激光技術(shù)論文范文
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第1篇
論文摘要：本文論述了激光探測(cè)系統(tǒng)信息接口技術(shù)；討論了激光探測(cè)接口的一般設(shè)計(jì)思想。
1引言
激光具有波長(zhǎng)單一和良好的方向性，所以和傳統(tǒng)的探測(cè)方法相比，激光探測(cè)具有精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光告警、激光制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別等軍事領(lǐng)域，都得到了廣泛應(yīng)用。針對(duì)不同武器系統(tǒng)的需求，激光探測(cè)系統(tǒng)接口呈現(xiàn)出多樣性。
近年來(lái)，隨著應(yīng)用需求和集成化度的增加，激光探測(cè)系內(nèi)部、激光探測(cè)系統(tǒng)和各武器平臺(tái)之間集成了不同廠商的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，由此帶來(lái)的異構(gòu)性給探測(cè)系統(tǒng)的互操作性、兼容性及平滑升級(jí)能力帶來(lái)了問(wèn)題。
對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)而言，接口技術(shù)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。一個(gè)激光探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施，有很大的工作量是在接口的處理上，好的接口設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行效率、升級(jí)能力等，本文以激光探測(cè)系統(tǒng)接口技術(shù)為研究對(duì)象，著重分析其接口技術(shù)類(lèi)型、設(shè)計(jì)考慮因素和驗(yàn)證方法。
2激光探測(cè)系統(tǒng)幾種主要接口技術(shù)
接口是多要素或多系統(tǒng)之間的公共邊界部分，對(duì)激光探測(cè)系統(tǒng)的接口包括機(jī)械接口、電氣接口、電子接口、軟件接口等，本文著重討論電子接口。按物理電氣特性劃分，常用的激光探測(cè)系統(tǒng)接口類(lèi)型可分為以下幾類(lèi)：
1TTL電平接口：最通用的接口類(lèi)型，常用做系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間接口信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)能力一般為幾毫安到幾十毫安，在激光探測(cè)系統(tǒng)中主要應(yīng)用是作為長(zhǎng)距離的總線數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸
2CMOS電平接口：速度范圍與TTL相仿，驅(qū)動(dòng)能力要弱一些。
3ECL電平接口：為高速電氣接口，速率可達(dá)幾百兆，但相應(yīng)功耗較大，電磁輻射與干擾與較大。
4LVDS電平接口：在標(biāo)準(zhǔn)中推薦的最大操作速率是655Mbps，電流驅(qū)動(dòng)模式，信號(hào)的噪聲和EMI都較小。
5GTL接口電平：低電壓，低擺幅，常用作背板總線型信號(hào)的傳輸，雖然使用頻率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比較陡，特別是對(duì)沿敏感的信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)。
6RS-232電平接口：為低速串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，電平為±12V，用于DTE與DCE之間的連接。RS-232接口采用不平衡傳輸方式，收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地的電平而言，其共模抑制能力低，傳輸距離近，多用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口通訊。
7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式傳輸，采用差分方式，使其在通訊速率、抗干擾性和傳輸距離較RS-232接口有較大改善。多用于多點(diǎn)接口通迅。RS485電平接口可驅(qū)動(dòng)32個(gè)負(fù)載，忍受-7V到12V共模干擾。
9光隔離接口：能實(shí)現(xiàn)電氣隔離，更高速率的器件價(jià)格較昂貴。
10線圈耦合接口：電氣隔離特性好，但允許信號(hào)帶寬有限
11以太網(wǎng)：經(jīng)常采用的是10Base-T和100Base-T兩種主流標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用激光探測(cè)系統(tǒng)和分系統(tǒng)之間的接口通訊和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)接口具有性?xún)r(jià)比高、數(shù)據(jù)傳輸速率高、資源共享能力強(qiáng)和廣泛的技術(shù)支持等眾多優(yōu)點(diǎn)。
