時(shí)樂宇 紀(jì)延俊

摘要：本文充分分析了邁克爾遜干涉儀的原理，巧妙地結(jié)合了微小振動(dòng)測(cè)量的方法，確立了邁克爾遜干涉儀測(cè)微小振動(dòng)的方案，在參考光反射鏡前加一個(gè)凸透鏡，形成一個(gè)類似于貓眼的裝置——準(zhǔn)貓眼動(dòng)鏡，這樣使動(dòng)鏡的反射光不會(huì)引起光束偏正度的變化，得到更好的條紋對(duì)比度。很好地實(shí)現(xiàn)了光干涉法對(duì)振動(dòng)的測(cè)量，為測(cè)量微小振動(dòng)提供了一個(gè)有效的技術(shù)支持。本文采用的檢測(cè)技術(shù)為檢測(cè)條紋移動(dòng)變化技術(shù)，探測(cè)器發(fā)射一束光信號(hào)，利用其是否接收到反射信號(hào)來判斷條紋的暗亮，以高低電平表示，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的轉(zhuǎn)換。通過計(jì)算機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行仿真處理，得到信號(hào)圖和頻譜圖，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：干涉；振動(dòng)測(cè)量；信號(hào)轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）45-0275-02

一、引言

機(jī)械振動(dòng)在石油的勘探、發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)、各種機(jī)床的振動(dòng)、鐵路和橋梁的振動(dòng)分析等方面有廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)飛速發(fā)展，低頻微小振動(dòng)的測(cè)量成為振動(dòng)測(cè)量的主要研究方向之一[1]。

基于激光干涉原理進(jìn)行的光學(xué)測(cè)量的激光干涉測(cè)量法是一種高精度的測(cè)量技術(shù)[2]。其測(cè)量的分辨率和穩(wěn)定性可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況選擇適合的調(diào)制解調(diào)方法來提高。但是，激光干涉測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度受諸多因素的影響，使得理論與實(shí)際操作之間還存在較大的差距[3]。常見的高精度激光干涉測(cè)量法包括：零差激光干涉法[4]、外差激光干涉法[5]。

ZYGO公司的7705利用塞曼效應(yīng)產(chǎn)生最大頻差為3.65MHz的雙頻，其測(cè)量分辨率可達(dá)1.24nm；ZYGO公司的7712利用聲光調(diào)制法獲得頻差為20MHz雙頻，其測(cè)量分辨率可達(dá)0.31nm[6]；Renishaw公司的ML10gold干涉儀測(cè)量分辨率可達(dá)1.24nm，測(cè)量范圍為80m[7]；英國(guó)Renishaw公司Agilent（HP）公司的5519B型外差激光干涉儀的測(cè)量范圍為±21.2m，測(cè)量分辨率可達(dá)1.24nm[8]。我國(guó)四川大學(xué)研制的線位移傳感器檢定儀測(cè)量分辨率可達(dá)1nm，測(cè)量范圍20nm[9]；北京航空材料研究院研制的光外差馬赫-澤德干涉儀具有良好的線性和重復(fù)性，其測(cè)量精度達(dá)3nm[10]；清華大學(xué)殷純永教授的研究小組研制的SJD5型雙頻激光干涉儀分辨率達(dá)到0.49nm[11]。

本文優(yōu)化了光路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了檢測(cè)條紋移動(dòng)變化的方案，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，提高了測(cè)量的速度和準(zhǔn)確率，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

二、實(shí)驗(yàn)原理

用邁克爾遜干涉儀可以觀察到等傾干涉圖樣和等厚干涉圖樣，基本光路如圖1所示。從光源S發(fā)出的一束光，經(jīng)分束鏡G1的后表面分成光強(qiáng)近似相等的反射光束1和透射光束2；反射光束1射出G1后投向反射鏡M1，反射回來再穿過G1；光束2經(jīng)過補(bǔ)償板G2投向M2反射鏡，反射回來再通過G2，在G1的后表面上反射。于是，這兩束相干光在空間相遇并產(chǎn)生干涉，M2經(jīng)G1下表面所成的像M2'，因M1和M2'之間為空氣層，n≈1，則兩相干光束的光程差△為

