激光干涉仪的细分技术_邓上
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在单频激光干涉仪中, 光电接收器接收的二个 相位差 90 的是电子细分和辨向的基础, 将这二个信 号整形、反向后, 用取沿口的办法可直接得到四细分 的信号( / 8) 。对于高倍细分, 一 般采用微机细分 的方法, 将正弦和余弦信号经 A/ D 转换为数字量, 利用正弦信号的符号、余弦信号的符号和正弦信号 与余弦信号的相对大小这样三个判断条件, 将一个 干涉信号的周期分为 8 个 45 的区间, 软件首先判断 即时干涉信号所属的区间, 然后将正弦和余弦信号 相除, 得到正切或余切值, 以此值查表( 反正切表或 反余切表) , 得到此时的干涉信号相位值, 达到细分 目的。若按 11. 25 间隔制表, 可达到 32 细分, 在标 准的 Machelson 干涉仪系统中, 分辩率达到 10nm。
2005 年第 39 卷 7
95
在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中, 频差( f 2 - f 1) 是不稳定的, 难以实现 对参考信 号的积分 处 理, 通常采用锁相倍频的细分方法, 图 4 为锁相倍频 的示意图, 不管输入频率 f 如何变化, 输出频率总是 保持输入频率的 N 倍即Nf , 当输出频率偏离此关系 时, 输出频率经 N 分频, 反馈到鉴相器, 与输入频率 比较后的相位差经滤波器到压控振荡器输入端, 控 制压控振荡器的输出频率, 从而保证其输出与输入 的比例关系。
图 5 基于纵向塞曼效应激光干涉仪的细分电路
在测量振动和极小位移的激光干涉仪系统中, 常用相位调制技术实现细分[ 3] , 如图 6 所示, 调制信 号经过窄带滤波器 NF 和相移器 FS 移相 90 , 此信号 作为基准信号。被调制的测量信号放大后在相位探 测器 PD 中比相, 低通滤波器 IP 输出为测量信号的 剩余相位, 运算后得到细分的当量值, 这种方法可以 得到极高的细分数。
4 郭彦珍, 邱宗明, 李 信. 激光 偏振干 涉光 路的非 线性 分 析计算. 1995, 16( 4) 作者: 邓 上, 高 级工 程师, 成都 工具 研 究所 规划 发 展
部, 610051 成都市
我国 ERW 钢管制造水平和技术 跨入同行业世界先进行 列
近日, 上 海中 油天 宝钢 管有 限公 司焊 管 生产 线建 成 投 产, 为国内焊管市场又增添了新品。
图 6 相位调制细分方法
光干涉仪的细分方法还有很多, 例如在单频激
光干涉仪中, 可以用电阻链细分方法; 在基于声光频 移的双频激光干涉仪中, 可以将测量信号与频差信 号、测量信号与移相 90 的频差信号分别混频, 得到 相位差为 90 的两路信号, 然后按单频激光干涉仪的 细分方法处理; 在基于塞曼效应的双频激光干涉仪 中, 可以采用测量剩余相位的方法实现细分等, 利用 两个相互垂直偏振光相干、其干涉信号为一个旋转 的线偏振光的特点实现细分, 在国内亦有大量的研 究, 并取得很好的效果[ 4] 。
1 光学细分[ 1]
激光干涉仪的光学细分方法是指利用动臂光路 的多次反射而实现的细分方法, 细分数是光束在动 臂中往返次数的二倍。如在 Machelson 干涉仪中, 光 束在动臂中往返一次, 实现了光学二细分, 分辩率为
/ 2。
图 1 四 细分光路
图 1 为 HP10706A 平面镜干涉 仪的示意图, R1 和 R2 为定镜, 动镜 M 为高精度平面反射镜, 动臂光 束第一次往返通过 1/ 4 波片 Q 时, 由 P 光转化为 S 光, 第二次则由 S 光转化为 P 光, 利用这样的偏振转 换使光束在动臂往返二次, 实现了光学四细分。
该公司一期 工 程投 资 4 5 亿 元, 引 进世 界 上 最先 进 的 ERW 610 直缝高频电 阻焊 管制 造技 术 和设 备, 建设 了国 内 第一 条 ERW 610 生 产 线, 它 可 以 生 产 外 直 径 为 219 至 630mm, 壁厚为 3 2~ 20mm 的直 缝高 频 电阻 焊接 钢管, 最 大 定尺长度 18m, 年产各类 ERW 钢管 30 万吨。产品 包括符 合 美国石油学 会( API) 5L 标准 的 X80 及以 下钢 级和 符 合 GB/ T9711 1 1997、GB/ T9711 2 1999 标准 的输 送 管, 符合 美 国 石油学会 5CT 标准的 H40、J55、K55 钢级的 石油套管 和符 合 日本 JIS3466 及 GB/ T6728 2002 标准的方 矩形结构 管, 其 中 方形管尺寸从 200 200mm2 到 500 500mm2 , 矩形管 尺寸 从 300 200mm2 到 600 400mm2, 壁厚 3 2~ 20mm。其中, 口 径 508 到 610mm 的钢 管填 补 了国 内 ERW 焊 管产 品 的一 项 空 白, 完全可以替代进口产品。该公司产品广泛应用于石油 天 然气、建筑、机械、化工、冶金、矿山、水电等多种行业。
