基于激光自混合干涉的微角度测量技术

论文摘要

角度测量是几何量计量科学的重要组成部分,在光学工程、机械、航空、军事等各个领域有着广泛的应用。随着科学技术的发展,对角度测量方法和测试精度提出了更高的要求。因此各种角度测试理论和方法不断出现,国内外许多部门和科研机构相继研究出各种角度测试仪器和设备,角度测量技术水平和测量精度不断提高,并且逐渐实现了测试过程的自动化。本文提出利用激光自混合干涉原理来实现角度的测量。外腔棱镜角度的变化引起的回馈光的光程每变化半个激光波长,输出激光功率变化一个条纹周期。经过反复实验总结出如何控制改变实验条件,得到疏密程度不同的自混合干涉条纹,来实现对被测物体旋转角度的测量。并且理论上推导出激光回馈光的光程与被测物体的角度的数学关系。为了验证提出的激光自混合干涉微角度测量方法,搭建了测量旋转平台微小旋转角度的实验系统。该系统采用了虚拟仪器技术,利用LabVIEW软件开发平台,实现了系统的控制、信号采集和处理。利用该系统对基于激光自混合干涉微角度测量技术进行了实验研究。对比了理论计算和实验所得到的自混合干涉条纹数完全相符合,也就是从实验上得到了一个自混合条纹对应于外腔的移动λ/2。我们使用傅里叶变换条纹位相分析法来对自混合干涉条纹进行位相分析,分析精度可提高。实验表明本方法的测量精度已到达10-6弧度,角度测量范围大约在-0.0007弧度到+0.0007弧度。通过对绝对零基准角的确定,还可以实现角度的绝对测量。利用激光自混合干涉原理测量微角度的方法,实现了步进电机驱动的旋转平台的重复定位误差的测量。测量了在不同驱动细分和不同测量方法下的实验数据和曲线,重复定位误差小于0.005°。最后分析了影响重复定位误差的因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 角度测量的应用背景及意义
• 1.2 角度测量的主要方法
• 1.2.1 机械式测角法
• 1.2.2 电磁式测角法
• 1.2.3 光学式测角法
• 1.3 本文拟采用方法和工作目标
• 第二章 激光自混合干涉基本理论
• 2.1 激光自混合干涉介绍
• 2.2 激光自混合干涉的特点
• 2.3 自混合干涉的基本理论
• 2.3.1 三镜F-P腔模型
• 2.3.2 反馈水平因子C的影响
• 2.3.3 SMI测量的相位灵敏度
• 2.4 自混合干涉应用研究进展
• 2.4.1 自混合干涉位移测量研究
• 2.4.2 自混合干涉速度测量
• 2.4.3 自混合干涉绝对距离测量
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光自混合干涉的微角度测量技术研究
• 3.1 测量角度的原理
• 3.2 系统的组成和设计
• 3.3 系统硬件组成的介绍
• 3.3.1 光源
• 3.3.2 硅光电池
• 3.3.3 信号调理电路
• 3.3.4 数据采集卡（DAQ）
• 3.3.5 精密电控旋转平台
• 3.3.6 步进电机驱动器
• 3.4 虚拟仪器技术及其应用
• 3.4.1 虚拟仪器概述
• 3.4.2 Labview的特点
• 3.4.3 Labview软件的使用
• 3.5 系统的软件设计
• 3.5.1 角度扫描采样
• 3.5.2 数据分析与处理
• 3.5.3 数据存储
• 3.6 自混合干涉信号的实验观察与分析
• 3.6.1 实验观察
• 3.6.2 结果分析
• 3.7 傅立叶变换条纹位相分析法
• 3.7.1 傅立叶变换位相测量原理
• 3.7.2 自混合干涉条纹的位相分析和绝对零基准角的确定
• 3.8 本章小结
• 第四章 测量步进电机驱动的旋转平台重复定位误差
• 4.1 测量原理
• 4.2 测量方法和实验结果
• 4.3 误差分析
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