△=2dcosδ （1）

當(dāng)M1和M2嚴(yán)格平行時(shí)，形成等傾干涉，否則形成等厚干涉。無論是等傾還是等厚干涉，只要邁克爾遜干涉儀一條干涉臂發(fā)生移動(dòng)時(shí)，就會(huì)有條紋的移動(dòng)，M1和M2'之間的距離每增加（或減少）λ/2，視場(chǎng)中有一個(gè)條紋移過，所以測(cè)試光的反射鏡向一個(gè)方向發(fā)生振動(dòng)時(shí)，干涉條紋就會(huì)朝相對(duì)應(yīng)的方向移動(dòng)，振動(dòng)的頻率的快慢影響觀察點(diǎn)的明暗變化的快慢。測(cè)試光的反射鏡的情況與條紋變化情況一一對(duì)應(yīng)，測(cè)量出條紋的變化情況即可得到對(duì)應(yīng)的振動(dòng)情況。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)，將信號(hào)輸出到壓電陶瓷，壓電陶瓷將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)光的反光鏡與壓電陶瓷連接，檢測(cè)光的光程隨壓電陶瓷的振動(dòng)而變化，檢測(cè)光與參考光形成干涉條紋，干涉條紋隨檢測(cè)光與參考光的光程差的變化而變化，所以干涉條紋的變化即反映了壓電陶瓷的振動(dòng)情況。光電檢測(cè)器檢測(cè)到條紋的變化情況，將條紋變化這一變化的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。將轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)程序的運(yùn)算，得出壓電陶瓷的振動(dòng)信號(hào)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源，驅(qū)動(dòng)納米振動(dòng)平臺(tái)，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使納米振動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)幅度為25納米，振動(dòng)頻率為20赫茲，頻率為20赫茲時(shí)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)干涉儀輸出信號(hào)為圖2所示。

五、結(jié)論

本文所用干涉儀的信號(hào)處理電路是針對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行分析處理，因此，在現(xiàn)有的示波器檢測(cè)精度下，測(cè)量干涉儀分辨率只由噪聲決定。首先對(duì)振幅為15納米、頻率為20赫茲的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，然后再分析振動(dòng)信號(hào)頻譜可得，此干涉儀能夠進(jìn)行高信噪比測(cè)量，干涉儀振動(dòng)信號(hào)信噪比為30dB，分辨率可達(dá)到1nm。從而驗(yàn)證了本文提出的改進(jìn)型邁克爾遜干涉儀用于低頻微小振動(dòng)測(cè)量的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫佳星，低頻微小震動(dòng)的激光干涉測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2006.

[2]趙洋，李達(dá)成，梁晉文.外差激光干涉儀的實(shí)現(xiàn)方法及其特點(diǎn)計(jì)量技術(shù)[J].計(jì)量技術(shù)，1996，18（7）：2-5.

[3]趙斌，夏明，李柱.外差干涉信號(hào)的相位計(jì)數(shù)[J].計(jì)量技術(shù)，1996，5（4）：13-15.

[4]楊春平，康美苓，王豹亭，吳健，謝康.新型零差激光干涉儀振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J].光電子.激光，2011，22（1）：95-98

[5]劉丹，鄭賓，郭華玲，劉輝，劉乃強(qiáng).基于外差干涉的微振動(dòng)測(cè)量技術(shù)研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2014，35（5）：858-861

[6]陳曉梅，曹航，周自力.納米級(jí)二維激光外差干涉儀的設(shè)計(jì)[J].光電工程，1998，5（1）：18-22.

[7]戴高良.雙頻激光納米干涉測(cè)量技術(shù)的研究[D].清華大學(xué)工學(xué)院，1998.

[8]湯俊雄，李愛國(guó).用穩(wěn)光程干涉儀拍頻檢測(cè)小位移[J].中國(guó)激光，1993，4（3）：156-158.

[9]吳燕華，張濤，尹伯彪，康巖輝.電壓輸出型線位移傳感器動(dòng)態(tài)檢定系統(tǒng)[J].機(jī)械，2005，32（7）：45-46，48

[10]黎永前，朱名銓.光干涉技術(shù)在納米精度測(cè)量中的應(yīng)用及發(fā)展[J].航空精密制造技術(shù)，2002，24（3）：32-36.

[11]高賽，殷純永，高測(cè)速雙頻干涉儀[J].光學(xué)技術(shù)，2001，26（3）：238-239.