激光干涉儀課程設(shè)計報告

1、<p>　　一種高分辨率雙頻激光干涉儀設(shè)計</p><p>　　雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與國內(nèi)外概況2</p><p><b>　　總體方案設(shè)計6</b></p><p><b>　　總體框圖6</b></p><p>　　雙頻激光干涉測量系統(tǒng)組成6</p><p

2、><b>　　測量電路設(shè)計9</b></p><p>　　1）初級光電轉(zhuǎn)換9</p><p>　　2）初級調(diào)理電路9</p><p>　　3）差分轉(zhuǎn)換和放大電路10</p><p>　　4）波形轉(zhuǎn)換電路11</p><p><b>　　5）細(xì)分電路12</b>

3、;</p><p>　　6）同步器電路14</p><p>　　7) 連續(xù)計數(shù)模塊15</p><p><b>　　8）顯示電路17</b></p><p>　　系統(tǒng)電路總圖(部分連線使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號)19</p><p><b>　　軟件設(shè)計20</b></p&

4、gt;<p>　　1)first piece：20</p><p>　　2)second piece：20</p><p><b>　　總結(jié)與展望25</b></p><p>　　系統(tǒng)最大的特點(diǎn)及優(yōu)勢25</p><p>　　誤差分析與補(bǔ)償25</p><p><b&

5、gt;　　綜述25</b></p><p><b>　　經(jīng)驗總結(jié)26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p>　　雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與國內(nèi)外概況</p><p>　　激光具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點(diǎn)，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，激光

6、技術(shù)已漸漸地被人們所接受和認(rèn)同。隨著激光干涉測量技術(shù)日漸成熟，激光的應(yīng)用領(lǐng)域也已十分廣泛，幾乎涉及到當(dāng)今科技的各個方面。尤其是在激光加工、激光測量、軍事上的應(yīng)用更是顯現(xiàn)出極大的優(yōu)勢與潛力。</p><p>　　激光器的出現(xiàn)，使古老的干涉技術(shù)得到迅速發(fā)展。激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種，單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的，最初用于檢

7、定基準(zhǔn)線紋尺，后又用于在計量室中精密測長。而雙頻激光干涉儀的發(fā)明使激光干涉儀最終擺脫了計量室的束縛，更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中。</p><p>　　雙頻激光干涉儀是七十年代初期由美國HP公司首先推出的，至八十年代中期十幾年時間內(nèi)幾乎壟斷了世界市場。雙頻激光干涉儀采用外差干涉測量原理，克服了普通單頻干涉儀測量信號直流漂移的問題，具有信號噪聲小、抗環(huán)境干擾、允許光源多通道復(fù)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得干涉測長技術(shù)能

8、真正用于實際生產(chǎn)。它可用于精密機(jī)床、大規(guī)模集成電路加工設(shè)備等的在線在位測量、誤差修正和控制，是激光在計量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一，也是工業(yè)中最具權(quán)威的長度測量儀器。</p><p>　　雙頻激光干涉儀是目前精度最高、量程最大的長度計量儀器，可以在恒溫，恒濕，防震的計量室內(nèi)檢定量塊、量桿、刻尺和坐標(biāo)測量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定，既可以對幾十米的大量程進(jìn)行精密測量，也可以對手表零件等微小運(yùn)動進(jìn)行

9、精密測量，既可以對幾何量如長度、角度．直線度、平行度、平面度、垂直度等進(jìn)行測量，也可以用于特殊場合，諸如半導(dǎo)體光刻技術(shù)的微定位和計算機(jī)存儲器上記錄槽間距的測量等等。雙頻激光干涉儀以其良好的性能、在很多場合，特別是在大長度與大位移的精密測量中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　八十年代后期，一些先進(jìn)工業(yè)國家也相繼推出了各具特色的雙頻激光干涉儀器，從而在國際市場出現(xiàn)了群芳爭艷的局面。目前國外生產(chǎn)激光干涉儀的公司有美國

10、的Agilent (前身為HP) 、ZYGO、光動、德國的耶拿爾（JENAer）、英國的Renishaw 等公司。</p><p>　　耶拿爾（JENAer）公司ZLM700雙頻激光干涉儀使用氦氖激光器，采用雙頻外差式工作模式。激光穩(wěn)頻精度為±0.002ppm，640MHz的頻差用于信號處理。這種高頻處理信號能夠?qū)Ω咚傥矬w進(jìn)行測量，不會出現(xiàn)干擾誤差，信號延時時間極短。采用光纖電纜，把來自干涉鏡的信號傳輸

11、到計算機(jī)卡槽連接的電子計數(shù)器上，避免了外部電磁環(huán)境對測量信號的干擾。因此，ZLM700雙頻激光干涉儀（ZLM700長度測量應(yīng)用的光路圖如圖1所示）特別適用于惡劣的生產(chǎn)環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)化實驗室和高真空環(huán)境。</p><p>　　圖1-ZLM700長度測量應(yīng)用的光路圖</p><p>　　表1[1] ZLM700主要參數(shù)</p><p>　　我國對干涉儀產(chǎn)品早已重視，從七十年

12、代中期開始研制雙頻激光干涉儀，至今已有30-40年的歷史。由于當(dāng)時國內(nèi)He—Ne激光器生產(chǎn)尚未成熟，全內(nèi)腔穩(wěn)頻激光器也無生產(chǎn)廠家，所以各單位都從開發(fā)激光器著手，并在七十年代后期都相繼試制出雙頻激光干涉儀。但由于激光器工藝不過關(guān)，激光器的壽命短，影響了儀器的推廣使用。八十年代中后期，由于熱穩(wěn)頻技術(shù)的日趨成熟，利用普通高壽命激光器作為干涉儀光源成為可能，提供了一條解決激光器壽命的途徑。</p><p>　　目前我國的

13、雙頻激光干涉儀主要產(chǎn)品是成都工具研究所有限公司研制的MJS系列激光干涉儀（圖2），該產(chǎn)品采用了進(jìn)口激光器和熱穩(wěn)頻技術(shù)，根據(jù)縱向塞曼效應(yīng)產(chǎn)生激光束。電路細(xì)分采用了獨(dú)特的鎖相倍頻和相位測量技術(shù)， 功能基本與HP5528A相似，同時根據(jù)國內(nèi)實際情況，增加了一些控制、檢測功能。 圖2-MJS系列激光干涉儀 </p><

14、;p>　　測量技術(shù)在不斷的發(fā)展，更新?lián)Q代。作為高精密測量儀器，雙頻激光干涉儀向著高精度、高分辨率、高測速等方向發(fā)展[2]。</p><p><b>　　1.高精度</b></p><p>　　目前半導(dǎo)體工藝的典型線寬為0.25μm，并正向0.18μm過渡，2009年的預(yù)測線寬是0.07μm。如果定位要求占線寬的1/3，那么就要求10nm量級的精度，而且晶片尺寸還

