多自由度激光干涉空间惯性质量块位姿测量

鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据,进而服务于多种空间科学载荷的研究任务,提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路,利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型,考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差,推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷,提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明:数值计算的位移误差小于0.02 fm,且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大,算法具有更高的精度和更好的适应性。最后,分析了系统的误差来源,在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10μm且平行度小于2 mrad时,系统的姿态角测量误差小于0.017°,位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。

面向21世纪的双频激光及相关测量科学技术

测 2 1世纪初几种重要激光计量仪器的发展水平 :双频激光可输出近零赫兹到百吉赫兹的频差 ,频差的稳定性将达到 1 0 - 7,从而使相对测量干涉仪的测量速度获得提高 ;高精度、长距离的绝对测量得以实现 ;双频激光的发展使建立新的可溯源到光波长的波片测量基准成为可能 ;产生一种可直接传感位移的激光器 ,可在很大程度上取代电感测微仪 ;产生一种测角仪 ,可在几十度范围内达到 0 .0 1′分辨率 ;产生一种惯性振动测量仪器 ,分辨率达到纳米。

纳米级分辨率双频激光回馈位移测量系统

提出了一种基于双频激光回馈原理的高精度位移测量方法。在分析双频激光回馈测量原理的基础上,研究了双频激光回馈的基本现象并给出了理论依据,进一步的在回馈光学系统基础上,对两路正交的光回馈条纹利用电路进行细分处理:即四倍频细分产生大数计数及在一个大数脉冲内再进行小数细分,最后再将二者相结合。主要采用可编程逻辑器件FPGA和单片机设计信号处理电路,四倍频细分主要利用FPGA实现,小数部分主要通过单片机软件查表程序实现。全部电路并通过逻辑、时序仿真,验证了本方法的可行性。目前此系统满足高精度位移测量的要求。

高分辨率双频激光回馈的位移测量方法

在分析双频激光回馈测量原理的基础上,提出了一种基于双频激光回馈原理的高精度位移测量方法,研究了双频激光回馈的基本现象并给出了理论依据,进一步在回馈光学系统基础上,对两路正交的光回馈条纹,利用电路进行细分处理:即5细分和4倍频电路相结合,细分产生的计数脉冲最后送入单片机进行计算及显示.采用可编程逻辑器件FPGA和单片机设计信号处理电路,利用FPGA实现4倍频细分,利用电阻链细分实现5细分.全部电路通过逻辑、时序仿真,验证了本方法的可行性.目前此系统可满足高精度位移测量的要求.

He-Ne激光器功率调谐位移传感激光器

阐述了一种新型的He Ne激光位移传感器 ,具有自校准功能以及没有原理上的误差。利用频率分裂技术 ,将一个纵模间隔分为 4个宽度相等的区间 ,在这 4个区间内激光器具有不同的光功率输出。当一个频率移动过这样的一个区间 ,相当于激光器的一个腔镜移动了λ/ 8。可移动的反射镜与被测工件相连。这样 ,一支He Ne激光器变成了一个不用干涉现象的位移传感器 ,其测量范围可达 10mm ,测量精度可达 0 .0 79μm ,并具有判向的功能。

半外腔微片Nd:YAG正交偏振激光器及其在精密测角中的应用

设计了一种半外腔微片Nd∶YAG正交偏振双频激光器。把2个1/4波片置于激光谐振腔内,一个静止,一个作360°旋转,旋转引起2个1/4波片快轴之间的角度变化被激光器转化成激光2个频率之差的变化,从而输出可调谐的双频激光。采用琼斯矩阵对光在腔内的本征模进行分析,给出了双频频差的理论解释。讨论了一种体积小、分辨率高和可整周测量的新型Nd∶YAG激光测角仪的潜在前景。