基于声光频移的双频激光干涉仪的细分方法如 图 3 所示[ 2] , 参考信号( f 2- f 1) 积分为三角波, 测量 信号[ ( f 2- f 1) + f ] 转化为方波。在测量过程中, 测量方波的上升沿连续采样三角波, 并经 A/ D 转换 为数字量, 一套附加电路判断三角波的上升或下降 沿, 并以此校正采样值, 相邻二次采样值之差即为由 于动镜移动造成的相位差, 当相位差累计到 360 时 对应一个完整的干涉信号, 即标准的 Machelson 干涉 仪中, 动镜移动 / 2。整个过程实际是一个对多普 勒频移的积分过程。这种方法的细分数为 2n- 1, n 为 A/ D 转换器的位数。在使用 8 位 A/ D 转换器时, 系统的分辩率可达 1 2nm。
图 2 为 HP10716A 高分辩率干涉仪, Q1 和 Q2 为 1/ 4 波片, Q1 后表面镀有高反射膜, 同时作为干涉仪 的定镜。Q1 的后表面和 R2 反射动臂和定臂光束, 与前述相同, 利用 P 光和 S 光的相互转化实现动臂 光束的四次反射, 达到光学八细分。
2 电子细分
图 3 声光频移干涉 仪的细分方法
参考文献
1 Charles R Steinmetz. Performance evaluation of laser displacement interferometry on a precision coordinate measuring machine. Industry Metrology, 1991( 1) : 165~ 191
2 G E Eommargren. A new laser measurment system for precision metrology. Precision Engineering , 1987, 9( 4)
3 M Hageli, J Dual.Hetrodyne laser interferometer with phsase demodulation
图 八 细分光路
光学细分 是以牺牲干涉仪的测量 速度为代价 的, 光学细 分数即干涉仪测量 速度降低的倍 数, 在 HP 系 统中使用 HP10716A 高分 辩率干涉仪的测量 速度由 700mm/ sec ( HP5529A) 降到 175mm/ sec, 此外 光学细分的结构也过于复杂, 难以实现高倍细分, 因 此电子细分是激光干涉仪的主要细分方法。
图 4 锁相倍频电路
图 5 为典型的基于塞曼效应的双频激光干涉仪 的电路框图, 测量信号和参考信号经锁相倍频后的 频率为 N [ (f 2- f 1) + f ] 和 N ( f 2 - f 1) 的两列 脉冲, 为便于后续电路的处理, 用一高频信号将二列 脉冲同步, 使脉冲处于完全重合或者完全错开的状 态, 然后经过一个高速异或门逻辑电路实现此两列 脉冲的相减, 得到表征动镜位移的当量脉冲。这种 细分处理方法完全是由硬件完成的, 输出的当量脉 冲与实际位移之间只有硬件延迟, 所以可以在闭环 位置控制系统中作为测量元件, 实现实时控制。
在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中可以采用测量剩余相位的方法实现细分等利用两个相互垂直偏振光相干其干涉信号为一个旋转的线偏振光的特点实现细分在国内亦有大量的研究并取得很好的效果
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工 具技 术
激光干涉仪的细分技术
邓上
成都工具研究所
激光干涉仪通常采取 Machelson( 迈克尔逊) 干 涉仪形式, 由于反射器的作用, 直接接收的脉冲当量 为 / 2( 约 0 3 m) , 对于精密测量来说, 显然是不够 的。如何提高激光干涉仪系统的分辨率是激光干涉 仪中的重要技术, 有多种激光干涉仪的细分方法, 概 括起来为光学细分和电子细分两大类, 本文介绍了 几种典型方法, 并分析了各种方法的特点。
