基于邁克爾遜干涉原理的微小位移測量方法研究

閔渭興　張周強　胥光申　李曉飛

【摘 要】針對傳統(tǒng)邁克爾遜干涉測量位移精度較低的問題，本文提出了一種新型邁克爾遜干涉測量方法，該方法通過增加偏振分光棱鏡來提高干涉條紋的明暗變化，很大程度上克服了傳統(tǒng)邁克爾遜干涉靈敏度和測量精度較低的問題。實現(xiàn)了0.01mm微小位移的精確測量，且測量誤差為0.044%，測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，該系統(tǒng)可為后續(xù)的高精度測量提供寶貴的經(jīng)驗。

【關鍵字】邁克爾遜干涉;干涉條紋;激光干涉;測量位移

中圖分類號： TN247 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）29-0136-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.062

Study on the Measurement Method of Tiny Displacement Based on Michelson Interference Principle

MIN Wei-xing ZHANG Zhou-qiang XU Guang-shen LI Xiao-fei

（Xian engineering university ， Xian Shaanxi 710048， China）

【Abstract】In order to solve the problem of low displacement accuracy of traditional Michelson interferometric measurement， a new Michelson interferometric method is proposed in this paper. this method improves the light and dark variation of interference fringes by adding polarization splitter prism， and greatly overcomes the problem of low Michelson interferometric sensitivity and measurement accuracy. The accurate measurement of 0.01mm micro displacement is realized， and the measurement error is 0.044%. The performance of the measurement system is stable. The system can provide valuable experience for subsequent high precision measurement.

【Key words】Michelson interference; Interference fringes; Laser interference; Measuring displacement

0 引言

干涉測距系統(tǒng)具有極高的測量精度和較強的環(huán)境抗干擾能力，在設備的機械振動精密測量和物理缺陷檢測等方面，有著良好的借鑒價值和廣泛的應用前景。祝繼彬[1]利用光學倍頻方法延長了光路的光程差，從而提高了邁克爾遜干涉儀的靈敏度與精度。Archbold等人[2]通過采集激光照射在物體表面的散斑圖像來分析物體表面位移。杜振輝等人[3]提出了 一種基于激光光柵多普勒效應的微振動測量系統(tǒng)。

本文根據(jù)邁克爾遜干涉測量原理搭建了一種新型激光干涉測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過加載偏振分光鏡來改善條紋的清晰度并制作狹縫貼在光電探測器上以提高光電信號的采集精準度，調(diào)整光電探測器放大增益來提高干涉條紋光信號的穩(wěn)定性。

1 實驗裝置及原理

基于傳統(tǒng)邁克爾遜干涉測量原理，本文提出了一種新型激光干涉測量系統(tǒng)，在測量精度與準確度方面都得到了很大提升。其干涉原理如圖1所示，He-Ne激光器作為光源輸出一束具有線偏振態(tài)的激光束，被分光鏡按1：1的分光比分成兩束光，一束光 N1經(jīng)過反射鏡兩次反射，到達偏振分光鏡匯聚點，即作為參考光。另一束光N2穿過分光鏡和偏振分光鏡，并且經(jīng)過M1（被測反射鏡）反射到達偏振分光鏡匯聚點，即作為測量光。兩束光在匯聚點形成干涉，實現(xiàn)光強疊加得到干涉光。干涉光經(jīng)過S（凸面鏡）放大照射在被狹縫包裝的光電探測上，經(jīng)光電探測器將光信號轉換為電信號由示波器和上位機進行雙向數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)示意圖

當反射鏡M1產(chǎn)生位移時，干涉條紋會隨著位移移動而明暗相間的變化。位移變化量為[4]：

Δd=■N（1）

式中：Δd為圖中被測反射鏡M1位移L1的距離，λ為He-Ne激光器的激光波長，N為干涉條紋的變化數(shù)目。

在光電探測器探測中依據(jù)光電信號轉換原理，參考光與測量光在光電探測器中引起的電場強度分別為[5]：

■（2）

式中：f為He-Ne激光器輸出的光波頻率，φ1和φ2為兩束光的初始相位。E01和E02分別是參考光和測量光的振幅。

光電探測器接收到光場強度引起的轉換電流與兩束光干涉后光場強度的平方成正比關系，即：

I∝|E1+E2|2=■（E■■+E■■）+E01E02cos（Δφ）（3）

式中：Δφ為兩束光強的初始相位差。

2 實驗結果及分析

實驗分析，需要對采集的信號進行運算，并與真實值進行作比較，繪制測量值與真實值的曲線，觀測誤差大小。如圖2即為實驗中利用滑動導軌位移0.01mm的 6組實驗數(shù)據(jù)采集，并繪制測量計算值與實際位移值之間的偏差曲線圖，從圖中可看出測量計算值相對于真實值相對偏差不到0.0025mm。

圖2 測量值與真實值偏差點

繪制誤差曲線后需要對誤差進行計算，并對6組數(shù)據(jù)進行與真實值對比。從表1中可以看出提取出來的數(shù)據(jù)計算與真實值校對結果，得出相對的誤差值最大為0.145%。

表1 實驗結果誤差計算

3 總結

本文搭建了一套完整的邁克爾遜干涉測量系統(tǒng)，在原始系統(tǒng)中加載了偏振分光鏡、硅光電探測器以及狹縫來提高干涉條紋的采集精度和靈敏度，因此構成了一個新的測量系統(tǒng)，并使數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞静ㄆ饕约吧衔粰C中進行信號處理達到雙向的比較效果，根據(jù)示波器記錄并提取由位移所引起的干涉條紋電信號變化，然后在后續(xù)信號處理中對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，最后對條紋數(shù)進行運算得到位移。從實驗結果可以看出實現(xiàn)了0.01mm微小位移的精確測量，且測量誤差可達到0.044%，相比于傳統(tǒng)的測量微小位移的方法，本實驗有測量精度較高、設備成本較低、信號采集過程中產(chǎn)生噪聲能力較小等優(yōu)點，為在以后的干涉測量繼續(xù)提高精度中提供了借鑒。

【參考文獻】

[1]祝繼彬.提高邁克爾遜干涉儀靈敏度及精度的可能性[J].光學學報，1982（06）：573-576.

[2]Archbold E， Ennos A E. Displacement measurement from double-exposure laser photographs[J].Optica Acta： International Journal of Optics，1972，19（4）：253-271.

[3]杜振輝，李淑清，蔣誠志，陶知非，高華，謝艷.激光光柵多普勒效應微小振動測量[J].光學學報，2004（06）：834-837.

[4]LI R S，XU Q，YE W J.Design of force transducer based on michelson interference[J].Electro-Optic Technology Application， 2015，30（2）;83-86.

[5]秦文強.基于FPGA的激光多普勒測振的研究[D].中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所），2018.