100m双频激光干涉仪光电检测系统研究

论文摘要

激光干涉测量技术以其非接触、可溯源、精度高的特点广泛应用于超精密加工与装备制造业中,随着科学技术的不断进步,对干涉测量技术的测量精度、测量速度与测量范围提出了更高的目标要求,为了满足测量需求,干涉信号的频差带宽不断加大、信号强度却逐渐减弱,并带来了相应的光电信号检测与信号处理技术的巨大挑战。本课题来源于黑龙江省科技攻关项目“100m双频激光干涉仪”,在阐述了激光光电检测技术现状,分析研究了现有光电检测技术优缺点的基础上,针对项目测量方案带来的检测信号频带宽,信号弱,相位差漂移等技术难点问题,设计了一种低噪,高频带大增益,低相位差漂移的光电检测方案,课题主要完成工作如下:(1)针对100m双频激光干涉仪采用的多波长分裂合成技术给光电检测系统带来的频率高、信号弱的问题,分析计算电路带宽增益积,压摆率等电路技术参数,通过优选器件,采用多级放大结构,实现了微弱信号放大处理;(2)针对光电检测系统频率高,带宽大导致模拟电路噪声难以抑制的问题,分析噪声来源及特点,采用噪声阻抗匹配、合理设计负反馈放大电路、优选放大器件和窄带划分方法抑制噪声,并提供高信噪比模拟通道,用以提高系统光电探测力和减小电路相位差扰动;(3)针对环境温度扰动带来的电路相位差漂移问题,设计基于DSP数字温控系统,通过小型的恒温阱的设计结合快速高精度的温控算法,对光电检测模块电路进行控温,消除了温度扰动对相位差漂移的影响;(4)针对高频电路中电磁干扰带来的相位差扰动问题,分析其产生原因及影响机理,结合本课题的电路特性进行了高频PCB电磁兼容性优化设计,解决了高频传输线阻抗匹配,线间串扰,空间电磁干扰等问题,提高了电路性能。本文在上述设计方案和硬件电路基础上,设计了相关的验证实验,实验结果表明:本系统光电探测能力达到0.050mW;电路信噪比可达到60dB;两板温度控制偏差0.1℃,处理100MHz信号时两板相位差扰动可达0.05°。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外激光干涉仪中光电检测现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 光电检测系统总体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 基于PIN 二极管光电转换电路
• 2.2.1 光电探测器性能分析
• 2.2.2 高频光电转换电路
• 2.2.3 光电转换电路噪声分析
• 2.3 基于分立元件低噪声前置放大器
• 2.3.1 噪声阻抗匹配
• 2.3.2 前置放大器选型及噪声分析
• 2.3.3 高速低噪前置放大器电路设计
• 2.4 高频大增益放大电路以及减小噪声的方法
• 2.4.1 高速低噪集成运放性能分析与器件选择
• 2.4.2 负反馈对放大电路噪声影响以及减小放大电路噪声的方法
• 2.5 回光功率对测相影响和克服方法
• 2.6 频带对信噪比的影响及提高电路信噪比的方法
• 2.6.1 频带划分法
• 2.6.2 LC 带通滤波器特性分析
• 2.7 基于低失真AD831 混频器的降频电路
• 2.8 噪声对过零比较的干扰及抑制方法
• 2.9 本章小结
• 第3章 光电检测系统PCB 电磁兼容性设计
• 3.1 引言
• 3.2 电磁屏蔽
• 3.3 阻抗失配对电磁兼容的影响及抑制方法
• 3.4 闭环电路产生电磁干扰与抑制方法
• 3.5 线间串扰与抑制方法
• 3.6 PCB 地线布局优化
• 3.7 电源线串扰与去耦电容
• 3.8 本章小结
• 第4章 PCB 控温系统
• 4.1 引言
• 4.2 数字控温系统与工作原理
• 4.3 温度传感器
• 4.4 TEC 功率驱动单元
• 4.5 热机构设计
• 4.6 数字PID 控制算法
• 4.6.1 PID 参数确定
• 4.7 本章小结
• 第5章 实验与数据分析
• 5.1 引言
• 5.2 光电检测系统探测能力实验
• 5.3 传输通道信噪比实验与分析
• 5.3.1 相同光功率下输入信噪比与放大电路输出信噪比
• 5.3.2 不同光功率下输入信噪比与放大电路输出信噪比
• 5.3.3 过零比较输入端信噪比对比
• 5.4 控温系统实验
• 5.4.1 PID 参数确定
• 5.4.2 温度一致性实验
• 5.5 参考电路与测量电路的相位差扰动实验
• 5.5.1 未加控温的相位差扰动实验
• 5.5.2 控温的相位差扰动实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