提出了一种基于频分复用技术的激光反馈干涉二维动态位移测量方法。激光器输出的光被分为两路,分别以±1级自准直衍射角入射至反射光栅,并沿原光路返回至腔内产生激光反馈干涉效应。在±1级衍射光路中放置电光晶体对光束相位进行高频调制,利用频分复用技术实现二维动态位移的测量。实验结果表明,所提方法能够重构出物体的二维动态位移,位移分辨率可达10 nm量级。所提方案通过在激光反馈干涉仪中引入衍射光栅,提高了激光反馈干涉测量系统的稳定性和抗环境干扰能力,同时也为使用单光源进行多维度微位移测量提供了新的思路。

基于透射式激光空气隙干涉原理,建立微位移测量系统,实现纳米分辨率的物体微小位移测量。利用外加微小位移并将前后光强度相减的图像处理方法,有效地提高激光干涉图像的信噪比,将掩没于杂散噪声中的干涉条纹提取出来。实验结果表明,该系统的相对位移测量分辨率优于10 nm,绝对位移测量不确定度优于5%。该系统结构紧凑,安装、使用方便,测量分辨率达到nm级,可实现快速、便捷、稳定的测量,适用于临时性的高分辨率精密位移测量需求。

激光光源具有单色性好、 亮度高、 方向性强和相干性强等优势, 所以基于干涉原理对激光光谱进行积分可以应用于微位移测量领域。 在重力方法探测过程中, 因地质结构不同引起万有引力差异而造成的探测质量块位移十分微小, 通常为纳米级, 所以研制高精度纳米级微位移测量系统尤为重要。 然而传统电容位移测量法在防止电磁干扰等方面存在不足。 相比较而言, 光学干涉法具备抗电磁干扰、 环境适应性强等优点, 且精度不亚于电容法。 传统干涉系统光路复杂、 难于集成, 对重力仪的小型化与集成化不利。 所以研制一种结构紧凑的光学干涉系统用于实现纳米级微位移测量成为亟需。 基于可变相位延迟的激光干涉式方法, 能够实现亚纳米级微位移测量, 较传统干涉系统具备结构紧凑、 易于集成的优势。 本微位移测量系统由半导体激光器、 起偏器、 检偏器、 楔形双折射晶体组和光谱仪组成。 研究从以下方面展开: 首先是确定测量系统方案, 提出了偏振光干涉双路结构, 以楔形双折射晶体组作为核心器件, 将晶体间相对位移转化为o光和e光的差别化相位延迟, 并对激光光谱进行积分, 进而将位移变化转变为合成光强的变化; 其次是建立测量位移物理模型, 根据设计的双折射晶体组几何结构、 位移过程与光路, 确定光强变化与待测位移量之间的关系; 第三是系统参数优化, 为了使系统的测量误差和量程满足实际需求, 利用已建立的物理模型, 将测量误差和量程分别与晶体切割角度α、 激光器激射波长λ建立函数关系。 根据应用需求, 确定适当的误差和量程取值范围, 进而得到角度α和波长λ取值范围; 最后加工晶体、 搭建系统并进行测试。 具体即以α和λ为调控参量, 联合考虑“近似线性化”和“激光器光强波动误差”对系统量程进行优化仿真。 同样, 联合考虑“激光器光强波动误差”和“激光器波长波动误差”, 并利用“系统最大位移量”(与量程有关) 对系统测量误差进行优化仿真。 最终确定钒酸钇晶体切割角度α为20°, 激光器激射波长λ为635 nm。 实验中, 以10 nm为间隔利用压电陶瓷设置位移量进行位移测试, 包括: 系统的线性标定、 系统量程和测量误差测试。 另外, 在保持待测位置不变的条件下, 利用本位移测量系统进行了2 h不间断测量, 并通过阿伦方差确定了系统的位移探测下限。 实验结果表明, 位移量程范围大于150 nm, 位移测量误差约0.5 nm, 位移探测下限为0.32 nm@23 s, 探测线性度判定系数(R2)为0.999 85。 综上所述, 以自制楔形双折射晶体组作为核心器件的可变相位延迟激光干涉式微位移测量系统, 可作为重力探测中的质量块位移测量单元。 与电容法相比具有更强的环境适应性; 与传统干涉系统相比具有结构简易、 光路紧凑等优点, 便于重力仪的小型化与集成化。