高精度控制光电光栅刻划机的光栅外差干涉仪

为提高光电式光栅刻划机的控制精度,设计了一种自准直式激光光栅外差干涉仪的新型测量系统。以光栅衍射和偏振光学为理论基础,结合电子学的相关知识对系统进行了理论分析,设计了基准光栅,并进行了大量的实验研究。由实验研究可知,这种利用光栅的自准直衍射和以光栅栅距作为计量基准的干涉测量系统,具有受环境因素的影响低,结构简单、装调方便等优点;采用双频激光得到的测量信号增益大,信噪比高;该系统用于光栅刻划,得到的栅线间距刻划偏差优于10nm,在3mm行程内累积误差约为0.3μm。结果表明,该系统具有纳米级分辨力,用于实时测量控制系统,测量误差很小,完全达到了中阶梯光栅等特种光栅对刻划机的高精度分度要求。

大跨距、小步距法测量导轨系统的导轨直线度研究

在导轨系统中,导轨的直线度误差通常可利用自准直仪或电子水平仪,采用节距法来达到误差检定的目的。而节距法只对导轨副行程相对较大的导轨系统奏效,对于文中提到的两类小行程导轨系统而言,传统的节距法则无法实现测量。针对两类跨距大而行程范围相对较小的导轨系统,笔者基于导轨系统中导轨直线度、直线度运动误差、角运动误差三者之间的相互关系,提出以大跨距、小步距法测量该类导轨系统的导轨直线度;结合双频激光干涉仪和电子水平仪测量运动部件所得到的直线度运动误差,以及对应位置下的角运动误差,处理得到了导轨系统的导轨直线度。

双折射双频HeNe激光器功率调谐纳米测量研究

:提出一种基于双折射双频 He Ne激光器功率调谐特性的纳米测量原理。当双折射双频He Ne激光器谐振腔长变化时 ,利用分裂的两个频率的寻常光 (o光 )和非寻常光 (e光 )功率调谐特性实现大范围里 λ/2 (约为 0 .3μm)低分辨率的测量 ,在 λ/2范围里用 o光和 e光的等光强点实现纳米级分辨率的测量。

双频激光干涉仪互补校准式高精度位移检测系统研究

为了实现光栅刻划机的超高精度定位,提出互补校准式方法实现高精度位移检测,以光栅尺作为纳米定位平台的定位测量装置,双频激光干涉位移测量系统作为测量基准对光栅尺测量误差进行补偿校准,提高光栅尺测量精度,从而达到精准定位。基于双频激光干涉的测量原理,推导了干涉位移计算公式、补偿公式,对超高精密测量光路进行搭建,并利用Edlen公式给出了一种有效的波长实时补偿方法,以提高位移测量精度。采用步进采样比对法验证系统的可行性,经过校准后的系统将精度从±0.5μm提高到±0.1μm,满足光栅刻划机精度检测需求。经过实验验证,提出的系统对纳米级定位检测是可行的。

基于双频激光相位测量五轴转台角度定位的误差分析

为提高光学制导仿真用五轴转台角度定位测量精度,提出一种基于双频激光干涉的相位测量方法。结合多齿分度盘搭建双频激光干涉相位测量光路,在五轴转台现场进行测试,并定量分析双频激光测量系统的误差因素。结果表明,结合多齿分度盘可以实现大角度的转台角度定位测量,在每±5°测量范围内,测角误差小于0.5″,可以用于试验室现场五轴转台角度定位的高精度测量。

双频激光干涉测角中角锥镜的不对称性对测角精度影响的分析

对双频激光干涉测角中反射镜组内两角锥镜的不对称性进行了分析,包括两反射角锥镜的制造工艺误差——两反射角锥镜的厚度偏差,以及安装偏差——两反射角锥镜前表面不平行度。推导出了由于该类误差带来的测角影响,建立了精确的角度测量模型。

基于双折射双频激光器中的调频回馈位移测量研究

提出了一种基于双折射双频激光器中的调频回馈效应的位移测量系统,并在实验和理论两方面进行了研究.实验中保持回馈外腔长度不变,将一四分之一波片置于激光器内腔中,调制内腔长度,激光器的中心频率发生改变,激光器输出强度将发生周期性的变化.研究发现激光强度曲线的波动频率正比于回馈外腔长度与内腔长度之比.当该位移测量系统的外腔长度是内腔长度的6倍时,被测物体每移动半个光波长,激光强度波动12次,系统分辨率可以达到二十四分之一光波长.理论分析与实验结果相符合.研究表明该位移测量系统具有高分辨率、大测量范围、可工作于任意回馈水平等特点.