光干涉法對微振動的測量

時樂宇 紀延俊

摘要：本文充分分析了邁克爾遜干涉儀的原理，巧妙地結合了微小振動測量的方法，確立了邁克爾遜干涉儀測微小振動的方案，在參考光反射鏡前加一個凸透鏡，形成一個類似于貓眼的裝置——準貓眼動鏡，這樣使動鏡的反射光不會引起光束偏正度的變化，得到更好的條紋對比度。很好地實現了光干涉法對振動的測量，為測量微小振動提供了一個有效的技術支持。本文采用的檢測技術為檢測條紋移動變化技術，探測器發射一束光信號，利用其是否接收到反射信號來判斷條紋的暗亮，以高低電平表示，實現了信號的轉換。通過計算機對電信號進行仿真處理，得到信號圖和頻譜圖，從而提高了系統的測量精度。

關鍵詞：干涉；振動測量；信號轉化

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）45-0275-02

一、引言

機械振動在石油的勘探、發電機組的振動監測、各種機床的振動、鐵路和橋梁的振動分析等方面有廣泛的應用。隨著現代工程技術飛速發展，低頻微小振動的測量成為振動測量的主要研究方向之一[1]。

基于激光干涉原理進行的光學測量的激光干涉測量法是一種高精度的測量技術[2]。其測量的分辨率和穩定性可以根據實際的應用情況選擇適合的調制解調方法來提高。但是，激光干涉測量技術的測量精度受諸多因素的影響，使得理論與實際操作之間還存在較大的差距[3]。常見的高精度激光干涉測量法包括：零差激光干涉法[4]、外差激光干涉法[5]。

ZYGO公司的7705利用塞曼效應產生最大頻差為3.65MHz的雙頻，其測量分辨率可達1.24nm；ZYGO公司的7712利用聲光調制法獲得頻差為20MHz雙頻，其測量分辨率可達0.31nm[6]；Renishaw公司的ML10gold干涉儀測量分辨率可達1.24nm，測量范圍為80m[7]；英國Renishaw公司Agilent（HP）公司的5519B型外差激光干涉儀的測量范圍為±21.2m，測量分辨率可達1.24nm[8]。我國四川大學研制的線位移傳感器檢定儀測量分辨率可達1nm，測量范圍20nm[9]；北京航空材料研究院研制的光外差馬赫-澤德干涉儀具有良好的線性和重復性，其測量精度達3nm[10]；清華大學殷純永教授的研究小組研制的SJD5型雙頻激光干涉儀分辨率達到0.49nm[11]。

本文優化了光路的設計，設計了檢測條紋移動變化的方案，實現了光信號到電信號的轉換，提高了測量的速度和準確率，從而提高了系統的測量精度。

二、實驗原理

用邁克爾遜干涉儀可以觀察到等傾干涉圖樣和等厚干涉圖樣，基本光路如圖1所示。從光源S發出的一束光，經分束鏡G1的后表面分成光強近似相等的反射光束1和透射光束2；反射光束1射出G1后投向反射鏡M1，反射回來再穿過G1；光束2經過補償板G2投向M2反射鏡，反射回來再通過G2，在G1的后表面上反射。于是，這兩束相干光在空間相遇并產生干涉，M2經G1下表面所成的像M2'，因M1和M2'之間為空氣層，n≈1，則兩相干光束的光程差△為

△=2dcosδ （1）

當M1和M2嚴格平行時，形成等傾干涉，否則形成等厚干涉。無論是等傾還是等厚干涉，只要邁克爾遜干涉儀一條干涉臂發生移動時，就會有條紋的移動，M1和M2'之間的距離每增加（或減少）λ/2，視場中有一個條紋移過，所以測試光的反射鏡向一個方向發生振動時，干涉條紋就會朝相對應的方向移動，振動的頻率的快慢影響觀察點的明暗變化的快慢。測試光的反射鏡的情況與條紋變化情況一一對應，測量出條紋的變化情況即可得到對應的振動情況。

三、實驗設計

用函數信號發生器發出信號，將信號輸出到壓電陶瓷，壓電陶瓷將電信號轉化為振動信號，檢測光的反光鏡與壓電陶瓷連接，檢測光的光程隨壓電陶瓷的振動而變化，檢測光與參考光形成干涉條紋，干涉條紋隨檢測光與參考光的光程差的變化而變化，所以干涉條紋的變化即反映了壓電陶瓷的振動情況。光電檢測器檢測到條紋的變化情況，將條紋變化這一變化的圖像信號轉化為電信號。將轉化后的電信號輸入到計算機，通過計算機程序的運算，得出壓電陶瓷的振動信號。

四、實驗結果

用信號發生器作為激勵源，驅動納米振動平臺，調節信號發生器使納米振動平臺振動幅度為25納米，振動頻率為20赫茲，頻率為20赫茲時振動實驗干涉儀輸出信號為圖2所示。

五、結論

本文所用干涉儀的信號處理電路是針對連續的模擬信號進行分析處理，因此，在現有的示波器檢測精度下，測量干涉儀分辨率只由噪聲決定。首先對振幅為15納米、頻率為20赫茲的振動信號進行測量，然后再分析振動信號頻譜可得，此干涉儀能夠進行高信噪比測量，干涉儀振動信號信噪比為30dB，分辨率可達到1nm。從而驗證了本文提出的改進型邁克爾遜干涉儀用于低頻微小振動測量的可行性。

參考文獻：

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[11]高賽，殷純永，高測速雙頻干涉儀[J].光學技術，2001，26（3）：238-239.