该公司成立于 2002 年, 是由 沈阳中 油天 宝( 集 团) 物 资 装备有限公司、中国石油天 然气管 道局、上海 市闵行 区浦 江 镇资产经营有限公司共同投资兴建的国 内第一家 ERW 钢 管 生产 企 业。 中 油 天 宝 焊 管 生 产 线 建 成 投 产, 标 志 着 我 国 ERW 钢管制造水平和技术 已跨入了同行业世界先进行列。
2005 年第 39 卷 7
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在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中, 频差( f 2 - f 1) 是不稳定的, 难以实现 对参考信 号的积分 处 理, 通常采用锁相倍频的细分方法, 图 4 为锁相倍频 的示意图, 不管输入频率 f 如何变化, 输出频率总是 保持输入频率的 N 倍即Nf , 当输出频率偏离此关系 时, 输出频率经 N 分频, 反馈到鉴相器, 与输入频率 比较后的相位差经滤波器到压控振荡器输入端, 控 制压控振荡器的输出频率, 从而保证其输出与输入 的比例关系。
图 5 基于纵向塞曼效应激光干涉仪的细分电路
在测量振动和极小位移的激光干涉仪系统中, 常用相位调制技术实现细分[ 3] , 如图 6 所示, 调制信 号经过窄带滤波器 NF 和相移器 FS 移相 90 , 此信号 作为基准信号。被调制的测量信号放大后在相位探 测器 PD 中比相, 低通滤波器 IP 输出为测量信号的 剩余相位, 运算后得到细分的当量值, 这种方法可以 得到极高的细分数。
4 郭彦珍, 邱宗明, 李 信. 激光 偏振干 涉光 路的非 线性 分 析计算. 1995, 16( 4) 作者: 邓 上, 高 级工 程师, 成都 工具 研 究所 规划 发 展
部, 610051 成都市
我国 ERW 钢管制造水平和技术 跨入同行业世界先进行 列
近日, 上 海中 油天 宝钢 管有 限公 司焊 管 生产 线建 成 投 产, 为国内焊管市场又增添了新品。
图 6 相位调制细分方法
光干涉仪的细分方法还有很多, 例如在单频激
光干涉仪中, 可以用电阻链细分方法; 在基于声光频 移的双频激光干涉仪中, 可以将测量信号与频差信 号、测量信号与移相 90 的频差信号分别混频, 得到 相位差为 90 的两路信号, 然后按单频激光干涉仪的 细分方法处理; 在基于塞曼效应的双频激光干涉仪 中, 可以采用测量剩余相位的方法实现细分等, 利用 两个相互垂直偏振光相干、其干涉信号为一个旋转 的线偏振光的特点实现细分, 在国内亦有大量的研 究, 并取得很好的效果[ 4] 。
1 光学细分[ 1]
激光干涉仪的光学细分方法是指利用动臂光路 的多次反射而实现的细分方法, 细分数是光束在动 臂中往返次数的二倍。如在 Machelson 干涉仪中, 光 束在动臂中往返一次, 实现了光学二细分, 分辩率为
/ 2。
图 1 四 细分光路
图 1 为 HP10706A 平面镜干涉 仪的示意图, R1 和 R2 为定镜, 动镜 M 为高精度平面反射镜, 动臂光 束第一次往返通过 1/ 4 波片 Q 时, 由 P 光转化为 S 光, 第二次则由 S 光转化为 P 光, 利用这样的偏振转 换使光束在动臂往返二次, 实现了光学四细分。
该公司一期 工 程投 资 4 5 亿 元, 引 进世 界 上 最先 进 的 ERW 610 直缝高频电 阻焊 管制 造技 术 和设 备, 建设 了国 内 第一 条 ERW 610 生 产 线, 它 可 以 生 产 外 直 径 为 219 至 630mm, 壁厚为 3 2~ 20mm 的直 缝高 频 电阻 焊接 钢管, 最 大 定尺长度 18m, 年产各类 ERW 钢管 30 万吨。产品 包括符 合 美国石油学 会( API) 5L 标准 的 X80 及以 下钢 级和 符 合 GB/ T9711 1 1997、GB/ T9711 2 1999 标准 的输 送 管, 符合 美 国 石油学会 5CT 标准的 H40、J55、K55 钢级的 石油套管 和符 合 日本 JIS3466 及 GB/ T6728 2002 标准的方 矩形结构 管, 其 中 方形管尺寸从 200 200mm2 到 500 500mm2 , 矩形管 尺寸 从 300 200mm2 到 600 400mm2, 壁厚 3 2~ 20mm。其中, 口 径 508 到 610mm 的钢 管填 补 了国 内 ERW 焊 管产 品 的一 项 空 白, 完全可以替代进口产品。该公司产品广泛应用于石油 天 然气、建筑、机械、化工、冶金、矿山、水电等多种行业。