12USB接口：USB總線接口是一種基于令牌的接口，USB主控制器廣播令牌，總線上的設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自身相符，通過(guò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)對(duì)主機(jī)作出響應(yīng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是安裝配置簡(jiǎn)單。
3激光探測(cè)系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)考慮因素
隨著大規(guī)模數(shù)字處理芯片和高速接口芯片的迅猛發(fā)展，激光探測(cè)系統(tǒng)也呈現(xiàn)出智能化、小型化、模塊化的趨勢(shì)。在激光探測(cè)系統(tǒng)中，信息接口的設(shè)計(jì)逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、多節(jié)點(diǎn)、高速等方向展
3.1接口信號(hào)傳輸中的干擾噪聲
3.1.1接口信號(hào)傳輸中的主要干擾形式
a)串模干擾：雜散信號(hào)通過(guò)感應(yīng)和輻射的方式進(jìn)入接口信道的干擾。串模干擾的產(chǎn)生原因主要是傳輸中插件等所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)、熱電勢(shì)等噪聲引起的。
b)共模干擾：干擾同時(shí)作用在兩根信號(hào)往返線上，而且幅指相同。共模干擾產(chǎn)生的原因，主要是傳輸線路較長(zhǎng)，在發(fā)送端和接收端之間存在著接地的電位差。
3.1.2接口信號(hào)傳輸中的抗干擾措施
a)傳輸線的選擇
為了抑制由于雜散電磁場(chǎng)通過(guò)電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)進(jìn)入信道的干擾，接口傳輸線應(yīng)盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地，而且屏蔽層的接地要于激光探測(cè)系統(tǒng)一端浮地的結(jié)構(gòu)形式配合，不要將屏蔽線層當(dāng)作信號(hào)線和公用線。
b)傳輸線的平衡和匹配
采用平衡電路和平衡傳輸結(jié)構(gòu)是抑制共模干擾的有力措施。目前廣泛使用的是差分式平衢性線電路，例如RS-422/RS-485標(biāo)準(zhǔn)串口電路。
接口信號(hào)傳輸時(shí)還要考慮與傳輸線特性阻抗的匹配問(wèn)題。一般長(zhǎng)線傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)器接收器都適用于驅(qū)動(dòng)特性阻抗為50Ω—150Ω的同軸電纜和雙絞線，一般接口接收器的輸入阻抗要比傳輸線的特性阻抗大，因此要設(shè)法將兩者匹配，最好將發(fā)送端和接收端匹配。
控制信號(hào)線的具體配置：控制信號(hào)線要和強(qiáng)電、數(shù)據(jù)總線、地址總線分開(kāi)，盡量選用雙絞線和屏蔽線，并將屏蔽層接地。
c)隔離技術(shù)：電位隔離是常用的抗干擾方法，接口信號(hào)采用光電隔離和電磁隔離可以切斷接口內(nèi)外線路的電氣連接，從而減弱露流、地阻抗耦合等傳導(dǎo)性干擾的影響。3.2接口硬件的選擇原則：
3.2.1為各類(lèi)接口選擇合適的總線接口芯片、接口總線，并設(shè)計(jì)具體的接口電路。
3.2.3選擇接口芯片時(shí)應(yīng)根據(jù)激光探測(cè)系統(tǒng)CPU/MPU類(lèi)型，總線類(lèi)型／寬度和系統(tǒng)所完成的功能并按照高效、經(jīng)濟(jì)、可靠，方便、簡(jiǎn)單的原則來(lái)確定。
3.2.4設(shè)計(jì)具體的接口電路應(yīng)具體考慮電源問(wèn)題
3.2.5數(shù)據(jù)／命令的鎖存和驅(qū)動(dòng)
激光探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部及激光探測(cè)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)間實(shí)施數(shù)據(jù)／命令傳輸時(shí)，一般采用數(shù)據(jù)鎖存技術(shù)來(lái)適應(yīng)雙方讀寫(xiě)的時(shí)間要求。
3.3接口的實(shí)時(shí)性
由于激光探測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求很高，設(shè)計(jì)時(shí)要使時(shí)鐘抖動(dòng)、通道間時(shí)延、工作周期失真以及系統(tǒng)噪聲最小化，所以設(shè)計(jì)接口時(shí)盡量選用高通訊速率和同步工作方式。
接口軟件的設(shè)計(jì)原則
同步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮數(shù)據(jù)流量的控制，最好在數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每隔一段時(shí)間插入一段空閑時(shí)間，從而保證數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
異步通訊系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要充分考慮合理的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式，可以根據(jù)系統(tǒng)要求選擇冗余校驗(yàn)、校驗(yàn)和、冗余校驗(yàn)的方法。
