移相干涉術(shù)(PSI)作為快速、非接觸的精密測量手段，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于光學(xué)零件、光學(xué)系統(tǒng)、精密表面檢測和其它一些與光程差參數(shù)相關(guān)的物理量的測量(如溫度場、密度場等)。它的基本測量原理是，通過攝像系統(tǒng)(CCD)接受到的干涉圖中空間坐標(biāo)已知的各個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)信號(hào)，在壓電晶體驅(qū)動(dòng)參考光程有序變化時(shí)，采集到多幅干涉圖的光強(qiáng)信號(hào)，由移相干涉法，由光強(qiáng)值得到被測光程差值(位相值)。通過嚴(yán)格控制環(huán)境條件(溫度、氣流、振動(dòng)等)，其理論光程差(位相)的最小分辨率可以達(dá)到nm的數(shù)量級(jí)。然而，由于干涉計(jì)量測試靈敏度高、精度高，對(duì)外界振動(dòng)非常敏感，使它的應(yīng)用范圍受到限制。為了進(jìn)一步拓展干涉儀的用途，發(fā)展移相干涉技術(shù)，本文結(jié)合導(dǎo)師的研究項(xiàng)目，在光干涉抗振技術(shù)方面做一些前瞻性、探索性的研究。 本文分析了干涉測量技術(shù)中存在的主要誤差來源，通過對(duì)通常環(huán)境下振源特性的分析，得到了對(duì)干涉測試影響較大的振源的頻率范圍主要在30Hz以下，確定了抗振補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)和技術(shù)指標(biāo)是使干涉儀的振動(dòng)頻率＜50Hz，振幅～1μm。創(chuàng)新性地提出了一種新的自適應(yīng)抗振技術(shù)——條紋細(xì)分測振技術(shù)，可以探測到很小(本文中為1／400個(gè)條紋間距)的條紋移動(dòng)量。建立了位相調(diào)制條紋細(xì)分技術(shù)的數(shù)學(xué)物理模型，提出了用硬件實(shí)現(xiàn)條紋移動(dòng)探測技術(shù)途徑。建立了一套閉環(huán)的自適應(yīng)抗振干涉測試硬件系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地探測干涉條紋移動(dòng)量和移動(dòng)方向。提出了填充脈沖數(shù)預(yù)設(shè)定的方法，可以將干涉條紋鎖定在任意設(shè)定的位相位置，實(shí)現(xiàn)了用PZT同時(shí)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)補(bǔ)償和移相測量；深入分析討論了PZT的延遲問題，創(chuàng)造性地提出了用多次逼近補(bǔ)償?shù)霓k法，給出了反饋補(bǔ)償?shù)乃惴ǎ鉀Q了補(bǔ)償過程中存在的系統(tǒng)不穩(wěn)定和過補(bǔ)償?shù)膯栴}。詳細(xì)分析了影響抗振效果的主要因素，定量地給出了其對(duì)結(jié)果的影響的大小。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了帶耦合系統(tǒng)的單模光纖導(dǎo)光系統(tǒng)，使光源和干涉儀主體的可以分離。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測試結(jié)果表明，本自適應(yīng)系統(tǒng)可以較好地補(bǔ)償50Hz以下的大振幅(條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間隔左右)振動(dòng)。即使在振動(dòng)較大的環(huán)境里，也可以實(shí)現(xiàn)干涉測量。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2002
【中圖分類】：TH744.3;TB535
【文章目錄】：
緒論
    1 課題的研究背景
    2 抗振干涉技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
    3 本論文的主要研究工作
1 抗振干涉技術(shù)的原理和發(fā)展?fàn)顩r
    1.1 移相干涉測量原理及其優(yōu)點(diǎn)
    1.2 移相干涉儀的誤差來源
        1.2.1 數(shù)據(jù)采集誤差
        1.2.2 光機(jī)誤差
        1.2.3 環(huán)境誤差
    1.3 振動(dòng)的影響
    1.4 抗振技術(shù)的研究動(dòng)態(tài)
        1.4.1 機(jī)電反饋式
        1.4.2 半導(dǎo)體激光器光反饋法
        1.4.3 聲光、電光調(diào)制反饋控制
    1.5 抗振干涉技術(shù)原理概述
    1.6 本章小結(jié)
2 振動(dòng)信號(hào)分析與抗振方法概述
    2.1 振動(dòng)信號(hào)的分類
    2.2 振源的類型與分析
    2.3 地面振動(dòng)的規(guī)律和振動(dòng)特征
        2.3.1 地面振動(dòng)的規(guī)律
        2.3.2 常見振源的振幅和頻率特性
            2.3.2.1 交通運(yùn)輸車輛引起的地面振動(dòng)的特征
            2.3.2.2 工業(yè)機(jī)器引起的地面振動(dòng)的特征
            2.3.2.3 地面脈動(dòng)
    2.4 振動(dòng)對(duì)干涉測試的影響
    2.5 減振技術(shù)
        2.5.1 隔振、消振和減振
        2.5.2 本文在采取的主動(dòng)抗振技術(shù)路線方面的考慮
    2.6 干涉測量中的自適應(yīng)原則
    2.7 本章小結(jié)
3 光干涉測試中抗振技術(shù)方案