15、在增大，達(dá)到300mm。這就意味著測量定位系統(tǒng)的精度要優(yōu)于3×10的-8次方，相應(yīng)的激光穩(wěn)頻精度應(yīng)該是10的-9次方數(shù)量級。</p><p><b>　　2.高分辨率</b></p><p>　　僅依靠光學(xué)系統(tǒng)，普通干涉儀的只能達(dá)到半波長的分辨率，即0. 1μm 量級，目前的干涉儀產(chǎn)品通過電子細(xì)分的方法提高測量分辨率，可達(dá)到納米級精度。</p>

16、<p><b>　　3．高速度</b></p><p>　　制造業(yè)的發(fā)展迫切需要解決高速加工過程中運(yùn)動目標(biāo)的精密測量和定位，目前加工機(jī)械的速度已經(jīng)提高到1m/sec以上，上世紀(jì)80年代以前開發(fā)研制的儀器已不適應(yīng)市場的需求。例如惠普公司的干涉儀市場大部分被英國Renishaw所占領(lǐng)，其原因是后者的速度達(dá)到了1m/sec。</p><p>　　總體而言，我國干

17、涉儀由于基礎(chǔ)薄弱，發(fā)展較為緩慢。另外，我國儀器科技發(fā)展存在以下問題：(1)由于長期習(xí)慣于仿制國外產(chǎn)品，我國的儀器儀表工業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，跟不上科學(xué)研究和工程建設(shè)的需要。(2)我國儀器科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域積累了大量科研成果，許多成果處于國際領(lǐng)先水平，有待篩選、提高和轉(zhuǎn)化，但產(chǎn)業(yè)化程度很低，沒有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。很長時期內(nèi)，不乏在基礎(chǔ)研究取得突破性進(jìn)展，卻尚缺乏一個有效的轉(zhuǎn)化機(jī)制以進(jìn)入市場，這在很大程度上制約了我國制造行業(yè)的技術(shù)革新

18、和創(chuàng)造力，也是我國現(xiàn)階段未能躋身世界先進(jìn)水平的癥結(jié)所在。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的成熟，生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，加工精度的細(xì)化，對測量工具也提出了更高的要求。例如，隨著航空航天、重型機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、船舶工業(yè)的發(fā)展，對大尺寸測量的要求越來越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸達(dá)到十幾米甚至幾十米，精度要求達(dá)到IT7以上。目前實際應(yīng)用的測量手段仍以外徑千分尺、內(nèi)徑測桿等傳統(tǒng)測量工具為主，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。而激光技

19、術(shù)的快速發(fā)展為大尺寸精密測量開拓了嶄新的領(lǐng)域，然而目前我國使用的雙頻激光干涉儀主要由美國ＨＰ公司進(jìn)口，雖然國外雙頻激光干涉儀產(chǎn)品繁多且各具特點(diǎn)，足以滿足生產(chǎn)需求，但其售價卻十分昂貴。據(jù)統(tǒng)計，我國每年需引進(jìn)ＨＰ公司雙頻激光干涉儀10余臺，1988年每臺價格約為5萬美元，耗費(fèi)大量的財力，同時也不利于國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展。從表2足以看出我國的在這一領(lǐng)域與國外先進(jìn)水平的差距，也為了實現(xiàn)高分辨率、高精度、高測速的目標(biāo)，亟須進(jìn)一步深入拓寬，加強(qiáng)研究，爭取

20、早日研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的儀器，縮小與世界先進(jìn)水平的差距，任重而道遠(yuǎn)。</p><p>　　表2[3] 目前國內(nèi)外干涉儀產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)對比</p><p><b>　　總體方案設(shè)計</b></p><p><b>　　總體框圖</b></p><p>　　雙頻激光干涉測量系統(tǒng)組成</p>

21、<p>　　雙頻激光干涉測量系統(tǒng)主要由光路和電路兩大部分組成。</p><p>　　1）光路硬件部分由氦氖激光器、擴(kuò)束鏡、檢偏器、光電接收元件、干涉鏡等組成。</p><p>　　光路部分構(gòu)成如圖3所示：</p><p>　　圖3-雙頻激光干涉儀光路示意圖</p><p><b>　　激光器的選擇：</b>

22、</p><p>　　氦氖激光的優(yōu)點(diǎn)是很容易實現(xiàn)高穩(wěn)定性的連續(xù)波輸出，成本較低，故激光器的選擇0.6328微米紅光激光器[4]。</p><p><b>　　干涉鏡的選擇：</b></p><p>　　在雙頻激光測量系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，運(yùn)動精度要極高，因此采用了平面反射鏡干涉儀，R1和R2為定鏡，動鏡M為高精度平面反射鏡，Q1和Q2為1/4波片，

23、Q1后表面鍍有高反射膜，同時作為干涉儀的定鏡。Q1的后表面和R2反射動臂和定臂光束，利用P光和S光的相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)動臂光束的四次反射，達(dá)到光學(xué)八細(xì)分。采用上述平面反射鏡時，測量光束光程變化為反射鏡位移變化的8倍，與一般的雙頻干涉測量儀相比，精度提高了4倍。</p><p><b>　　2）軟硬件模塊</b></p><p>　　雙頻激光干涉測距系統(tǒng)后續(xù)信號處理包括硬件和

24、軟件兩部分。硬件部分由氦氖激光器、擴(kuò)束鏡、光電接收元件及信號處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)等組成；軟件部分包括軟件細(xì)分、運(yùn)算處理、顯示等。</p><p>　　如圖4所示，后續(xù)測量子系統(tǒng)由光電轉(zhuǎn)換、放大整形、電子細(xì)分、連續(xù)計數(shù)、單片機(jī)、數(shù)碼管顯示等部分組成。</p><p>　　圖4-雙頻激光干涉測距系統(tǒng)硬件模塊</p><p>　　硬件電路的主要功能是將圖3中通過檢偏器的兩

25、路信號(參考光信號和測量光信號)經(jīng)各自光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成后續(xù)電路可以處理電信號；然后將電信號放大整形，再進(jìn)行細(xì)分處理，來控制測量分辨力；最后對細(xì)分后的兩路信號進(jìn)行連續(xù)計數(shù)并有辨向功能，實時求出兩路信號的差值，送入單片機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/8激光波長）后即可得出可動反射鏡的位移量。</p><p>　　3）雙頻激光干涉儀原理 ：</p><p>　　雙頻激光干涉儀仍采用麥克爾遜干涉光路，即激