4激光探測(cè)系統(tǒng)接口方案設(shè)計(jì)驗(yàn)證
構(gòu)建高速有效的激光探測(cè)系統(tǒng)接口是非常有挑戰(zhàn)性的，并且設(shè)計(jì)者需要在設(shè)計(jì)接口前后就考慮多個(gè)因素，詳細(xì)的系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證都是必須的。
4.1設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證
基于指令集模擬器和硬件模擬器軟硬件模擬技術(shù)是一種高效、低代價(jià)的系統(tǒng)驗(yàn)證方法。接口設(shè)計(jì)軟件采用匯編，C，C++等語(yǔ)言編寫(xiě)，用戶(hù)編寫(xiě)的接口源程序經(jīng)過(guò)交叉編譯器和連接器編譯，輸入到軟件指令集模擬器進(jìn)行軟件模擬。而接口硬件驗(yàn)證則采用硬件描述語(yǔ)言如VHDL設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)編譯后由硬件模擬器模擬。但設(shè)計(jì)前的驗(yàn)證也有一定的局限性，比如只能驗(yàn)證數(shù)字接口和驗(yàn)證環(huán)境理想化等缺點(diǎn)。這些都需要設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
4.2設(shè)計(jì)后的驗(yàn)證
最常見(jiàn)的驗(yàn)證方法是制作模擬激光探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部接口和系統(tǒng)間外部接口的通用信號(hào)源，通用信號(hào)源可以模擬探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部的如主回波、時(shí)統(tǒng)、顯示、鍵盤(pán)等信號(hào)，也可以模擬輸入外部操控命令，并將激光探測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)、測(cè)量數(shù)據(jù)等信息顯示輸出。
4.3通過(guò)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)，然后再模擬，最終完成滿(mǎn)足要求的軟硬件接口設(shè)計(jì)。
第2篇
0引言
激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著大功率激光器的發(fā)展而興起的一種新的表面改性技術(shù)，是指激光表面熔敷技術(shù)是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化,光束移開(kāi)后自激冷卻形成稀釋率極低,與基體材料呈冶金結(jié)合的表面涂層,從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強(qiáng)化方法[1~3]。如對(duì)60#鋼進(jìn)行碳鎢激光熔覆后，硬度最高達(dá)2200HV以上，耐磨損性能為基體60#鋼的20倍左右。在Q235鋼表面激光熔覆CoCrSiB合金后，將其耐磨性與火焰噴涂的耐蝕性進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者的耐蝕性明顯高于后者[4]。
激光熔覆技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)效益很高的新技術(shù),它可以在廉價(jià)金屬基材上制備出高性能的合金表面而不影響基體的性質(zhì)，降低成本,節(jié)約貴重稀有金屬材料，因此,世界上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家對(duì)激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視[1-2、5-7]。
1激光熔覆技術(shù)的設(shè)備及工藝特點(diǎn)
目前應(yīng)用于激光熔覆的激光器主要有輸出功率為1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。對(duì)于連續(xù)CO2激光熔覆,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究[1]。近年來(lái)高功率YAG激光器的研制發(fā)展迅速,主要用于有色合金表面改性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,采用CO2激光進(jìn)行鋁合金激光熔覆,鋁合金基體在CO2激光輻照條件下容易變形,甚至塌陷[1]。YAG激光器輸出波長(zhǎng)為1.06μm,較CO2激光波長(zhǎng)小1個(gè)數(shù)量級(jí),因而更適合此類(lèi)金屬的激光熔覆。
同步注粉式激光表面熔覆處理示意圖[8]
激光熔覆按送粉工藝的不同可分為兩類(lèi):粉末預(yù)置法和同步送粉法。兩種方法效果相似,同步送粉法具有易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制,激光能量吸收率高,無(wú)內(nèi)部氣孔,尤其熔覆金屬陶瓷,可以顯著提高熔覆層的抗開(kāi)裂性能,使硬質(zhì)陶瓷相可以在熔覆層內(nèi)均勻分布等優(yōu)點(diǎn)。
激光熔覆具有以下特點(diǎn)[2、9]：
