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《四川大学》 2003年
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基于双纵模双频激光干涉测量的位移传感器自动检定系统的研究

田云辉  
【摘要】: 本学位论文以为成都飞机工业集团公司研制双频激光干涉仪和位移传感器自动检定系统为基础,完成了以下研究工作: 1.对双频激光干涉仪的工作原理进行了理论分析,着重分析了其主要影响因素:双频激光平均频率漂移;双频激光差频漂移;高斯光束干涉附加项在测量过程中的变化及其对相位变化的影响,与测量镜运动引起的程差变化的关系。双频激光干涉仪是一种外差干涉仪,理论分析证明:外差干涉具有高的转换增益、良好的滤波性能及优异的空间鉴别能力,能有效地滤除各种背景光干扰,得到信噪比很高的测量信号。在光路调整中,它对测量光与参考光的合光光束是否垂直于探测器光敏面要求不高,但对两光束合光同轴度则有严格要求。因而干涉仪系统达到高精度的基础是:频率及频差稳定的双频激光源、稳定的等效腔长;测量光与参考光合光后有很高同轴度的光路结构;能可靠记录相位差变化周期数的细分及可逆计数系统三部分。 2.分析了激光频率的稳定性、复现性的定义及影响激光频率稳定的因素;介绍了常见的稳频及产生双频的方法;分析论证了激光器双纵模热稳频的使用条件和有关参数的关系,得到结论是:应将激光管装在保温罩内;选用放电管直径及长度大、壁厚小、材料导热系数大的放电管。采用控制激光器的放电电流的PID控制模式,在放电管外露,散热条件好;热变形不受约束的背包式He-Ne激光管上取得了很好的效果。在放电管外有玻璃罩,散热条件差;放电管温度变形受外玻璃罩约束的同轴式管子上则效果不理想(预热时间较长,抗干扰能力不如前者)。为此,提出了增加有缠绕于激光管颈上的电阻丝辅助加热控制环节的自 四川大学博一l:学位论文 组织模糊控制双纵模热稳频方法。选用腔长L=190mm的普通同轴式He一e激光 管,采用PID和自组织模糊控制模式可达到10一的稳频精度效果,并满足预热时 间和抗干扰要求。实验证明用自组织模糊控制方法获得的双纵模双频激光的频率 稳定度在恒温条件为20士IOc时可达10一”;即使有冷、热气流吹拂时,也能保 证稳频精度不低于10一7,单片机自组织模糊控制方法可以实现模糊优化和自组织, 故不需要精确的数学模型。它结构简单,又有自适应的功能,使稳频系统预热时 间减少,抗干扰性能和对环境变化的适应能力也得到提高。双纵模热稳频He一Ne 激光源发出的双频激光,频率稳定度高;不用压电晶体和外加磁场;对激光管没 有特殊要求;所以系统成本低,控制简单。用于激光外差干涉测量时,其抗干扰 能力强;尤其是动态响应好,其模间隔即仪器的载波频率达790MHz:由于出射 的两个纵模频率的光是偏振方向自然相互垂直的线偏振光,正交性好,因光源椭 偏引起的非线性误差很小;因而有广泛的应用范围。 3.以上述研究为基础改进和重新设计了双纵模双频激光干涉仪。系统采用 长度为1 90mm的普通全内腔He一Ne激光管构成双纵模热稳频光源,其模间隔为 △F=。/ZnL(式中c为光速,L为谐振腔长,n为空气折射率,其值约790MHz), 原理上对目前可能要求的测量速度都能满足;它发出的光为一对互相垂直的线偏 振光,与塞曼型双频激光干涉仪相比,它不用外加轴向磁场及1/4波片,因此结 构简单,造价低廉。测量光路采用角锥镜作测量镜及参考镜以保证测量光与参考 光合光后的同轴度要求;本系统中,对合光后光束的同轴度要求为: 0.na、一0.21 lmrad一43.5”,为此要求角锥镜三个直角加工偏差均不得大于7.27”。采 用倒置望远镜光路及针孔构成准直扩束及空间滤波系统,使高斯激光束束腰扩大 了M倍(M=石/‘万),发散角减小了1/M,等效腔长增大了M,倍。由于拍频 频率高达79OMHz,采用了80mm长syv型聚乙烯介质同轴电缆作为延迟线移相’ 即可获得相位差为900的两路信号,比传统的光学镀膜移相法简单。以上所述的 一系列优异特性,使此种干涉仪可满足各种高精度测量的要求,有良好的应用前 万L。 4.细分及可逆计数系统首次采用了经放大整形的两路相位相差9了的计数脉 冲信号作为EPROM的地址输入控制其数据输出,而数据输出又返回来控制地址输 入。这种循环查表、反馈作用,在向 EPROM中写入适当的内容后即可实现依相序 抗干扰细分、辨向的功能。采用两片大规模集成器件8253分别作为正向脉冲和 四川大学博士学位论文 反向脉冲计数器,未设置专门的辩符号功能环节,而采用单片机程序处理完成。 由于采用了以EPROM硬件查表技术为核心的依相序抗干扰四细分辨向电路和以 高集成度的16位计数器8253为核心的辨符号可逆计数电路,并在单片机89C51 的控制下,完成采样、清零、结果显示及与微机通讯,智能化程度及可靠性得到 提高。 5.对双纵模双频激光干涉仪的精度理论分析表明其最大测量误差为: 占二士(0 .2十10一6L)声lm(L单位为pm)。在中国测试技术研究院GzJ一l型长光 栅自动检测仪上与美国HP5528双频激光干涉仪进行的比对实验验证了这一结 论。在宁江机床厂装配车间正常生产条件(有机床与吊车开动及人员在车间内行 走)作了进一步的适应性试验。并在现场用巾6手电钻距仪器50Omm范围内不 断开闭制造人工干