26、光束經(jīng)分光后分別經(jīng)參考臂、測量臂，回到分光鏡并發(fā)生干涉。與普通單頻干涉儀不同的是雙頻激光是由頻率不同、偏振方向各異的兩個分量組成。</p><p>　　雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上。在氦氖激光器上，加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生f1和f2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，它們的頻率差大約是1.5MHz左右。經(jīng) 1/4波

27、片后成為兩個互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路。從平行光管出來的這束光經(jīng)過析光鏡反射出一路作為參考光束通過45°放置的檢偏器。并由馬呂斯定律可知，兩個垂直方向的線偏振光在45°方向上投影，形成新的線偏振光（參考光束）并產(chǎn)生拍頻。這個拍頻頻率恰好等于激光器所發(fā)出的兩個光頻的差值即（f1-f2），約為1.5MHz。經(jīng)光電元件接受進(jìn)入前置放大器和計算機(jī)。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束，另一路成

28、為僅含有f2的光束。當(dāng)可動反射鏡移動時，含有f2的光束經(jīng)可動反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號表示移動方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動時會產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片 2</p><p>　　4）雙頻激光干涉儀的測量原理：</p><p&g

29、t;　　當(dāng)反射鏡隨被測對象一起移動時，產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使得f1發(fā)生變化。從干涉鏡射出并被測量光接收器接收到的光頻分別為f1±4Δf-f2和f1-f2。</p><p>　　通過與參考光接收器獲得的參考信號相比較，可得到f1的頻率變化Δf，該變化量包含了被測對象的運(yùn)動信息。在激光干涉儀中，測量光束的光程變化為測量反射鏡位移的8倍，多普勒效應(yīng)可用下式表示:</p><p>　??；

30、 （1）</p><p>　　式中：c為光速，v為測量反射鏡移動速度，f1為光頻。</p><p>　　上式對時間積分可得到反射鏡移動的距離L：</p><p>　?。?（2）</p><p>　　式中：λ1為測量

31、時刻激光的波長。</p><p>　　因為頻差的時間積分為累積的干涉條紋個數(shù)N(或與被測長度相對應(yīng)的脈沖數(shù))，所以上式可以化為：</p><p>　　； （3）</p><p>　　N為干涉條紋明暗變化次數(shù)；</p><p>　　以上即為雙頻激光干涉儀的測

32、量原理。</p><p><b>　　測量電路設(shè)計</b></p><p><b>　　1）初級光電轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　初級光電轉(zhuǎn)換電路將雙頻激光干涉信號由光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電轉(zhuǎn)換器件選擇的標(biāo)準(zhǔn)有：</p><p>　　響應(yīng)速度要快:兩個橢圓偏振光的頻率差范圍在幾百kHz到幾MHz

33、。所以要求光電探測器要有很高的響應(yīng)速度和足夠?qū)挼膸?，即要求光電探測器盡可能沒有失真或小的失真地將接收得到的光脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號。</p><p>　　噪聲要小:光電探測器在微弱的光信號條件下工作，光電探測器在光電轉(zhuǎn)換過程中所引入的噪聲大小直接影響到系統(tǒng)的性能。從光電探測器光電轉(zhuǎn)換輸出的信號的功率與噪聲功率之比，即信噪比來分析，要求光電探測器輸出的噪聲越小越好，而信噪比則越大越好。</p>&

34、lt;p>　　溫度穩(wěn)定性好:溫度變化對光電探測器件影響很大，溫度穩(wěn)定性直接影響到測量結(jié)果。</p><p>　　要與輸出激光波長相對應(yīng):不同的波長光電探測器的響應(yīng)度不同，所以要選一種對本課題所研究的拍頻信號響應(yīng)度高的器件，使測量效果更明顯。根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器件的不同特點(diǎn)和性能，最終選擇PIN管作為產(chǎn)品的元件。</p><p><b>　　2）初級調(diào)理電路</b>&l

35、t;/p><p>　　(1) 初級放大電路</p><p>　　由光電管輸出的信號為微弱的電流信號，需要轉(zhuǎn)化成為電壓信號。轉(zhuǎn)換而成的電壓約在幾十毫伏左右，需要進(jìn)行初級放大和處理，增加驅(qū)動能力以帶動后級電路，并且減少后級電路對前一級電路的影響。</p><p><b>　　(2) 射隨電路</b></p><p>　　射極跟隨

36、器是一種共集電極接法的電路，從基極輸入信號，從射極輸出信號，它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、輸入信號與輸出信號相位相同的特點(diǎn)。在本電路中使用兩個晶體管搭接兩個射隨電路，增強(qiáng)了電路帶負(fù)載能力和前后級阻抗匹配。</p><p>　　電路圖1 光電轉(zhuǎn)換及初級調(diào)理電路</p><p>　　（3）干涉信號的處理</p><p>　　由于發(fā)生干涉條紋對比度不為1并受到外界干擾，從

37、光電接收器輸出的信號中除含有交流成分外，還含有直流成分，所以必須首先調(diào)整信號中的直流分量[6]。為此采用如圖所示的直流電平調(diào)整電路。通過改變放大器同相輸人端的電壓，達(dá)到消去直流電平的目的。</p><p>　　電路圖2 直流電平調(diào)整</p><p>　　3）差分轉(zhuǎn)換和放大電路</p><p>　　差分放大電路，簡稱差放，它的功能是放大兩個輸入信號之差。它具有游移的抑

38、制零點(diǎn)漂移的特性，因而成為集成運(yùn)放的主要組成單元。它一般采用雙電源供電形式，可增加輸出信號的最大不失真輸出幅度，即擴(kuò)大電路的線性放大范圍。</p><p>　　典型的差分放大電路，要求兩個晶體管和相應(yīng)的兩個半邊電路完全對稱。差分放大電路對差模信號的放大能力強(qiáng)，對共模信號的放大能力弱(理想情況下無放大作用)。而溫度的變化同時作用在差分放大電路的兩個晶體管上，所以溫度對電路中晶體管的影響，相當(dāng)于給差分放大電路中加人了

39、共模信號，所以使用差分放大電路能抑制溫漂。為了放大正弦波形，抑制由溫度漂移產(chǎn)生的共模干擾，減小量誤差，并且為后繼電路提供較大的工作電流，首先將單端輸入改為雙端對稱輸入，然后本電路中選擇了兩級串聯(lián)差分放大電路，前一級采用雙輸入、雙輸出的結(jié)構(gòu)，后一級采用雙輸人、單輸出結(jié)構(gòu)(見電路圖3)。</p><p>　　電路圖3 差分放大電路</p><p><b>　　4）波形轉(zhuǎn)換電路<

