激光干涉法测量微位移的设计
电科1104班 刘海涛 学号:201011911422
位移的量值范围差异很大（在制造工业中nm-μm-mm 直至数十米；秒分度以下或几度至几十度），检测可以是接触式或非接触式，加之对检测准确度、分辨力、使用条件等要求不同，因此有多种多样的检测方法。
随着光学检测元件和精密制造工艺的提高以及电子元器件的发展，伴随计算机的更新换代和工业自动控制技术的不断进步，利用光电结合的方法是解决问题的有效途径，如光栅码盘、激光干涉法、三角法、光斑散射法，其测量精度高、反应速度快、易于实现数字化测量。在光学干涉测量法中，激光多普勒效应测量方法具有动态响应快、线性度好、测量范围大、精度高等许多独特的优点，得到了更加广泛的应用，有很好的发展前景。为了满足微位移测量的非接触、高精度等要求本文设计、制作了一种基于激光多普勒效应的测微位移系统，和传统的微位移测量仪器相比，其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高，并实现了对微位移的自动非接触测量。
干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。因此，由光接收器件光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值[1]。
干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，测量范围大，适用于实时动态测量而被广泛应用于位移测量。
目前干涉测量按测量对象不同大致可分为全息干涉测量、散斑干涉测量和光栅位移激光多普勒测量。随着科技的进步，对测量精度的要求越来越高，激光多普勒技术的非接触、高精度测量的优点使它得到蓬勃发展。激光多普勒测量有空间分辨率高、测量精度高、多普勒频移与位移成线性关系、动态响应快，信号用光来传递，惯性极小，可以进行实时测量、激光多普勒测量是非接触式测量，激光会聚的干涉体积小，即是测量探头在通常情况下对被测的流场和物体等没有干
扰等优点。通过比较，确定以多普勒效应为基础的激光干涉测量法为系统设计方案。
光路部分
任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，将使频率发生变化，这种频率变化称作多普勒频移。由被测物运动所散射的光的频移应当作为一个双重多普勒频移来考虑。光源发射一束光入射到运动物体表面(如图1所示)，运动物体相对于光源来说，相当于接收器，从光的多普勒效应考虑[15]，接收到的频率将随运动体的速度增加：
(1)
式中为光源辐射频率，u为运动物体表面速度，
为入射光和运动方向夹
角，c为真空中光速；运动物体又相当于一个发射天线，把接收到的辐射波
发射出来，在
方向的接收器也因多普勒效应，收到频率增高的光波信号为:
运动体
光源 接收器 (2)
式（2）中
因为在关心的速度范围内,对上面的展开式取一级近似
（3）
把式（3）带入（2）中得
忽略式中的高次项，得
（4）
所以速度为u的运动体产生的多普勒频移为
(5)
用同样方式可得到
(6）
即当光源和接收器都在运动方向一侧，并且运动物体与接收器做相向运动时，按收器接收的光频率增加，波长减小。当光线垂直入射并接受回波信号时，即θ=0，则
(7)
=
=
对式(7)两端时间积分得:
(8)
式中
为被测物体位移量，
为干涉条纹移动数,系统只要检测出条纹移动数
就可以得出被测物体的位移量。
光信号检测部分
1 混频技术
光混频技术即相干检测技术，或称为频率调制技术。假设有两列波，其中一列波表达式为合成波的振幅为
式(9)中，E1，E2是两入射波的振幅，
（9）
是两入射波的角频率，
另一列波表达式为
，则
是两入射波的初相位。当相差不是很大时，两列波叠加后表现为驻波列，
驻波的频率是两列入射波的频率之差，相当于在载波上施加了一个调制信号。当这一叠加波输入到平方律检测器时，检测器只能对合成波的强度起响应。根据式(9)有
(10) 式(10)所示的信号经过具有高频截止功能的光电检测器后，频率高于信号都不能通过，式(10)中的前三项只能输出其平均值。1/2 ，
的平均值是0，因此式(10)最终成为
(11)
的
的平均值是
放在光合成路径中的光电检测器，将产生调制在差拍频率上的电信号。下图给出了理论上光电检测器输出的信号波形图。
2 PIN光电二极管
光电二极管的光探测方式有两种结构: 一是光伏模式,在这种模式下,光电二极管处于零偏状态,不存在暗电流 ，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量；二是光导模式，在这种模式下，需给光电二极管加反向偏置电压，存在暗电流，由此会产生较大的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合[17]。
光电二极管的特点：(1)反向电流随入射光照度的增加而变大,在一定反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压无关；(2)在入射光照一定时，光电二极管相当于恒流源，其输出电压随负载电阻增大而升高；(3)光电二极管的暗电流 很小，光电流 较大。
光照下PIN光电二极管PN结的伏安特性为:
(12)
式中，为PN结的反向饱和电流，V为包括外电压和光电压的实际结电压；K为玻尔兹曼常数，T为探测器的工作温度。由式子可以得出以为参量的伏安特性曲线，从图中可以看出光电二极管的反向输出电流与照强度成正比。它包括光电流，暗电流，结电阻下没有光照时的输出电流，忽略。
，结电容
的并联。其中暗电流对应于工作电压
，通常可以
为串联电阻，其值远小于负载电阻