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摘要：本文充分分析了迈克尔逊干涉仪的原理，巧妙地结合了微小振动测量的方法，确立了迈克尔逊干涉仪测微小振动的方案，在参考光反射镜前加一个凸透镜，形成一个类似于猫眼的装置——准猫眼动镜，这样使动镜的反射光不会引起光束偏正度的变化，得到更好的条纹对比度。很好地实现了光干涉法对振动的测量，为测量微小振动提供了一个有效的技术支持。本文采用的检测技术为检测条纹移动变化技术，探测器发射一束光信号，利用其是否接收到反射信号来判断条纹的暗亮，以高低电平表示，实现了信号的转换。通过计算机对电信号进行仿真处理，得到信号图和频谱图，从而提高了系统的测量精度。
关键词：干涉；振动测量；信号转化
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0275-02
一、引言
机械振动在石油的勘探、发电机组的振动监测、各种机床的振动、铁路和桥梁的振动分析等方面有广泛的应用。随着现代工程技术飞速发展，低频微小振动的测量成为振动测量的主要研究方向之一[1]。
基于激光干涉原理进行的光学测量的激光干涉测量法是一种高精度的测量技术[2]。其测量的分辨率和稳定性可以根据实际的应用情况选择适合的调制解调方法来提高。但是，激光干涉测量技术的测量精度受诸多因素的影响，使得理论与实际操作之间还存在较大的差距[3]。常见的高精度激光干涉测量法包括：零差激光干涉法[4]、外差激光干涉法[5]。
ZYGO公司的7705利用塞曼效应产生最大频差为3.65MHz的双频，其测量分辨率可达1.24nm；ZYGO公司的7712利用声光调制法获得频差为20MHz双频，其测量分辨率可达0.31nm[6]；Renishaw公司的ML10gold干涉仪测量分辨率可达1.24nm，测量范围为80m[7]；英国Renishaw公司Agilent（HP）公司的5519B型外差激光干涉仪的测量范围为±21.2m，测量分辨率可达1.24nm[8]。我国四川大学研制的线位移传感器检定仪测量分辨率可达1nm，测量范围20nm[9]；北京航空材料研究院研制的光外差马赫-泽德干涉仪具有良好的线性和重复性，其测量精度达3nm[10]；清华大学殷纯永教授的研究小组研制的SJD5型双频激光干涉仪分辨率达到0.49nm[11]。
本文优化了光路的设计，设计了检测条纹移动变化的方案，实现了光信号到电信号的转换，提高了测量的速度和准确率，从而提高了系统的测量精度。
二、实验原理
用迈克尔逊干涉仪可以观察到等倾干涉图样和等厚干涉图样，基本光路如图1所示。从光源S发出的一束光，经分束镜G1的后表面分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2；反射光束1射出G1后投向反射镜M1，反射回来再穿过G1；光束2经过补偿板G2投向M2反射镜，反射回来再通过G2，在G1的后表面上反射。于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，M2经G1下表面所成的像M2’，因M1和M2’之间为空气层，n≈1，则两相干光束的光程差△为
△=2dcosδ （1）
当M1和M2严格平行时，形成等倾干涉，否则形成等厚干涉。无论是等倾还是等厚干涉，只要迈克尔逊干涉仪一条干涉臂发生移动时，就会有条纹的移动，M1和M2’之间的距离每增加（或减少）λ/2，视场中有一个条纹移过，所以测试光的反射镜向一个方向发生振动时，干涉条纹就会朝相对应的方向移动，振动的频率的快慢影响观察点的明暗变化的快慢。测试光的反射镜的情况与条纹变化情况一一对应，测量出条纹的变化情况即可得到对应的振动情况。
三、实验设计
用函数信号发生器发出信号，将信号输出到压电陶瓷，压电陶瓷将电信号转化为振动信号，检测光的反光镜与压电陶瓷连接，检测光的光程随压电陶瓷的振动而变化，检测光与参考光形成干涉条纹，干涉条纹随检测光与参考光的光程差的变化而变化，所以干涉条纹的变化即反映了压电陶瓷的振动情况。光电检测器检测到条纹的变化情况，将条纹变化这一变化的图像信号转化为电信号。将转化后的电信号输入到计算机，通过计算机程序的运算，得出压电陶瓷的振动信号。
四、实验结果
用信号发生器作为激励源，驱动纳米振动平台，调节信号发生器使纳米振动平台振动幅度为25纳米，振动频率为20赫兹，频率为20赫兹时振动实验干涉仪输出信号为图2所示。
五、结论
本文所用干涉仪的信号处理电路是针对连续的模拟信号进行分析处理，因此，在现有的示波器检测精度下，测量干涉仪分辨率只由噪声决定。首先对振幅为15纳米、频率为20赫兹的振动信号进行测量，然后再分析振动信号频谱可得，此干涉仪能够进行高信噪比测量，干涉仪振动信号信噪比为30dB，分辨率可达到1nm。从而验证了本文提出的改进型迈克尔逊干涉仪用于低频微小振动测量的可行性。
参考文献：
[1]孙佳星，低频微小震动的激光干涉测量方法与实验研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
[2]赵洋，李达成，梁晋文.外差激光干涉仪的实现方法及其特点计量技术[J].计量技术，1996，18（7）：2-5.