动压气浮陀螺马达轴承间隙尺寸是决定其运转性能的重要指标。为提高轴承间隙测量的精度和自动化程度, 并实现快速批量测量, 研制了一台动压气浮陀螺马达轴承间隙自动测量设备。采用外部加力方式, 使转子体与定子产生相对位移, 从而将内部气膜间隙转化为外部微位移。设备整体结构采用模块化设计理念, 包括夹持模块、自动施力模块和位移测量模块。夹持摸块实现被测动压马达定子在两轴端的固定, 采用柔性支撑方式有利于保护被测件和保证施加力的平顺性; 自动施力模块主要由三维精密位移平台集成三轴测力传感器构成, 测量时转子体与力传感器通过夹指连接, 位移平台使转子体与定子产生相对位移, 三轴测力传感器则实现施加力的精确控制和定子的调中心控制; 测量模块由二维精密位移平台集成双电感测头构成, 基于相对测量原理实现微小位移测量。实验表明: 设备测量精度在0.3 μm以内。该设备可以实现外力的可控连续加载, 适用于批量测量。

为实现对微小位移的精确测量,提高位移精度,提出了基于表面等离子体共振的微位移光纤传感器。利用渐变折射率多模光纤中光束的传播角度随入射光位置的变化而变化的特性,结合表面等离子体共振传感器的共振波长对共振角度变化具有很高灵敏度的特性,实现对微小位移的精确测量。为满足共振条件,将渐变折射率多模光纤研磨成具有合适角度的楔形,精确控制渐变折射率多模光纤的长度,并将光纤探针浸入到一定折射率的液体中。通过630 nm单模光纤将白光光源从渐变折射率多模光纤的端面耦合到光纤探针中,搭建位移平台,精确控制单模光纤和渐变折射率多模光纤的径向相对位置,通过光谱仪检测共振波长随相对位置的变化规律。实验结果表明:当光纤研磨角度为12°,且液体折射率为1.350时,该传感器具有高达10.32 nm·μm ^-1的灵敏度,位移分辨率高达1.9 nm。

为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差, 采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法, 对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样, 获取多组光功率曲线, 在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线, 对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明, 在固定移相间隔为π/5、激光器波长为1550nm的情况下, 测量分辨率优于λ/20(77.5nm), 实际测量的绝对误差最大值为47.98nm, 峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。

对传统光电码盘测速的原理进行了介绍, 分析其精度较低的原因, 提出了基于激光自混合干涉技术的一种激光高精度码盘传感器, 并设计了数据采集系统。对自混合干涉的基本理论进行了阐述, 分析了基于条纹计数法激光测速的原理, 并搭建了基于条纹计数法的激光测速模型用于代替传统的光电码盘测速。实验研究了激光自混合输出与被测物体位移之间的关系, 实验结果表明基于激光自混合干涉技术的激光码盘在测量精度上比传统光电码盘有很大提高, 并且结构简单, 适用范围广。

为了测量散斑干涉条纹,从而计算出被测物体的微位移,提出了一种基于AT89S52芯片的解决方案。运用单片机驱动步进电机,精准控制光敏传感器的移动,利用传感器判定暗条纹中心,结合软件进行实时处理,获得再现干涉条纹间距。实验结果表明,该设计方案对散斑位移的测量精度可达0.001 mm。

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点, 可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析, 提出了详细的设计指标, 基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化, 给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm, 光谱范围为500~700nm, 线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息, 理论上精度优于2μm。