40、/b></p><p>　　經(jīng)過差分放大后的頻率信號，電壓約在5 V左右，為了在后級電路中進(jìn)行傳輸，需要再將其轉(zhuǎn)化為與頻率相對應(yīng)的方波信號。相對于其它觸發(fā)比較器，使用555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器更能夠適應(yīng)電路的需要。施密特觸發(fā)器具有l(wèi)/3Vcc的回差電壓，能夠有效地消除輸入信號中毛刺的干擾。</p><p>　　電路圖4 555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器</p><

41、p><b>　　5）細(xì)分電路</b></p><p>　　本測量系統(tǒng)，由于其基準(zhǔn)長度為光波的波長 0.6328，若不進(jìn)行細(xì)分處理時，由式得其測量分辨力只能達(dá)到79.1?；谌?yīng)的雙頻激光干涉儀中，頻差(f2-f1)是不穩(wěn)定的，難以實現(xiàn)對參考信號的積分處理， 同時為了提高該測量系統(tǒng)的測量分辨力，在電路中加人了細(xì)分塊，通常采用鎖相倍頻的細(xì)分方法，將輸入的兩路信號進(jìn)行倍頻處理。這種細(xì)分處

42、理方法完全是由硬件完成的， 輸出的當(dāng)量脈沖與實際位移之間只有硬件延遲， 所以可以在系統(tǒng)中作為測量元件， 實現(xiàn)實時測量。</p><p>　　鎖相倍頻電路結(jié)構(gòu)如圖所示，此系統(tǒng)由4個主要部件——鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和n分頻器組成。n分頻器是反饋環(huán)節(jié)，也是細(xì)分環(huán)節(jié)，它將fo進(jìn)行n細(xì)分，分頻后的信號在鑒相器中與輸入信號fi進(jìn)行相位比較，輸出一個誤差電壓，經(jīng)環(huán)路濾波器抑制其中的高頻成分和噪聲后，輸出電壓Uo.壓控

43、振蕩器受Uc的控制，使其振蕩頻率fo向nfi趨近，當(dāng)fo=nfi時，環(huán)路達(dá)到平衡而鎖定，這樣fo和fi之間就實現(xiàn)了n倍頻。</p><p>　　圖5-鎖相倍頻電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　設(shè)倍頻數(shù)為m，在與未倍頻時相等的時間t內(nèi)，測得的差值為N1 ，則有</p><p>　　； （4）</p&

44、gt;<p>　　將式(4)代人式(3)得</p><p>　??； （5）</p><p>　　由上式可以看出測量的分辨力和倍頻系數(shù)m有關(guān)，當(dāng)倍頻數(shù)為m時，其分辨力將提高到原來的m倍。本系統(tǒng)分辨率要求為0.1nm，激光波長為632.8nm，光路已實現(xiàn)了8細(xì)分，故鎖相倍頻數(shù)應(yīng)設(shè)置為791，即m=791。</p>&l

45、t;p>　　本系統(tǒng)使用8254計數(shù)器充當(dāng)n分頻器，8254地址、控制總線由Intel8051單片機(jī)設(shè)置，地址通過74LS373進(jìn)行鎖存，其計數(shù)通道及端口地址分配見表2。因只需一個計數(shù)器口即可，故在此選擇計數(shù)器0，OUT端接至NE564的端口3和8051的P2.0端口，采用工作方式4，二進(jìn)制計數(shù)方式，計數(shù)初值設(shè)為791D，即1100010110B。8254對fo進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器0減到零溢出時，OUT輸出低電平信號，從端口P2.0輸

46、入，單片機(jī)重新設(shè)置計數(shù)初值，由此循環(huán)直到實現(xiàn)791分頻后電路進(jìn)入鎖存狀態(tài)（鎖相倍頻電路圖見電路圖5，部分端口用一對相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表示連線）。</p><p>　　表2 8254計數(shù)通道及端口地址分配</p><p>　　電路圖5 鎖相倍頻細(xì)分電路</p><p><b>　　6）同步器電路 </b></p><p>　　

47、測量信號和參考信號經(jīng)鎖相倍頻后的頻率為N×[(f2-f1)+4△f]和N×(f2-f1)的兩列脈沖， 為便于后續(xù)電路的處理， 用一高頻信號將二列脈沖同步， 使脈沖處于完全重合或者完全錯開的狀態(tài)，同步器電路結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　電路圖6 同步器電路</p><p><b>　　7) 連續(xù)計數(shù)模塊</b></p><p&g

48、t;　　系統(tǒng)要求對測量信號和參考信號兩路進(jìn)行連續(xù)計數(shù)，故本系統(tǒng)采用兩片計數(shù)芯片8254的四個16位計數(shù)器分別對兩路信號進(jìn)行計數(shù)，每路用兩個計數(shù)器進(jìn)行緩沖計數(shù)。如圖（部分端口用一對相同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表示連線）：P0作為數(shù)據(jù)口，為準(zhǔn)雙向口，P1.0，P1.1作為輸入口接8254計數(shù)通道的OUT輸出端，用于判斷中斷的來源，P2.7，P2.6分別作為first、Second片選信號,P2.0，P2.1作為計數(shù)器通道的選擇信號。 </p>

49、<p>　　電路圖7 計數(shù)器電路</p><p><b>　　8254端口分配表</b></p><p>　　附J-K觸發(fā)器的特性表</p><p>　　每片8254集成了三個16位計數(shù)器，在儀器開啟時，測量信號和參考信號同時進(jìn)入兩片8254中的四個計數(shù)器，但單片機(jī)并不開啟外部中斷，所以這時并不起到計數(shù)作用。在此模塊中，J-K觸發(fā)

50、器控制計數(shù)器的啟停(J-K觸發(fā)器特性見上面附表)，單片機(jī)首先清零J-K觸發(fā)器，這樣First 8254的GATE引腳為低電平，8254不工作。接下來設(shè)置First 8254，并設(shè)定初值。設(shè)置完成后，置1J-K觸發(fā)器，這時Second8254的GATE引腳同樣為低電平，不工作，這時設(shè)置Second 8254。這樣當(dāng)First 8254中任一個計數(shù)器減到零都會產(chǎn)生中斷，這時Second 8254計數(shù)器工作，直到減到零，F(xiàn)irst 8254觸

