由于光電傳感器輸出來的信號有許 多的噪音，雖然用了低通濾波，但是依然會造成誤差。

26、同時激光干涉系統(tǒng)也會帶 來誤差，無論是光源的不穩(wěn)定，還是激光干涉通路中擾動都會帶來誤差。再者， 由于AD轉(zhuǎn)換和DA專換也會帶來誤差，要減小這種誤差只有選用更高位數(shù)的芯片， 還有就是在尋找直流分量點過程中，由于每次只連續(xù)采樣6個數(shù)據(jù)，這樣就會在 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程，不能采樣，這樣可能會造成采樣的數(shù)據(jù)錯誤， 要減少誤差 就必須提高采樣速率。5參考文獻(xiàn)1 薛江榮.單頻激光干涉測長系統(tǒng)抗干擾性及細(xì)分技術(shù)的研究D.南京理工大學(xué).2004.2 趙育良，許兆林，李開端.基于CCD的激光微位移測量系統(tǒng)的研究J.激光技術(shù).2003,27(1):73-753 楊仕廣，刁維寧，李彬.采用光電計數(shù)的激光微位移測量實驗

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