基于LD自混合干涉的微位移测量系统的设计与仿真

【摘要】： 自混合干涉技术是最近兴起的一项精密测量技术,因其系统不仅具有传统干涉技术的高灵敏性、高精度型,而且结构简单、易准直。以LD为光源的自混合干涉仪更是解决了传统气体激光器尺寸庞大、光路复杂且价格昂贵等问题。因此该技术具有良好的发展前景。 自混合干涉的优势在于几何传感测量。本文也是将其应用于微位移检测,其检测精度可达到微米级。文章首先阐述了自混合干涉技术的应用和发展情况,并利用三镜F-P腔和速率方程两种方法对自混合干涉数学模型进行了推导。重点对在适度反馈条件下利用条纹计数法进行结果测量的系统进行了理论分析。 全文从系统的总体设计到软、硬件系统的构建进行了详细的陈述。为了达到更快的处理速度与更精确的结果,外围电路的核心并没有使用传统的单片机或其他MCU,而是选用的FPGA芯片作为CPU,FPGA不仅工作频率高,而且使用灵活功能强大,尤其是对于高频数字信号的处理有着非常大的优势。配合以ADC、滤波电路、信号调理电路等组成了一整套的数据处理系统。该系统在理论上测量精度可达到半个波长(0.39μm),测量范围20mm。 为了提高自混合干涉信号处理的精度,本文在原有的基础上设计了一个光斑跟踪伺服环路系统,该系统能自动检测PD所接受光信号的强弱,并通PID控制微调透镜位置,使得PD接受到的光信号保持最强,大大降低了的信号衰减。PID控制部分仍然使用的是FPGA作为处理器,基于FPGA的数字化PID控制较以往的模拟PID控制相比,在其灵活性和参数整定上都有了较大的提高,同时也充分的利用了FPGA的资源,使得外围数字电路大大缩减,有利于嵌入式系统的开发设计。 在软件的构建中,采用VB平台进行开发,大大缩短了开发周期,同时能很好的实现用户自定义功能,生成友好的用户界面。以FPGA作为下位机,PC与FPGA之间使用串行通信协议RS-232通信,实现了计算机与FPGA的实时通信,该上位机程序不仅可以实现计算机对测量结果的实时监控,同时还能显示极值、平均值,保存数据等功能,并将结果的变化情况以绘制成虚线以方便观察其变化情况。 本文对LD自混合干涉理论模型分析和上、下位机程序系统的设计都利用计算机及EDA软件进行仿真实验,仿真结果均符合要求,并验证了该系统的可行性。