[3]赵斌，夏明，李柱.外差干涉信号的相位计数[J].计量技术，1996，5（4）：13-15.
[4]杨春平，康美苓，王豹亭，吴健，谢康.新型零差激光干涉仪振动测量系统[J].光电子.激光，2011，22（1）：95-98
[5]刘丹，郑宾，郭华玲，刘辉，刘乃强.基于外差干涉的微振动测量技术研究[J].应用光学，2014，35（5）：858-861
[6]陈晓梅，曹航，周自力.纳米级二维激光外差干涉仪的设计[J].光电工程，1998，5（1）：18-22.
[7]戴高良.双频激光纳米干涉测量技术的研究[D].清华大学工学院，1998.
[8]汤俊雄，李爱国.用稳光程干涉仪拍频检测小位移[J].中国激光，1993，4（3）：156-158.
[9]吴燕华，张涛，尹伯彪，康岩辉.电压输出型线位移传感器动态检定系统[J].机械，2005，32（7）：45-46，48
[10]黎永前，朱名铨.光干涉技术在纳米精度测量中的应用及发展[J].航空精密制造技术，2002，24（3）：32-36.
[11]高赛，殷纯永，高测速双频干涉仪[J].光学技术，2001，26（3）：238-239.
关键词：干涉；振动测量；信号转化
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0275-02
一、引言
机械振动在石油的勘探、发电机组的振动监测、各种机床的振动、铁路和桥梁的振动分析等方面有广泛的应用。随着现代工程技术飞速发展，低频微小振动的测量成为振动测量的主要研究方向之一[1]。
基于激光干涉原理进行的光学测量的激光干涉测量法是一种高精度的测量技术[2]。其测量的分辨率和稳定性可以根据实际的应用情况选择适合的调制解调方法来提高。但是，激光干涉测量技术的测量精度受诸多因素的影响，使得理论与实际操作之间还存在较大的差距[3]。常见的高精度激光干涉测量法包括：零差激光干涉法[4]、外差激光干涉法[5]。
ZYGO公司的7705利用塞曼效应产生最大频差为3.65MHz的双频，其测量分辨率可达1.24nm；ZYGO公司的7712利用声光调制法获得频差为20MHz双频，其测量分辨率可达0.31nm[6]；Renishaw公司的ML10gold干涉仪测量分辨率可达1.24nm，测量范围为80m[7]；英国Renishaw公司Agilent（HP）公司的5519B型外差激光干涉仪的测量范围为±21.2m，测量分辨率可达1.24nm[8]。我国四川大学研制的线位移传感器检定仪测量分辨率可达1nm，测量范围20nm[9]；北京航空材料研究院研制的光外差马赫-泽德干涉仪具有良好的线性和重复性，其测量精度达3nm[10]；清华大学殷纯永教授的研究小组研制的SJD5型双频激光干涉仪分辨率达到0.49nm[11]。
本文优化了光路的设计，设计了检测条纹移动变化的方案，实现了光信号到电信号的转换，提高了测量的速度和准确率，从而提高了系统的测量精度。
二、实验原理
用迈克尔逊干涉仪可以观察到等倾干涉图样和等厚干涉图样，基本光路如图1所示。从光源S发出的一束光，经分束镜G1的后表面分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2；反射光束1射出G1后投向反射镜M1，反射回来再穿过G1；光束2经过补偿板G2投向M2反射镜，反射回来再通过G2，在G1的后表面上反射。于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，M2经G1下表面所成的像M2’，因M1和M2’之间为空气层，n≈1，则两相干光束的光程差△为