【学位授予单位】:四川大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TH744.3

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 卢万银;张崇巍;;双吊点液压弧型闸门的开度测量与纠偏控制[A];先进制造技术论坛暨第三届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2004年
7 陈乐;宋爱国;;三维力传感器的设计[A];2008年江苏省计量测试学术论文集[C];2008年
8 赵升林;孙龙;;薄膜沉积的影响因素和修正方法的研究[A];第十七届十三省(市)光学学术年会暨“五省一市光学联合年会”论文集[C];2008年
9 杨廷华;;微机在造纸网生产中的监控系统[A];天津市自动化学会第十四届学术年会论文集[C];2005年
10 郭利进;王化祥;;一种改进的基于Hammerstein模型非线性广义预测控制算法[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 高晓阳;甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究[D];甘肃农业大学;2010年
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4 汤洁莉;蛋膜光化学传感器的研究[D];吉林大学;2011年
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6 吴琼;高精度绝对重力仪关键技术研究[D];中国地震局地球物理研究所;2011年
7 康岩辉;阿伏伽德罗常数测量中硅球直径测量的若干关键问题研究[D];天津大学;2009年
8 朱嘉;基于视觉与触觉集成传感的多坐标组合测量系统的研究[D];天津大学;2010年
9 周健;用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究[D];国防科学技术大学;2010年
10 孟凡勇;基于OFDR技术的管道防破坏预警系统设计与信号分析处理方法研究[D];河北工业大学;2010年
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1 邵建桥;液压混合动力汽车能量再生系统特性仿真研究[D];山东科技大学;2010年
2 孙磊;集成多路单体液压支柱密封质量监测仪的设计[D];山东科技大学;2010年
3 于振涛;矿用液压支架搬运车辆结构设计与液压驱动系统性能研究[D];山东科技大学;2010年
4 许雷;垃圾车专用控制器的研制[D];山东科技大学;2010年
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7 朱建辉;一种植保喷雾系统的设计与研究[D];安徽农业大学;2010年
8 傅寿字;汽车发动机电控水泵冷却系统的设计及试验研究[D];山东农业大学;2010年
9 郑宝鑫;矿井风机监测系统的研究与设计[D];辽宁工程技术大学;2009年
10 张永超;基于多传感器信息融合技术的粮食分等和品质测试仪[D];河南工业大学;2010年
【同被引文献】
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1 卢葱葱,赵长明,吴克瑛;利用微失调扭转模腔产生双频激光[J];北京理工大学学报;1999年03期
2 张毅;庄志;黎启胜;张敏;杨振;廖延彪;;光纤法布里珀罗氢气检测技术[J];传感技术学报;2010年10期
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4 曹学东,范天泉,魏全忠;基于四象限光电池的激光准直仪[J];测绘信息与工程;2002年04期
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9 周世勤;新型惯性技术的发展[J];飞航导弹;2001年06期
10 罗钧,杜冰,廖宏伟,陈荣华,陈燕明,郑先富;直角尺角度检测的一种新方法[J];重庆大学学报(自然科学版);2003年11期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 齐永岳;大范围二维纳米检测系统的设计研究[D];天津大学;2004年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 薛江蓉;单频激光干涉测长系统抗干扰性及细分技术的研究[D];南京理工大学;2004年