(1)冷卻速度快(高達(dá)106K/s),屬于快速凝固過(guò)程,容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無(wú)法得到的新相,如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。
(2)涂層稀釋率低(一般小于5%),與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過(guò)對(duì)激光工藝參數(shù)的調(diào)整,可以獲得低稀釋率的良好涂層,并且涂層成分和稀釋度可控;
(3)熱輸入和畸變較小,尤其是采用高功率密度快速熔覆時(shí),變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。
(4)粉末選擇幾乎沒(méi)有任何限制,特別是在低熔點(diǎn)金屬表面熔敷高熔點(diǎn)合金;
(5)熔覆層的厚度范圍大,單道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,
(6)能進(jìn)行選區(qū)熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能價(jià)格比;
(7)光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷;
(8)工藝過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
很適合油田常見(jiàn)易損件的磨損修復(fù)。
2激光熔覆技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
激光熔覆技術(shù)是—種涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、物理、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科的跨學(xué)科高新技術(shù)。它由上個(gè)世紀(jì)60年代提出,并于1976年誕生了第一項(xiàng)論述高能激光熔覆的專(zhuān)利。進(jìn)入80年代,激光熔覆技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,近年來(lái)結(jié)合CAD技術(shù)興起的快速原型加工技術(shù),為激光熔覆技術(shù)又添了新的活力。
目前已成功開(kāi)展了在不銹鋼、模具鋼、可鍛鑄鐵、灰口鑄鐵、銅合金、鈦合金、鋁合金及特殊合金表面鈷基、鎳基、鐵基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆鐵基合金粉末適用于要求局部耐磨而且容易變形的零件。鎳基合金粉末適用于要求局部耐磨、耐熱腐蝕及抗熱疲勞的構(gòu)件。鈷基合金粉末適用于要求耐磨、耐蝕及抗熱疲勞的零件。陶瓷涂層在高溫下有較高的強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性好,化學(xué)穩(wěn)定性高,適用于要求耐磨、耐蝕、耐高溫和抗氧化性的零件。在滑動(dòng)磨損、沖擊磨損和磨粒磨損嚴(yán)重的條件下,純的鎳基、鈷基和鐵基合金粉末已經(jīng)滿(mǎn)足不了使用工況的要求,因此在合金表面激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合涂層已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn),目前已經(jīng)進(jìn)行了鋼、鈦合金及鋁合金表面激光熔覆多種陶瓷或金屬陶瓷涂層的研究[1、10]。
3激光熔覆存在的問(wèn)題
評(píng)價(jià)激光熔覆層質(zhì)量的優(yōu)劣,主要從兩個(gè)方面來(lái)考慮。一是宏觀上,考察熔覆道形狀、表面不平度、裂紋、氣孔及稀釋率等;二是微觀上,考察是否形成良好的組織,能否提供所要求的性能。此外,還應(yīng)測(cè)定表面熔覆層化學(xué)元素的種類(lèi)和分布,注意分析過(guò)渡層的情況是否為冶金結(jié)合,必要時(shí)要進(jìn)行質(zhì)量壽命檢測(cè)。
目前研究工作的重點(diǎn)是熔覆設(shè)備的研制與開(kāi)發(fā)、熔池動(dòng)力學(xué)、合金成分的設(shè)計(jì)、裂紋的形成、擴(kuò)展和控制方法、以及熔覆層與基體之間的結(jié)合力等。
目前激光熔敷技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題是:
①激光熔覆技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的主要原因是熔覆層質(zhì)量的不穩(wěn)定性。激光熔覆過(guò)程中,加熱和冷卻的速度極快,最高速度可達(dá)1012℃/s。由于熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數(shù)的差異,可能在熔覆層中產(chǎn)生多種缺陷,主要包括氣孔、裂紋、變形和表面不平度[1]。
②光熔敷過(guò)程的檢測(cè)和實(shí)施自動(dòng)化控制。
③激光熔覆層的開(kāi)裂敏感性，仍然是困擾國(guó)內(nèi)外研究者的一個(gè)難題，也是工程應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化的障礙[1、11]。目前，雖然已經(jīng)對(duì)裂紋的形成擴(kuò)進(jìn)行了研究[1]，但控制方法方面還不成熟。
4激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景展望