51、發(fā)計數(shù)。由于兩片計數(shù)器交替工作，所以計數(shù)上限可以到達(dá)很高，足以滿足本系統(tǒng)的范圍要求，即計數(shù)值到達(dá)106，每次計數(shù)溢出讀出的兩個計數(shù)通道當(dāng)前值進(jìn)行通過軟件辨向再疊加，計算結(jié)果由8051單片機(jī)中三個寄存器（24位，實際只用到其中20位）存儲并進(jìn)行數(shù)值計算。</p><p>　　由電路圖可以看出：若外部中斷0產(chǎn)生中斷，就是測量信號計數(shù)器計滿，這樣只需要讀出參考信號計數(shù)器的計數(shù)值即為兩路信號的差值；同樣若外部中斷1產(chǎn)生中

52、斷，就是參考信號計數(shù)器計滿，從而實現(xiàn)了辨向和直接算出頻差的功能并將差值讀入到單片機(jī)處理（疊加——由于計數(shù)是差頻的一個積分結(jié)果，故應(yīng)符合疊加原理，即將整個計數(shù)過程分段，每次記錄差值，最后疊加的值即為最后的計數(shù)結(jié)果）。當(dāng)First8254任一個計數(shù)器溢出后，都會硬件清零J-K觸發(fā)器，開啟下面的計數(shù)器，Second8254的工作原理和First 8254一樣，由此實現(xiàn)了連續(xù)計數(shù)的要求，最終的計數(shù)差值經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成實際的位移供輸出顯示。

53、</p><p>　　觸發(fā)器的時鐘連接到單片機(jī)的工作時鐘12MHz，在轉(zhuǎn)換速度上得到了保證，不會丟失脈沖。中斷脈沖用單穩(wěn)態(tài)221進(jìn)行了延伸，使其能夠達(dá)到單片機(jī)能夠識別的水平。</p><p><b>　　8）顯示電路</b></p><p>　　電路圖8 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　如圖所示（部分端口用一對相同的

54、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號表示連線），本系統(tǒng)采用共陰極7段數(shù)碼管，以到達(dá)107×0.1nm大小的位移顯示。通過8155H PA輸出實現(xiàn)7片數(shù)碼管的位選，端口地址分配如表3。8155H的選通信號由Intel 8051單片機(jī)的P1.7口輸出，控制啟停工作，同時通過PB0～PB7輸出數(shù)據(jù)，供LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　表3 8155H端口地址分配</p><p>　　系統(tǒng)電路總圖(部分連線使

55、用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號)</p><p>　　根據(jù)測量電路設(shè)計框圖，上圖從左至右分別為：光電轉(zhuǎn)換模塊、干涉信號處理模塊、差分放大模塊、波形轉(zhuǎn)換模塊、鎖相細(xì)分模塊、連續(xù)計數(shù)模塊以及LED顯示模塊，特別說明：由于在鎖相細(xì)分模塊已經(jīng)設(shè)計了環(huán)路濾波環(huán)節(jié)，故系統(tǒng)不再單獨(dú)設(shè)計濾波器。</p><p><b>　　軟件設(shè)計</b></p><p>　　軟件部分由Inte

56、l8051單片機(jī)編程控制，主要完成計數(shù)、細(xì)分、運(yùn)算、結(jié)果顯示等功能。本系統(tǒng)使用了兩片Intel8051，為敘述方便，在此標(biāo)號為first、second。</p><p>　　1)first piece：</p><p>　　作用：控制n分頻器的分頻數(shù)，即設(shè)置計數(shù)器8254的計數(shù)初值，程序流程如右下圖所示。</p><p><b>　　源程序：</b&

57、gt;</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 2000H</b></p><p>　　MAIN:CLR A;清零累加器A</p><p>　　A

58、CALL LOOP；調(diào)用8254初始化子程序</p><p>　　MOV P2，#0FFH;設(shè)置P2作為輸入</p><p>　　L1:JB P2.0,L1; 判斷P2.0是否為1</p><p><b>　　;為1繼續(xù)采集數(shù)據(jù)</b></p><p>　　LOOP:MOV DPTR，#7FFFH;指向控制字寄存器<

59、;/p><p>　　MOV A，#38H；設(shè)置計數(shù)器0工作方式</p><p>　　MOVX @DPTR，A；控制字送入控制字寄存器</p><p>　　MOV DPTR，#7FFCH；指向計數(shù)器0</p><p>　　MOV A，#17H；先寫入低8位值</p><p>　　MOVX @DPTR，A</p>

60、<p>　　MOV A，#03H；再寫入高8位值</p><p>　　MOVX @DPTR，A</p><p><b>　　CLR A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　END</b></p><p&

61、gt;　　2)second piece：</p><p>　　作用：為兩片8254提供計數(shù)初值以及脈沖中斷入口，進(jìn)行中斷程序處理，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果送入LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　該程序是單片機(jī)控制兩片8254，實現(xiàn)連續(xù)計數(shù)功能，以及對計數(shù)值進(jìn)行處理最后實現(xiàn)位移顯示的功能。其中，LED數(shù)碼管顯示模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊分別設(shè)計成子程序，以便程序的調(diào)用。另外兩片8254計數(shù)器均設(shè)置為工作

62、方式5，即硬件觸發(fā)選通方式。在寫入方式控制字及計數(shù)常數(shù)值后，輸出OUT保持高電平，只有在門控信號GATE出現(xiàn)上升沿后才開始計數(shù)，計完最后一個數(shù)，輸出一個始終周期的負(fù)脈沖。計數(shù)過程尚未結(jié)束前重新觸發(fā)時，將使計數(shù)器自動恢復(fù)初值重新開始計數(shù)。選擇方式5使得軟硬件很好的結(jié)合在一起。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計：由于硬件電路已經(jīng)實現(xiàn)了兩片片8254的交替工作，無須再軟件控制，省去了很多工作，故Intel8051只

63、要采用中斷方式完成對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理工作，因而節(jié)省了CPU資源和提高了效率。在這個模塊中，8051的工作是在中斷方式下采集8254計數(shù)器的當(dāng)前值，從而得出計數(shù)差值，同時判斷出方向，進(jìn)而進(jìn)行疊加運(yùn)算得出結(jié)果。</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計：8051的P0口作為輸出口，硬件上通過一片8155H PB口進(jìn)行位選，段代碼由PA口輸出，通過查表的方式來輸出結(jié)果，由于采用了動態(tài)顯示的方式，在同一時刻，只有選通位顯

64、示出相應(yīng)的字符，而其它各位則是熄滅的，所以需要考慮到顯示時間問題，使得在同一時刻，所有字符同時顯示，這就是所謂的LED顯示器的余暉效應(yīng)和人言的視覺暫留作用，只要每位顯示間隔足夠端，則可造成多位數(shù)碼管同時亮的假象，達(dá)到同時顯示的目的。本系統(tǒng)采用了7位數(shù)碼管，程序假定顯示一位保持1ms時間，則顯示完所有7位之后，只需7ms。</p><p>　　程序框圖如右下圖所示：</p><p><