△=2dcosδ （1）
当M1和M2严格平行时，形成等倾干涉，否则形成等厚干涉。无论是等倾还是等厚干涉，只要迈克尔逊干涉仪一条干涉臂发生移动时，就会有条纹的移动，M1和M2’之间的距离每增加（或减少）λ/2，视场中有一个条纹移过，所以测试光的反射镜向一个方向发生振动时，干涉条纹就会朝相对应的方向移动，振动的频率的快慢影响观察点的明暗变化的快慢。测试光的反射镜的情况与条纹变化情况一一对应，测量出条纹的变化情况即可得到对应的振动情况。
三、实验设计
用函数信号发生器发出信号，将信号输出到压电陶瓷，压电陶瓷将电信号转化为振动信号，检测光的反光镜与压电陶瓷连接，检测光的光程随压电陶瓷的振动而变化，检测光与参考光形成干涉条纹，干涉条纹随检测光与参考光的光程差的变化而变化，所以干涉条纹的变化即反映了压电陶瓷的振动情况。光电检测器检测到条纹的变化情况，将条纹变化这一变化的图像信号转化为电信号。将转化后的电信号输入到计算机，通过计算机程序的运算，得出压电陶瓷的振动信号。
四、实验结果
用信号发生器作为激励源，驱动纳米振动平台，调节信号发生器使纳米振动平台振动幅度为25纳米，振动频率为20赫兹，频率为20赫兹时振动实验干涉仪输出信号为图2所示。
五、结论
本文所用干涉仪的信号处理电路是针对连续的模拟信号进行分析处理，因此，在现有的示波器检测精度下，测量干涉仪分辨率只由噪声决定。首先对振幅为15纳米、频率为20赫兹的振动信号进行测量，然后再分析振动信号频谱可得，此干涉仪能够进行高信噪比测量，干涉仪振动信号信噪比为30dB，分辨率可达到1nm。从而验证了本文提出的改进型迈克尔逊干涉仪用于低频微小振动测量的可行性。
参考文献：
[1]孙佳星，低频微小震动的激光干涉测量方法与实验研究[D].哈尔滨工程大学，2006.
[2]赵洋，李达成，梁晋文.外差激光干涉仪的实现方法及其特点计量技术[J].计量技术，1996，18（7）：2-5.
[3]赵斌，夏明，李柱.外差干涉信号的相位计数[J].计量技术，1996，5（4）：13-15.
[4]杨春平，康美苓，王豹亭，吴健，谢康.新型零差激光干涉仪振动测量系统[J].光电子.激光，2011，22（1）：95-98
[5]刘丹，郑宾，郭华玲，刘辉，刘乃强.基于外差干涉的微振动测量技术研究[J].应用光学，2014，35（5）：858-861
[6]陈晓梅，曹航，周自力.纳米级二维激光外差干涉仪的设计[J].光电工程，1998，5（1）：18-22.
[7]戴高良.双频激光纳米干涉测量技术的研究[D].清华大学工学院，1998.
[8]汤俊雄，李爱国.用稳光程干涉仪拍频检测小位移[J].中国激光，1993，4（3）：156-158.
[9]吴燕华，张涛，尹伯彪，康岩辉.电压输出型线位移传感器动态检定系统[J].机械，2005，32（7）：45-46，48
[10]黎永前，朱名铨.光干涉技术在纳米精度测量中的应用及发展[J].航空精密制造技术，2002，24（3）：32-36.
[11]高赛，殷纯永，高测速双频干涉仪[J].光学技术，2001，26（3）：238-239.