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。

为了实现对工件表面形貌的非接触精密测量, 提出了一种基于光纤传感的表面形貌测量系统, 并对系统的测量原理和关键技术进行了研究。通过对光纤传感器发射光纤的出射光强进行建模分析, 找到光强调制函数与被测距离的对应关系。针对测量系统中光源的稳定性和工件表面反射率变化对形貌测量的影响, 提出了增加参考光路的补偿技术。实验结果表明, 标定的位移调制特性曲线具有较好的重复性, 重复性误差为3.82%, 且曲线前坡的线性区间为0.2～0.6 mm, 灵敏度为1.11 mW/mm, 在线性区间内进行微位移测量, 测量的平均绝对误差为2.8 μm, 对工件表面台阶高度标定值为100.0 μm 的台阶进行10次测量, 台阶高度的平均绝对误差为6.2 μm , 说明本测量系统能较好实现工件表面形貌的测量。

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。

为了实现对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)瓶胚壁厚实时、高效、高精度的测量, 采用理论仿真结合实验验证的方法, 以标称3.5mm厚型的PET瓶胚为例给出设计实例, 建立了PET瓶胚壁厚测量的光学模型, 根据光线追迹原理分析验证反射式光纤位移传感器在测量PET瓶胚壁厚中应用的可行性, 并利用LIGHTTOOLS软件进行仿真模拟, 最终设计出一种基于反射式光纤位移传感器对PET瓶胚壁厚实时测量的装置, 并进行了实验验证。结果表明, 实验装置的测量量程为3.20mm~3.80mm, 线性度为15.8%, 灵敏度为0.8448mV/μm, 该装置相比传统测量效率提高了30%以上。这对提高实际检测效率和精度具有参考应用价值。

针对大口径自适应副镜镜面变形量小、变化频率高、微变形难以精确测量的难题, 设计一种基于电容检测芯片Pcap01-AD和STM32F103的镜面变形检测系统。首先, 根据音圈电机驱动的变形镜的特点提出基于电容位移传感的变形镜微变形测量方案。然后, 进行该测量系统的硬件和软件设计, 其中硬件部分由电容检测芯片Pcap01接口电路、单片机STM31F103最小系统和供电部分构成, 软件部分包括实现电容数字信号采集的C程序设计、Pcap01-AD与单片机的通讯程序和数据处理程序。最后, 设计实验平台进行多次试验。试验测试结果表明, 在变形镜±50 μm的位移区间内, 测量灵敏度为200 pF/3 μm, 10 nm的位移量对应的电容变化为0.067 pF。该系统测量精度高、误差小、检测效率高, 能够用于自适应镜面的变形检测, 同时也适用于其他微小位移的检测。

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。

为提高测微电感传感器的测量精度, 提出了基于赫姆霍兹线圈理论设计螺线管线圈的方法, 改善了螺线管线圈内轴向上磁场的分布均匀性。首先, 分析了螺线管线圈模型, 建立了螺线管线圈参数与轴向磁场强度分布相互关系的广义函数模型。然后, 通过线圈与磁芯的尺寸确定了系统轴向磁场强度分布函数模型, 结合磁芯移动区间范围设置磁场均匀度最小误差目标函数, 通过对目标函数寻优得到各螺线管线圈的各项参数。最后, 搭建了测微电感传感器的测试系统, 测试了传感器性能。实验结果表明: 与传统线圈相比, 改进型螺线管线圈在100 μm测量范围内的线性度由0.46%提高到030%。实验显示通过对不同规格的螺线管线圈进行组合, 可使得螺线管内轴向上磁场强度分布均匀, 从而提高了测量精度。