65、b>　　源程序：</b></p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p><b>　　LJMP MAIN</b></p><p><b>　　ORG 0003H</b></p><p><b>　　LJMP INT0</

66、b></p><p><b>　　ORG 0013H</b></p><p><b>　　LJMP INT1</b></p><p><b>　　ORG 1000H</b></p><p>　　/*主程序，完成計數(shù)器、中斷初始化等*/</p><p&g

67、t;　　MAIN: SETB EX0;允許外部中斷0</p><p>　　SETB EX1;允許外部中斷1</p><p>　　SETB IT0;外部中斷0跳沿觸發(fā)</p><p>　　SETB IT1;外部中斷1跳沿觸發(fā)</p><p>　　SETB EA;CPU開中斷</p><p>　　XOR P1,#18H;設(shè)

68、置P1.3，P1.4為輸入</p><p><b>　　CLR A</b></p><p>　　MOV A,#7DH</p><p>　　MOV P2,A;選通計數(shù)器并且清零J-K觸發(fā)器</p><p>　　MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#6AH;計數(shù)通道1，工作

69、方式5</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFDH</p><p><b>　　CLR A</b></p><p>　　MOVX @DPTR,A;設(shè)置計數(shù)初值</p><p>　　MOV DPTR,#BFFFH</p><p

70、>　　MOV A,#0AAH;計數(shù)通道2，工作方式5</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#BFFEH</p><p><b>　　CLR A</b></p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　MOV A,#7EH

71、 </p><p>　　MOV P2,A；置1J-K觸發(fā)器,開始計數(shù)</p><p>　　MOV 50H,#00H</p><p>　　MOV 51H,#00H</p><p>　　MOV 52H,#00H </p><p>　　MOV R2,#00H;由于First8254先開始工作</p>

72、<p>　　HERE1:MOV 30H,#05H</p><p>　　HERE:PUSH 50H</p><p>　　MOV A,P1;記錄P1端口值，用于判斷哪個計數(shù)器產(chǎn)生中斷

73、

74、 </p><p>　　CJNE R2，#00H，SEC;判斷兩片計數(shù)停止前一刻仍在工作的計數(shù)器</p>&

75、lt;p>　　MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道2當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFEH</p><p>　　ACALL ADDD;調(diào)用加法子程序</p><p>　　MOV DPTR,

76、#7FFFH</p><p>　　MOV A,#4AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFDH</p><p>　　ACALL SUBS;調(diào)用減法子程序</p><p><b>　　JMP EQUL</b>&

77、lt;/p><p>　　SEC: MOV DPTR,#BFFFH</p><p>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道2當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#BFFEH</p><p>　　ACALL ADDD;調(diào)用加法子程序</p><

78、;p>　　MOV DPTR,#BFFFH</p><p>　　MOV A,#4AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#BFFDH</p><p>　　ACALL SUBS;調(diào)用減法子程序</p><p>　　EQUL:POP AC

79、C</p><p>　　CJNE A,50H,HERE1;比較前后兩次計數(shù)值</p><p>　　DJNZ 30H,HERE;判斷前后5次計數(shù)值是否發(fā)生變化，若不發(fā)生變化則說明計數(shù)結(jié)束</p><p>　　ACALL SWAP;調(diào)用數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序，該子程序?qū)崿F(xiàn)過程未寫源代碼，在此簡述其原理將50H、51H、52H中的計數(shù)值轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，并分別用79H～7FH內(nèi)存單

80、元存放各個十進(jìn)制位，供LED顯示。</p><p>　　ACALL DISPLAY;調(diào)用LED數(shù)碼管顯示子程序</p><p>　　SJMP MAIN </p><p>　　/*顯示部分程序框圖如右圖所示*/</p><p>　　DISPLAY:MOV R0,#79H;置緩沖區(qū)指針初值</p><p>　　MOV R

81、3,#01H</p><p><b>　　MOV A,R3</b></p><p>　　LD0: MOV DPTR,#7F01H;8155H PA口，最左邊LED亮</p><p>　　MOVX @DPTR,A</p><p>　　INC DPTR;數(shù)據(jù)指針指向PB口</p><p><b&

82、gt;　　MOV A,@R0</b></p><p>　　ADD A,#0DH;加表格的偏移量，查詢段代碼</p><p>　　MOVC A,@A+PC</p><p>　　DIR1:MOVX @DPTR,A;顯示數(shù)據(jù)</p><p>　　ACALL DL;延時1ms</p><p>　　INC R0;顯示

83、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針指向下一個單元</p><p><b>　　MOV A,R3 </b></p><p>　　JB ACC.6,LD1;判斷是否掃描到最右邊的LED</p><p><b>　　RL A</b></p><p><b>　　MOV R3,A</b></p>

84、;<p><b>　　AJMP LD0</b></p><p><b>　　LD1:RET</b></p><p>　　TAB:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H</p><p>　　DB 6DH,7DH,07H,7FH,6FH;共陰極LED段代碼</p><p>　　DL:

85、MOV R7,#O2H;1ms延時子程序</p><p>　　DL0:MOV R6,#0FFH</p><p>　　DL1:DJNZ R6,#0FFH</p><p>　　DJNZ R7,DL0</p><p><b>　　RET </b></p><p>　　/*計數(shù)累加程序*/</

86、p><p>　　ADDD:MOVX A,@DPTR;讀取低8位</p><p>　　ADD A,50H;實現(xiàn)加法計數(shù)</p><p>　　MOV 50H,A ;結(jié)果存入50H</p><p>　　MOVX A,@DPTR;讀取高8位</p><p>　　ADDC A,51H </p><p>　　M

87、OV 51H,A ;結(jié)果存入51H</p><p><b>　　MOV A,52H</b></p><p>　　ADDC A,#00H </p><p><b>　　MOV 52H,A</b></p><p><b>　　RET</b></p><p>

88、<b>　　/*計數(shù)值相減*/</b></p><p>　　SUBS:MOVX A,@DPTR;讀取低8位</p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p><b>　　MOV A,50H</b></p><p>　　SUB A,R2;實現(xiàn)減法計數(shù)</

89、p><p>　　MOV 50H,A ;結(jié)果存入50H</p><p>　　MOVX A,@DPTR;讀取高8位</p><p><b>　　MOV R2,A</b></p><p><b>　　MOV A,51H</b></p><p>　　SUBB A,R2;實現(xiàn)減法計數(shù)<

