基于白光干涉的绝对距离测量方法的研究

论文摘要

随着工业的发展,产品的测量精度有待进一步提高,绝对距离的测量装置在近几年更是需要改善。为此本课题研究了一种基于白光干涉测量装置来测量绝对距离。本论文从理论研究和实用角度出发,深入研究了白光谱域干涉的原理和特性,介绍了通过分析白光干涉光谱进行绝对距离测试的方法。文章主要研究白光干涉测量系统:利用白光Michelson干涉仪组成的干涉系统,USB2000光纤光谱仪来接收与绝对距离相关的干涉光谱信号。文章详细论述了系统的测量原理、测量装置、数据处理及实验验证。在本论文研究的系统的最后输出信号只与干涉仪的臂长差有关,而与其在测量光路的相位无关,因此,该测量系统有效地提高了系统的抗振能力;同时,利用频谱域白光干涉原理提高了测量范围和抗干扰能力。本论文讨论了白光干涉谱分析基础上的绝对距离测量方法,利用光程差大于相干长度时进行谱域干涉的特性,提高了白光干涉法测量的动态范围。采用的白光干涉谱数据处理方法,从理论和技术上解决了白光干涉绝对距离测量技术中影响系统精度的核心问题,使系统达到了很高的精度。本文详细研究了仪器的组成部件、系统标定、测试结果、性能指标及影响因素。测试系统具有较高的测量分辨率,测试范围约为1~50微米,单次测量时间小于50ms;该测量结构紧凑,具有非接触性、非破坏性、快速检测、高精度、安全可靠等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 测量绝对距离技术概论
• 1.1.1 绝对距离干涉测量（无导轨测量）方法
• 1.2 绝对距离测量原理
• 1.2.1 可调谐半导体激光器测距及定位
• 1.2.2 光学倍程干涉法
• 1.2.3 白光干涉法
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的研究内容
• 第二章 白光干涉测量术
• 2.1 引言
• 2.2 光的干涉理论
• 2.2.1 波的叠加原理
• 2.2.2 两个频率相同振动方向相同的单色光波的叠加
• 2.2.3 两个不同频率的单色光波的叠加
• 2.3 光波的干涉条件
• 2.4 干涉条纹的可见度
• 2.5 光源非单色性的影响和时间相干性
• 2.5.1 光源非单色性的影响
• 2.5.2 时间相干性
• 2.6 白光干涉分析方法
• 2.6.1 白光迈克耳逊干涉仪
• 2.6.2 白光光源的光学特性及干涉特性
• 2.6.3 白光干涉的特征
• 2.6.4 时域白光干涉分析
• 2.6.5 频域白光干涉分析
• 2.7 处理白光干涉谱数据的极值法
• 第三章 绝对距离的白光干涉测量系统
• 3.1 引言
• 3.2 系统方案
• 3.2.1 绝对距离白光干涉测量系统的测量原理分析
• 3.2.2 系统模块
• 3.2.3 光程差和光强度分布
• 3.3 绝对距离计算的极值法原理
• 3.3.1 极值法原理
• 3.3.2 极值点位置的获取
• 3.4 绝对距离白光干涉测量测量实验系统
• 3.5 绝对距离白光干涉谱数据处理分析
• 第四章 测量绝对距离的白光干涉测量系统的性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 仪器性能参数
• 4.2.1 分辨率
• 4.2.2 动态范围
• 4.2.3 稳定性
• 4.3 性能影响因素分析
• 4.3.1 白光光源对测试的影响
• 4.3.2 平面镜的影响
• 4.3.3 光谱仪谱宽对测量精度的影响
• 4.3.4 影响因素总结
• 4.4 有关精度标定
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文