2 吕涛;敏感型Fabry-Perot腔高精度光纤角位移传感器研究[D];西南师范大学;2005年
3 康岩辉;双纵模双频激光干涉仪信号处理系统的研究[D];四川大学;2005年
4 赵媛媛;LD泵浦内腔倍频双频固体激光技术的研究[D];西安理工大学;2006年
5 董玉珮;微型非本征法布里—珀罗干涉光纤压力传感器研究[D];大连理工大学;2006年
6 杨杞;光纤法布里—珀罗应变传感器的研究[D];大连理工大学;2006年
7 张浩;磁致旋光—塞曼双频激光器的理论及实验研究[D];西北工业大学;2007年
8 孙佳星;低频微小振动的激光干涉测量方法与实验研究[D];哈尔滨工程大学;2007年
9 于杰;激光波长扫描干涉测试方法用于非球面测试的研究[D];国防科学技术大学;2007年
10 单胜军;基于法布里—珀罗腔的光纤气体传感器的研究[D];武汉理工大学;2009年
【二级引证文献】
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2 石成英;张桂豪;孙引朝;;一种自动外径测量系统的研究[J];现代电子技术;2011年10期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 毛伟玲;基于模型辨识的石英挠性加速度计控制回路设计[D];天津大学;2012年
【二级参考文献】
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【相似文献】
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3 胡广大;;谈谈双频激光干涉仪的几个问题[J];仪表技术与传感器;1978年04期
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2 刘介良;邱宗明;黄秋红;赵敏;朱凌建;;高精度丝杠动态检测系统的研究[A];制造技术自动化学术会议论文集[C];2004年
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4 李伟;;激光干涉仪在测量过程中所产生的误差及消除办法[A];第四届十三省区市机械工程学会科技论坛暨2008海南机械科技论坛论文集[C];2008年
5 李宗春;孙纪章;冯其强;邓勇;;Mensi激光扫描仪精度测试方法研究[A];数字测绘与GIS技术应用研讨交流会论文集[C];2008年
6 崔俊宁;谭久彬;黄向东;;基于球型电容原理的三维测头激光校准方法[A];2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集(上册)[C];2009年
7 翟文权;李书旗;;光栅动态精度测量装置的设计与精度分析[A];全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2010年
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1 张亚娟;单站式激光跟踪坐标测量系统研究[D];天津大学;2012年
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1 常树林;100m双频激光干涉仪光电检测系统研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 程吉水;工件台激光干涉仪测量误差模型研究[D];华中科技大学;2008年
3 宇海英;XK715F数控铣床技术改造研究[D];长春理工大学;2007年
4 张福才;非等间距水准尺动态检测技术的实验研究[D];西安理工大学;2006年
5 王徽;条码式水准尺图像检测技术研究[D];西安理工大学;2006年
6 孙志猛;双频激光干涉仪非线性误差测量技术研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
7 葛振杰;超长基线因瓦尺校准装置的研制[D];天津大学;2012年
8 岩君芳;具有纳米分辨力二维超精密定位平台的研制[D];中国计量学院;2012年
9 林杰俊;二维纳米测量定位装置的研究[D];中国计量学院;2013年
10 宋传曦;微小内尺度测量系统精度分析及若干关键问题研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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