90、;/p><p>　　MOV 51H,A ;結(jié)果存入51H</p><p><b>　　MOV A,52H</b></p><p>　　SUBB A,#00H </p><p><b>　　MOV 52H,A</b></p><p><b>　　RET</b>

91、</p><p>　　/*外部中斷0處理程序*/</p><p>　　INT0：MOV R1，#00H;</p><p>　　JB ACC.4,FIRST;為1，則發(fā)生中斷的是First8254 </p><p>　　MOV DPTR,#BFFFH</p><p>　　MOV A,#4AH; </p&

92、gt;<p>　　MOV @DPTR,A；寫入控制字，讀取計數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV DPTR,#BFFDH</p><p>　　ACALL ADDD </p><p>　　SJMP F1;中斷返回</p><p>　　;FIRST原理同上</p><p>　　FIRST:

93、MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#4AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道1當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFDH</p><p>　　ACALL ADDD</p><p><b>　　F1:RETI</b>&

94、lt;/p><p>　　/*以外部中斷1舉例，程序流程圖如右圖所示*/</p><p>　　INT1:MOV R1,#01H</p><p>　　JB ACC.3,SECOND </p><p>　　MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道2當(dāng)前值<

95、/p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFEH</p><p>　　ACALL SUBS;調(diào)用減法子程序</p><p><b>　　SJMP F2</b></p><p>　　SECOND:MOV DPTR,#7FFFH</p><p

96、>　　MOV A,#8AH;寫入控制字，讀取計數(shù)通道2當(dāng)前值</p><p>　　MOV @DPTR,A</p><p>　　MOV DPTR,#7FFEH</p><p>　　ACALL SUBS</p><p><b>　　F2:RETI</b></p><p><b>　　E

97、ND </b></p><p><b>　　總結(jié)與展望</b></p><p>　　系統(tǒng)最大的特點(diǎn)及優(yōu)勢</p><p>　　針對氦氖激光器，根據(jù)雙頻干涉儀的原理，設(shè)計了雙頻激光干涉計數(shù)系統(tǒng)以達(dá)到測量微小位移的目的。本系統(tǒng)最為巧妙之處在于對差頻的計算轉(zhuǎn)化為對時間的積分過程，最終轉(zhuǎn)換為對脈沖信號的計數(shù)，這是貫穿整個系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)和

98、關(guān)鍵所在。同時為實現(xiàn)系統(tǒng)分辨率以及測量范圍要求，設(shè)計了鎖相倍頻模塊和雙通道緩沖連續(xù)計數(shù)模塊，對參考信號和測量信號進(jìn)行了791倍頻，并對其連續(xù)計數(shù)并通過單片機(jī)處理數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)換為實際的位移量。</p><p>　　在硬件設(shè)計時，考慮到鎖相倍頻電路的限制——分頻數(shù)為100～1000<3164（本系統(tǒng)實際的細(xì)分?jǐn)?shù)），故而采取了結(jié)合光路細(xì)分和電子細(xì)分的方法，但是光學(xué)細(xì)分有個明顯的缺點(diǎn)，即光學(xué)細(xì)分是以犧牲干涉儀的測量速

99、度為代價的，光學(xué)細(xì)分?jǐn)?shù)即干涉儀測量速度降低的倍數(shù)，故而難以實現(xiàn)高倍細(xì)分，所以本系統(tǒng)以電子細(xì)分為主，光學(xué)細(xì)分為輔的方式，先從光路上進(jìn)行8細(xì)分，再進(jìn)行鎖相791倍頻細(xì)分，理論上實現(xiàn)系統(tǒng)所需的分辨率。</p><p>　　總體測試電路設(shè)計部分，比較成功的是計數(shù)模塊的設(shè)計，即通過兩片8254的交替工作實現(xiàn)了連續(xù)計數(shù)的功能，又可以實現(xiàn)辨向的功能。對于8254中的兩個計數(shù)器，頻率較大的輸入信號計數(shù)值變化大，頻率小的計數(shù)值變化

100、小，若其中之一計數(shù)溢出或者計數(shù)結(jié)束，Intel8051讀取兩個計數(shù)器的當(dāng)前值，通過程序計算得出頻率差值，根據(jù)差值的符號判斷參考信號和測量信號頻率大小，從而實現(xiàn)反射鏡位移方向的判斷。</p><p>　　實驗：用于驗證雙頻激光計數(shù)系統(tǒng)所輸出的值是否正確。實驗設(shè)備有雙頻激光計數(shù)系統(tǒng)、微位移驅(qū)動臺、示波器、氦氖激光器。微位移驅(qū)動臺可以手動調(diào)節(jié)實現(xiàn)在0～lO0um連續(xù)移動，其核心部件為壓電陶瓷。</p>&

101、lt;p><b>　　誤差分析與補(bǔ)償</b></p><p>　　激光干涉測量精度受到多種因素影響。其測量誤差主要包括：①系統(tǒng)誤差，主要指受到激光干涉測量方法及測量系統(tǒng)元部件制造精度的限制，測量系統(tǒng)所存在的不可消除的誤差；②阿貝、余弦誤差，在測量系統(tǒng)安裝過程中，測量軸線與被測對象的運(yùn)動軸線之間的誤差角以及測量過程中被測對象多自由度運(yùn)動等形成的誤差；③環(huán)境誤差，干涉儀工作過程中，環(huán)境的波

102、動(空氣溫度、壓力及相對濕度的變化)引起空氣折射率的變化，由此導(dǎo)致的誤差；④延時誤差，由干涉儀測量電路延時、測量數(shù)據(jù)滯后所產(chǎn)生的誤差。</p><p><b>　　綜述</b></p><p>　　由于條件有限，無法進(jìn)行測試試驗，本文僅在理論上訴述了滿足儀器測量分辨率和量程要求的激光干涉測量系統(tǒng)的設(shè)計過程。首先，雙頻干涉系統(tǒng)仍然基于多普勒測速的原理。雖然多普勒測速本身

103、非常簡單，但直接測速，產(chǎn)生的信號是直流信號，用作測量很容易出現(xiàn)誤差。（當(dāng)物體開始運(yùn)動的時候，信號開始，當(dāng)物體停止的時候，信號消失）因此一般是引入載波來進(jìn)行干涉測長。概念是產(chǎn)生出一對相差頻率△f的激光f1和f2，然后利用分束器產(chǎn)生出f1i和f2i。f11和f21拍頻產(chǎn)生出強(qiáng)度信號△f，而f12和f22用作干涉光束，由于反射鏡的運(yùn)動，產(chǎn)生出多普勒信號f1-f2±△f，最后將兩個信號轉(zhuǎn)換成電信號鑒頻就測出頻率差△f。得到的信號對時間