進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來(lái),激光熔敷技術(shù)得到了迅速的發(fā)展,目前已成為國(guó)內(nèi)外激光表面改性研究的熱點(diǎn)。激光熔敷技術(shù)具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造與維修、汽車(chē)制造、紡織機(jī)械、航海[12]與航天和石油化工等領(lǐng)域。
目前激光熔覆技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果,正處于逐步走向工業(yè)化應(yīng)用的起步階段。今后的發(fā)展前景主要有以下幾個(gè)方面:
(1)激光熔覆的基礎(chǔ)理論研究。
(2)熔覆材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。
(3)激光熔覆設(shè)備的改進(jìn)與研制。
(4)理論模型的建立。
第3篇
在前面的分析中，本文具體討論了光學(xué)細(xì)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)動(dòng)距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)選取光學(xué)四細(xì)分的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。系統(tǒng)分為光路部分和信號(hào)處理部分。mW和0．5mW，反射鏡M4由硅片制成，其反射率大約為0．4。硅片反射鏡M4可調(diào)節(jié)反射方向。角錐棱鏡M1、M2和M3的型號(hào)為Agilent10767A，具有非常好的光學(xué)性能。測(cè)量導(dǎo)軌選用的是PI公司的M－5x1．DD型號(hào)。二維精密電控平移臺(tái)（直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)）單向重復(fù)定位分辨率達(dá)0．1μm，直線度參數(shù)為0．1μm／200mm，最高運(yùn)行速度50mm／s，量程為200mm。2個(gè)測(cè)量角錐棱鏡被安裝在導(dǎo)軌上，通過(guò)PI公司的控制軟件在計(jì)算機(jī)上對(duì)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)外腔長(zhǎng)度的改變。通過(guò)運(yùn)動(dòng)距離測(cè)量結(jié)果與PI導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)參數(shù)的一致性可驗(yàn)證測(cè)量方案的可行性。信號(hào)處理部分中，由PD探測(cè)到的激光自混合干涉信號(hào)首先由低噪聲前置放大器（Standford，SR560C）進(jìn)行濾波和放大，一路送入示波器而另一路接著由NI公司的數(shù)據(jù)采集卡（NI6251）進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。采集到的數(shù)字信號(hào)送入PC機(jī)中由專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件（LabVIEW）實(shí)現(xiàn)信號(hào)再次細(xì)分以及實(shí)時(shí)處理重構(gòu)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)距離。測(cè)量過(guò)程中，示波器可定性觀察光學(xué)細(xì)分的現(xiàn)象，而數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的處理可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)距離測(cè)量。
2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)在同一測(cè)量環(huán)境條件下進(jìn)行：恒溫（20℃±1℃），恒濕（50％±3％）。使激光器預(yù)熱2h，激光波長(zhǎng)穩(wěn)定在632．8334nm，讓導(dǎo)軌以某一速度勻速運(yùn)動(dòng)，然后對(duì)采集的信號(hào)加入電子五細(xì)分處理。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，由自混合干涉光路細(xì)分原理可知，一個(gè)條紋對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)距離為λ／8，將此波形通過(guò)閾值為0的比較器后得到對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，再將方波信號(hào)n細(xì)分，通過(guò)計(jì)數(shù)方波的個(gè)數(shù)來(lái)得到外部物體實(shí)際的運(yùn)動(dòng)距離。這樣處理后，可以得到的分辨率為λ／8n。一個(gè)周期內(nèi)的正弦波通過(guò)過(guò)零比較器整形成方波信號(hào)，五細(xì)分后的波形如圖7所示。這樣通過(guò)計(jì)數(shù)的方法就可以再次提高分辨率。此外，細(xì)分處理前對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行了整形，可以顯著增強(qiáng)對(duì)于疊加在自混合干涉信號(hào)上的高斯噪聲的抗干擾能力，使測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠。在數(shù)字域進(jìn)行細(xì)分時(shí)，將上面得到的方波信號(hào)改寫(xiě)成二進(jìn)制碼（1111100000），然后將其右移9次，將其奇數(shù)次和偶數(shù)次的右移結(jié)果兩兩異或，則可以得到（1010101010），即對(duì)應(yīng)的五細(xì)分信號(hào)及其互補(bǔ)信號(hào)（0101010101），實(shí)現(xiàn)了對(duì)原自混合干涉信號(hào)的細(xì)分。將PD探測(cè)到的微弱信號(hào)進(jìn)行電流－電壓（I－V）轉(zhuǎn)換后，變成電壓信號(hào)，經(jīng)高通電路去直流后，再經(jīng)放大電路放大，通過(guò)NI公司的數(shù)據(jù)采集卡USB－6251采集，在PC機(jī)上編寫(xiě)LabVIEW程序進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)處理。信號(hào)經(jīng)數(shù)字域電子細(xì)分后，進(jìn)行計(jì)數(shù)后就可以重構(gòu)并顯示物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)距離。測(cè)量實(shí)驗(yàn)使用PI精密導(dǎo)軌對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。導(dǎo)軌的移動(dòng)范圍設(shè)置為0～200mm，每次勻速步進(jìn)20mm，移動(dòng)速度設(shè)置為5mm／s，步進(jìn)10次，每次導(dǎo)軌的示數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)；該運(yùn)動(dòng)過(guò)程由電機(jī)自動(dòng)完成，系統(tǒng)對(duì)每次的步進(jìn)長(zhǎng)度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量記錄并給出實(shí)時(shí)誤差，連續(xù)記錄幾十組，選擇其中的5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)擬合曲線與誤差分析可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離有良好的線性關(guān)系，且重復(fù)性非常的好，實(shí)現(xiàn)了使用光學(xué)細(xì)分與電子細(xì)分相結(jié)合的方法對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。
3討論
激光器作為測(cè)量光路的一部分而不能成為一個(gè)獨(dú)立的、波長(zhǎng)穩(wěn)定的光源，其穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度有很大的影響。空氣折射率的變化和角錐棱鏡的直角誤差也會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)試精度。1）激光器頻率穩(wěn)定性帶來(lái)的累計(jì)誤差。實(shí)驗(yàn)中的氦氖激光器輸出光在空氣中傳播的中心波長(zhǎng)為632．8334nm，短期頻率穩(wěn)定性為1．5×10－6，因此，在沒(méi)有反饋時(shí)，激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定性為δλ＝λδν／ν≈0．9492×10－6μm。當(dāng)自混合效應(yīng)反饋系數(shù)很低時(shí)，頻率波動(dòng)極小。理論計(jì)算表明，當(dāng)外腔長(zhǎng)度在百毫米量級(jí)時(shí)，波長(zhǎng)穩(wěn)定度可以達(dá)到10－8的測(cè)量準(zhǔn)確度，測(cè)量不確定度小于0．4μm［9－10］。2）空氣折射率變化帶來(lái)的誤差。測(cè)量環(huán)境的初始條件：空氣壓強(qiáng)101325Pa，室溫20℃，濕度1333Pa。測(cè)量過(guò)程中，由溫度、濕度以及壓強(qiáng)傳感器可知，只有環(huán)境溫度會(huì)有最大不超過(guò)1℃的改變。因此得到折射率的變化為δn≈0．929×10－6。當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度為200mm時(shí)，測(cè)距不確定度小于0．3μm［9］。3）角錐棱鏡的直角誤差。角錐棱鏡的直角誤差會(huì)直接影響其對(duì)光路的反射特性。對(duì)于Agilent10767A型號(hào)的角錐棱鏡，其3個(gè)直角誤差δθ＜5″。玻璃的折射率為1．56，則測(cè)量長(zhǎng)度為200mm的測(cè)距誤差小于0．002μm［11］。由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在3個(gè)角錐，則測(cè)距不確定度應(yīng)小于0．006μm。由以上討論可以知道，影響測(cè)量精度的最大因素來(lái)自于激光的頻率的穩(wěn)定度。理論上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量分辨率可達(dá)到波長(zhǎng)的1／40。而實(shí)際上，受制于激光頻率的穩(wěn)定程度，在弱反饋條件下，百毫米量級(jí)運(yùn)動(dòng)距離的測(cè)量只能達(dá)到微米級(jí)的測(cè)量精度。
4結(jié)語(yǔ)