    3.1 條紋細(xì)分測振技術(shù)探測干涉條紋移動(dòng)量和移動(dòng)方向的原理
        3.1.1 信號(hào)的采集和2路正交信號(hào)的獲取
        3.1.2 載波調(diào)制法
        3.1.3 鑒零和整形
        3.1.4 鑒相和脈沖填充
        3.1.5 干涉條紋移動(dòng)方向判斷
    3.2 抗振反饋控制方法
        3.2.1 DSP特點(diǎn)及其介紹
        3.2.2 反饋控制信號(hào)處理
        3.2.3 反饋控制過程
    3.3 本章小結(jié)
4 抗振補(bǔ)償原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和相關(guān)器件參數(shù)的測試分析
    4.1 振動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
    4.2 系統(tǒng)各組成部分描述和測試
        4.2.1 光纖導(dǎo)光系統(tǒng)
            4.2.1.1 單模光纖和單模條件
            4.2.1.2 數(shù)值孔徑
            4.2.1.3 光纖導(dǎo)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測試結(jié)果
        4.2.2 線陣光電三極管
    4.3 壓電陶瓷堆（PZT）參數(shù)測試的原理和方法
        4.3.1 干涉圖的Fourier分析
        4.3.2 測試流程圖
        4.3.3 測試系統(tǒng)總設(shè)備
        4.3.4 實(shí)驗(yàn)測試的電壓—位移曲線
    4.4 壓電陶瓷負(fù)載情況下的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性
        4.4.1 壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性的測量原理
        4.4.2 壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性測試結(jié)果
    4.5 電路處理系統(tǒng)
        4.5.1 光電信號(hào)采集和差動(dòng)放大系統(tǒng)
        4.5.2 信號(hào)細(xì)分和方向判別
    4.6 DSP反饋控制單元
        4.6.1 DSP反饋控制單元
        4.6.2 抗振系統(tǒng)控制工作流程
    4.7 本章小結(jié)
5 抗振系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
    5.1 抗振系統(tǒng)信號(hào)的調(diào)試和結(jié)果
        5.1.1 條紋間隔的調(diào)整
        5.1.2 載波調(diào)制信號(hào)
        5.1.3 加法器輸出信號(hào)
        5.1.4 帶通濾波器提取的信號(hào)
        5.1.5 鑒零器和鑒相器
    5.2 振動(dòng)測量結(jié)果的驗(yàn)證
    5.3 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果
        5.3.1 用等間隔變化的控制電壓驅(qū)動(dòng)PZT作為振源
        5.3.2 用手晃動(dòng)干涉儀作為振源
        5.3.3 信號(hào)發(fā)生器輸出控制電壓使PZT振動(dòng)作為振源
        5.3.4 條紋位置和條紋間隔對(duì)補(bǔ)償效果的影響
    5.4 補(bǔ)償系統(tǒng)的頻響特性參數(shù)測試
    5.5 移相測量實(shí)驗(yàn)
    5.6 探測器采采的信號(hào)質(zhì)量對(duì)測量精度的影響
        5.6.1 雜散低頻及剩余直流電平的影響
        5.6.2 信號(hào)幅度不等帶來的誤差
        5.6.3 兩路信號(hào)不正交帶來的誤差
        5.6.4 信號(hào)正弦性不好帶來的誤差
    5.7 其它誤差分析
        5.7.1 數(shù)據(jù)采集誤差
        5.7.2 光源的穩(wěn)定性誤差
        5.7.3 數(shù)據(jù)采集誤差
        5.7.4 移相誤差
        5.7.5 PZT的相位延遲帶來的補(bǔ)償誤差
        5.7.6 抗振系統(tǒng)量化誤差
    5.8 本章小結(jié)
6 全文總結(jié)
    6.1 本文的工作和創(chuàng)新點(diǎn)
    6.2 需要改進(jìn)的地方
7 博士在讀期間論文發(fā)表情況及獲獎(jiǎng)情況
    7.1 博士在讀期間論文發(fā)表情況
    7.2 博士在讀期間論文獲獎(jiǎng)情況
致謝
參考文獻(xiàn)

【引證文獻(xiàn)】

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2 烏蘭圖雅,陳磊;非對(duì)稱式壓電陶瓷微位移器驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J];南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年06期

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4 鄭薈民;基于光柵微位移檢測電路系統(tǒng)的研究[D];黑龍江大學(xué);2010年

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本文編號(hào)：2866685