104、積分，可以測出所求的目標(biāo)移動距離。緊接著，根據(jù)上述原理，設(shè)計了一系列后續(xù)的測量電路，旨在解決信號處理以達(dá)到系統(tǒng)要求。</p><p>　　這種測量技術(shù)一般是利用塞曼效應(yīng)實現(xiàn)的，因此其頻率差有限，通常在1～2MHZ，所以可測的速度上限大約是1.5m/s。本系統(tǒng)略顯不足的地方在于未設(shè)計閉環(huán)控制以及誤差補(bǔ)償?shù)却胧?，對影響系統(tǒng)的測量精度的因素由于本人技術(shù)水平有限，未能制定出有效的解決方案，故未在測量系統(tǒng)設(shè)計中涉及，在此簡

105、略說明。</p><p><b>　　經(jīng)驗總結(jié)</b></p><p>　　通過這次的課程設(shè)計，在一定程度上擴(kuò)展了我們的知識面、加深了我們對系統(tǒng)的認(rèn)識，也鞏固了我們對基礎(chǔ)理論的理解，進(jìn)一步提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力。</p><p>　　在課程設(shè)計中遇到來了一定的問題，經(jīng)過反復(fù)的研究，問題得到解決。在整個過程中，</p><

106、p>　　明白了之前學(xué)習(xí)中的很多盲點(diǎn)。針對設(shè)計中遇到的問題作如下總結(jié)。作為以后學(xué)習(xí)的經(jīng)驗和教訓(xùn)。</p><p>　　缺乏動手能力。平時學(xué)習(xí)理論知識，時間能力相對薄弱，出現(xiàn)眼高手低得情況，在實際操作中出現(xiàn)各種低級錯誤。</p><p>　　鍛煉分析問題解決問題的能力。從原理分析到系統(tǒng)設(shè)計過程中，要分析所實現(xiàn)的功能，如何將實際的問題抽象化，找出各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。如何取分析問題以及分析后如

107、何取解決問題是整個過程的關(guān)鍵，需要謹(jǐn)慎的思維和考慮問題的全面性。</p><p>　　形成知識體系。課程設(shè)計的全過程中梳理了平時課堂上的知識點(diǎn)，將其整理成一個清晰的脈絡(luò)，對平時學(xué)習(xí)的一個綜合運(yùn)用的過程。通過課程設(shè)計，找到自己薄弱的環(huán)節(jié)，進(jìn)而對其鞏固，加深對基礎(chǔ)理論的理解和運(yùn)用。</p><p>　　在課程設(shè)計的過程中，通過親身實踐和學(xué)習(xí)，雖然遇到很多困難，但通過老師和同學(xué)的幫助、指導(dǎo)下基本

108、得到了解決，也使自己對一些問題有了新的看法和認(rèn)識。此次課程設(shè)計也是檢驗學(xué)習(xí)成果的過程，讓我體驗到課堂學(xué)習(xí)與實際工作距離之遙遠(yuǎn)，并通過綜合分析，找出學(xué)習(xí)中存在的不足，以便為完善學(xué)習(xí)計劃，改變學(xué)習(xí)內(nèi)容與方法提供實踐依據(jù)。對我們控制系專業(yè)的本科生來說，實際能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，而這種實際能力的培養(yǎng)單靠課堂教學(xué)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須從課堂走向?qū)嵺`。這也是一次預(yù)演和準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計工作，通過課程設(shè)計，讓我們找出自身狀況與實際需要的差距，并在以后的學(xué)習(xí)期間及

109、時補(bǔ)充相關(guān)知識，為求職與正式工作做好知識、能力準(zhǔn)備。更重要的是通過對儀器開發(fā)流程的了解，進(jìn)一步激發(fā)了我們對專業(yè)知識的興趣，并能夠結(jié)合實際存在的問題在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　http://www.beidinghan.com/goodsid/goodsview/8020035.html.

110、</p><p>　　所睿，范志軍，李巖，張書練，雙頻激光干涉儀技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展，激光與紅外，第34卷第4期，2004年8月.</p><p>　　王虹宇，激光原理與應(yīng)用，No.19，2009年4月27日.</p><p>　　付志凱，張健，吳麗瑩，雙頻激光干涉儀的程控倍頻計數(shù)器設(shè)計，計量技術(shù)2008.No9.</p><p>　　齊永岳，趙美

111、蓉，林玉池，提高激光干涉測量系統(tǒng)精度的方法與途徑，天津大學(xué)學(xué)報，第39卷第8期，2006年8月.</p><p>　　鄧上，激光干涉儀的細(xì)分技術(shù)，工具技術(shù)，2005年第39卷No.7.</p><p>　　曲軍，激光干涉位移測量系統(tǒng)的環(huán)境誤差補(bǔ)償，航空發(fā)動機(jī)，2001年第3期.</p><p>　　張寶宜，邱宏安，蘇文濤，權(quán)璽平，基于CPLD的高精度位移測量電路的設(shè)

112、計與實現(xiàn)， 儀表技術(shù)與傳感器，2006.No.7.</p><p>　　余文新，胡小唐，鄒自強(qiáng)，一種高分辨率和高頻響的光柵納米測量細(xì)分方法，天津大學(xué)學(xué)報， 第35卷，第1期，2002年1月.</p><p>　　齊永岳，趙美蓉，林玉池，高精度激光干涉條紋細(xì)分系統(tǒng)，傳感器與微系統(tǒng)，2006年第25卷第8期.</p><p>　　羨一民，雙頻激光干涉儀的原理與應(yīng)用(一)

113、，1996年第28卷.</p><p>　　付志凱，張健，吳麗瑩，雙頻激光干涉儀的程控倍頻計數(shù)器設(shè)計，計量技術(shù)2008.No9.</p><p>　　海濤，曹家年，張鵬程，數(shù)字式干涉型光纖傳感器條紋細(xì)分辨向電路的實現(xiàn)，應(yīng)用科技，Applied Science and Technology，第32卷第10期，2005年10月.</p><p>　　王小兵，金鋒， 一種

114、改進(jìn)的全數(shù)字化鎖相環(huán)在光柵位置檢測中的應(yīng)用，儀器儀表學(xué)報，第25卷第4期.</p><p>　　裴中方，林玉池，趙美蓉，激光干涉準(zhǔn)直技術(shù)的研究，儀器儀表學(xué)報，第24卷第4期增刊，2003.8.</p><p>　　賀超，陳偉明，劉業(yè)異，用CPLD設(shè)計雙頻激光干涉儀比較器電路，微細(xì)加工技術(shù)，1998年第3期.</p><p>　　佚名，倍頻電路設(shè)計，高頻電路線路課程設(shè)