基于声光频移的双频激光干涉仪的细分方法如 图 3 所示[ 2] , 参考信号( f 2- f 1) 积分为三角波, 测量 信号[ ( f 2- f 1) + f ] 转化为方波。在测量过程中, 测量方波的上升沿连续采样三角波, 并经 A/ D 转换 为数字量, 一套附加电路判断三角波的上升或下降 沿, 并以此校正采样值, 相邻二次采样值之差即为由 于动镜移动造成的相位差, 当相位差累计到 360 时 对应一个完整的干涉信号, 即标准的 Machelson 干涉 仪中, 动镜移动 / 2。整个过程实际是一个对多普 勒频移的积分过程。这种方法的细分数为 2n- 1, n 为 A/ D 转换器的位数。在使用 8 位 A/ D 转换器时, 系统的分辩率可达 1 2nm。
图 2 为 HP10716A 高分辩率干涉仪, Q1 和 Q2 为 1/ 4 波片, Q1 后表面镀有高反射膜, 同时作为干涉仪 的定镜。Q1 的后表面和 R2 反射动臂和定臂光束, 与前述相同, 利用 P 光和 S 光的相互转化实现动臂 光束的四次反射, 达到光学八细分。
2 电子细分
图 3 声光频移干涉 仪的细分方法
参考文献
1 Charles R Steinmetz. Performance evaluation of laser displacement interferometry on a precision coordinate measuring machine. Industry Metrology, 1991( 1) : 165~ 191
2 G E Eommargren. A new laser measurment system for precision metrology. Precision Engineering , 1987, 9( 4)
3 M Hageli, J Dual.Hetrodyne laser interferometer with phsase demodulation
图 八 细分光路
光学细分 是以牺牲干涉仪的测量 速度为代价 的, 光学细 分数即干涉仪测量 速度降低的倍 数, 在 HP 系 统中使用 HP10716A 高分 辩率干涉仪的测量 速度由 700mm/ sec ( HP5529A) 降到 175mm/ sec, 此外 光学细分的结构也过于复杂, 难以实现高倍细分, 因 此电子细分是激光干涉仪的主要细分方法。
图 4 锁相倍频电路
图 5 为典型的基于塞曼效应的双频激光干涉仪 的电路框图, 测量信号和参考信号经锁相倍频后的 频率为 N [ (f 2- f 1) + f ] 和 N ( f 2 - f 1) 的两列 脉冲, 为便于后续电路的处理, 用一高频信号将二列 脉冲同步, 使脉冲处于完全重合或者完全错开的状 态, 然后经过一个高速异或门逻辑电路实现此两列 脉冲的相减, 得到表征动镜位移的当量脉冲。这种 细分处理方法完全是由硬件完成的, 输出的当量脉 冲与实际位移之间只有硬件延迟, 所以可以在闭环 位置控制系统中作为测量元件, 实现实时控制。
在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中可以采用测量剩余相位的方法实现细分等利用两个相互垂直偏振光相干其干涉信号为一个旋转的线偏振光的特点实现细分在国内亦有大量的研究并取得很好的效果
94
工 具技 术
激光干涉仪的细分技术
邓上
成都工具研究所
激光干涉仪通常采取 Machelson( 迈克尔逊) 干 涉仪形式, 由于反射器的作用, 直接接收的脉冲当量 为 / 2( 约 0 3 m) , 对于精密测量来说, 显然是不够 的。如何提高激光干涉仪系统的分辨率是激光干涉 仪中的重要技术, 有多种激光干涉仪的细分方法, 概 括起来为光学细分和电子细分两大类, 本文介绍了 几种典型方法, 并分析了各种方法的特点。
该公司成立于 2002 年, 是由 沈阳中 油天 宝( 集 团) 物 资 装备有限公司、中国石油天 然气管 道局、上海 市闵行 区浦 江 镇资产经营有限公司共同投资兴建的国 内第一家 ERW 钢 管 生产 企 业。 中 油 天 宝 焊 管 生 产 线 建 成 投 产, 标 志 着 我 国 ERW 钢管制造水平和技术 已跨入了同行业世界先进行列。