激光干涉微位移测量系统设计课题总结报告.docx

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激光干涉微位移测量系统设计课题总结报告

北京信息科技大学

《专业综合实践》报告

题目激光干涉微位移测量系统设计

学院仪器科学与光电工程

专业光信息科学与技术

学号**********、744、750、728

姓名邓伟壮、潘晗、张驰、贾希冉

指导老师

日期2015.1

激光干涉微位移测量系统设计

课程设计总结报告

成员：

邓伟壮2011010736

潘晗2011010744

张驰2011010750

贾希冉2011010728

一、方案要求

1、设计内容

基于激光干涉的方法，利用光电探测器，实现微位移的高精度测量。

设计主要包括两部分：

1）方案调研、测量系统设计及分析；

2）搭建系统，获取干涉条纹，条纹处理，完成微位移测量。

2、设计目标

1）微位移测量精度达到微米量级；

2）测量范围小于等于1毫米；

3）测量结果显示。

3、设计预计实现目标

1）光学部分得到可视性较好的干涉条纹

2）电路部分最终输入单片机前得到方波的脉冲波形

3）单片机后在LCD上显示出微测量的数值结果

4）（拓展）在电脑中显示测量结果

二、方案调研及原理

1、光学微位移测量的几种方法

光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。

特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。

按使用光学的原理不同分为以下几种方法：

（1）光外差法

光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。

测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。

这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。

（2）电镜法

电镜法是利用电子显微镜直接得到被测表面的微位移。

但目前其产品体积大，且局限于在实验室研究使用，不能用于加工生产现场。

（3）激光三角测量法

三角法测量法是种传统的测位移方法，将被测物表面与光源及接收系统摆在三个点，构成三角形光路。

其工作过程主要是:

激光光源发出的光束经透镜照射被测物体表面上；光线由物体表面漫反射，一部分被光电接收系统接收。

如果物体表面高低不平，则在光电接收探测器的光敏面上的光斑有一定的移动，根据三角形相似原理可求出物体表面的位移[9]。

（4）干涉法测量

干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。

激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。

其测量的基本原理是:

由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。

测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。

干涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。

因此，由光接收器件光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值。

干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，测量范围大，适用于实时动态测量而被广泛应用于位移测量。

*注：

在调研的四种方法里，根据测量精度要求，最后我们选取了干涉法测量中的马赫曾德干涉作为光路部分的搭接，并对其进行改进。

2、光电接收器件

（1）光敏电阻

光敏电阻又称光敏电阻器或光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

优点：

内部的光电效应和电极无关（光电二极管才有关），即可以使用直流电源；灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关；环氧树脂胶封装，可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好

缺点：

受温度影响较大；响应速度不快，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响（光电二极管无此缺点，光电二极管灵敏度比光敏电阻高）

（2）PIN光电二极管

光电二极管的光探测方式有两种结构:

一是光伏模式,在这种模式下,光电二极管处于零偏状态,不存在暗电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量；二是光导模式，在这种模式下，需给光电二极管加反向偏置电压，存在暗电流，由此会产生较大的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合。

光电二极管的特点：

（1）反向电流随入射光照度的增加而变大,在一定反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压无关；

（2）在入射光照一定时，光电二极管相当于恒流源，其输出电压随负载电阻增大而升高；（3）光电二极管的暗电流很小，光电流较大。

光照下PIN光电二极管PN结的伏安特性为:

式中，为PN结的反向饱和电流，V为包括外电压和光电压的实际结电压；K为玻尔兹曼常数，T为探测器的工作温度。

由式子可以得出以为参量的伏安特性曲线，从图中可以看出光电二极管的反向输出电流与照强度成正比。

图2.2给出了PIN光电二极管的等效电路。

它包括光电流，暗电流，结电阻，结电容的并联。

其中暗电流对应于工作电压下没有光照时的输出电流，为串联电阻，其值远小于负载电阻，通常可以忽略。

图2.1PIN光电二极管伏安特性

在应用时，要求光伏探测器工作在线性范围内，因此必须保证>>>>，器件近似以短路方式工作。

短路电流I与入射到探测器上的光功率成正比，并且不受工作温度的影响。

图2.2PIN光电二极管的等效电路

（3）利用PIN光电二极管检查光信号

光电二极管的输出电流信号很小（在微安级）、信号频率范围大（从直流到1MHz方波）。

为了提取有用信息，必须先将该电流信号变换为电压信号，然后再进一步放大。

为获得最佳的效果，在电路设计时必须考虑高增益、低噪声及宽频带的要求。

①提高响应度与输出的线性

图2.3光电转换原理图

PIN光电二极管没有内部增益（即只有单位增益），因此他对光的响应度是不高的。

在单位增益中一个入射光子只产生一个电子的光电流。

根据波长,其最高量子效率（转换效率）为92%。

因此在使用时必须把光电二极管输出的电信号放大。

典型的光电转换电路如图2.3所示。

电路中光电二极管工作于光导模式,可探测微弱的光，另外运算放大器可以获得高达或更高的增益；因此，图2.3可有效提高光响应度。

实际上,这也是一个I-V变换器,由于负反馈的原因,运算放大器的等效输入阻抗为:

式中是运算放大器的开环输入阻抗，对场效应管输入的情形，Ω。

是开环放大倍数,一般大于106，将这些值代入上式可知的值很小，接近于0Ω（此时光电流与辐照光功率成良好的线性关系）。

又由于运算放大器的开环输入阻抗很大（虚断）,光电二极管的电流都流入了反馈电阻,故运放的输出电压为

其中是光电二极管的短路输出电流,其值与辐照光功率成正比,由此可见该电路的输出电压与入射光功率成良好线性关系。

②降低噪声

光电二极管、电阻及运算放大器等器件都存在散粒噪声、热噪声等。

放大器在放大光电二极管输出信号的同时将噪声也放大了，从而影响系统的分辨率。

反馈电阻在输出端造成的噪声分量为:

带宽可见，采用较大的光电二极管，反馈电阻较小的运算放大电路将使输出噪声减小。

随着频率的增加，的作用开始表现出来，信号电流的放大倍数开始下降，转折频率为。

而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同。

在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为

随着频率的增加，噪声增益曲线首先由于的作用开始升高，直至由于电容的作用而停止。

在高频段，噪声增益被限定在。

由此可见越大，越小，噪声的影响越小。

加入可限制高频段的噪声增益。

另外由于运算放大器存在着失调电压和失调电流，且随温度的变化而变化。

虽然失调电压和失调电流在电路调整时能加以补偿，但是温度漂移的影响将在电路的输出端形成噪声。

为降低放大电路的输出噪声，需要选用输入失调电压温漂及输入失调电流温漂都较小的运算放大器，同时选用值大的光电二极管并尽量控制温度变化范围。

③放大电路频带宽度与响应速度的提高

光电检测电路的响应速度与光电二极管、运算放大器及应用状况有关系:

光电二极管的响应速度与他的有效工作区有关。

有效工作区小的器件响应速度快。

不同的运算放大器响应速度不同，要提高电路的响应速度，需要选择合适的运算放大器。

在应用电路方面，光导模式的响应速度比光伏模式快。

另外负载的大小与性质对响应速度也有影响。

负载电阻越大，响应速度越慢。

因此为提高电路的响应速度及带宽，除了选择合适的元器件外，还应在电路设计方面采取相关措施。

三、测量系统设计

1、整体电路设计

2、光路部分

光路部分选用马赫曾德干涉光路。

（原本的光路为迈克尔逊干涉光路，但是由于跟另一组所用光路相同，最后对光路部分进行了改变，同样可以测量干涉条纹的位移。

）干涉法射测量光波本身的相互干涉，计算两束光叠加后的明暗条纹，从中提取相位差，最终实现位移的测量。

下图为测量系统中的马赫曾德干涉光路结构示意图以及实际电路。

由激光器发射出一束激光，通过分束器分成两路光束，一路到达固定反光镜M1并反射；另一束光线再次通过分束器到达可移动（可进行微位移移动）的反光镜M2上并发生反射，最终两束光路经分束器汇合通过扩束镜放大得到最终的干涉条纹。

（*注1：

下图光路中，原本的马赫曾德干涉为两个反光镜、两个分束器组成的矩形光路，由于无法进行微位移，所以将其中的一个反光镜改为位移平台上的反光镜，在其光路中添加了一个分束器进行分光，使光线可以直接垂直入射到反光镜上并垂直反射。

）

（*注2：

由于微位移反射镜位置的改变，加入了一个分光器，使得可位移的一路光路光强减弱，所以，在固定反光镜M1的光路上，反光镜后加入了消光器，这样使得两路光线的光强相同或相似，最后出来的干涉条纹现象更加明显。

）

（*注3：

下图光路中，在两路光束汇合后应加入扩束镜放大，我们用了两个扩束镜，从前到后分别是针孔扩束镜和普通扩束镜。

原本用普通扩束镜进行扩束后，干涉条纹的光斑太小，远处的光斑可以放大，但是亮度不够。

由于PIN管接受界面较大，我们试了针孔扩束镜、普通扩束镜，最终将两种扩束镜前后分别放置，最后得到在近处的干涉光斑条纹间距大，亮度适合PIN管测量的位置。

）

3、电路部分设计

（1）前置放大电路（电流/电压转换）

（2）电压跟随器（电压稳定）

（3）去直流电路（高通滤波）

（4）滤波电路（低通滤波）

（5）两级放大电路（5~50倍放大）

（6）负电压电路（由于用电池供电，需要负电源）

4、软件部分设计

四、系统调试分析

1、光路部分

将马赫曾德干涉光路进行改进，改进完后可进行微位移测量。

2、电路部分

3、软件部分

五、结论

邓伟壮：

潘晗：

通过这一次的课程设计，学到了不