雙頻激光干涉儀在納米測量技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,在特定的使用環(huán)境中,如何減小測量系統(tǒng)存在的誤差,提高系統(tǒng)的測量精度變得越來越重要。鑒于此,提出一種利用測量環(huán)境中的振型節(jié)點(diǎn)減小環(huán)境振動,提高雙頻激光干涉儀測量精度的方法。先從理論的角度分析該方案的可行性,基于此理論搭建實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng),再利用加速度傳感器找到測量系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)位置,最后測試雙頻激光干涉儀在振型節(jié)點(diǎn)位置和其他非節(jié)點(diǎn)位置處的測量重復(fù)性水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)外界存在振源時(shí),所提方法在非振型節(jié)點(diǎn)位置的測量重復(fù)性為±9nm,振型節(jié)點(diǎn)位置的測量重復(fù)性為±4nm,即節(jié)點(diǎn)位置處雙頻激光干涉儀的測量精度相對非節(jié)點(diǎn)位置提高了125%,證明了該方法的有效性。 

【文章來源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(15)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

圖1 雙頻激光干涉儀的工作原理圖

由3.1節(jié)分析可知，當(dāng)外界存在振動源時(shí)，測量系統(tǒng)中可能存在32.95,68.25,198.27,210.60 Hz 4個(gè)振動頻率。對于L型大理石而言，32.95 Hz的振動頻率分量主要分布在加速度計(jì)的Y軸方向上，該振動方向正好與測長干涉儀的X軸位移測量方向一致；68.25 Hz和198.27 Hz的振動頻率只會使L型大理石產(chǎn)生沿Z軸的振動。根據(jù)節(jié)點(diǎn)定理，可認(rèn)為Y軸測量干涉計(jì)位于L型大理石在X軸振動方向的節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)測長干涉儀的工作原理，位移的產(chǎn)生由CCR與干涉計(jì)間產(chǎn)生相對運(yùn)動所致。從圖10可以看到，X軸兩路測長干涉儀的噪聲水平在18nm(2σ）以內(nèi)，Y軸測長干涉儀的噪聲水平在8nm(2σ）以內(nèi)，兩者相差10nm，也就是Y軸測長干涉儀的位移測量重復(fù)性相對于X軸測長干涉儀提高了125%。從圖11可以看到，Y軸測長干涉儀無明顯振動頻率的存在，且FFT幅值在小于120Hz頻率范圍內(nèi)均小于0.05nm;X軸測長干涉儀存在一個(gè)明顯振動，該振動對應(yīng)的頻率為22 Hz，且振動幅值大于0.05nm。由此可說明，因?yàn)榇嬖?2Hz的振動頻率，使X軸和Y軸測長干涉儀的測量重復(fù)性不同，即兩者的測量精度存在差別。通過對測長干涉儀重復(fù)性測量數(shù)據(jù)的頻譜分析得到，測量環(huán)境中存在22Hz的振動頻率，與加速度計(jì)測量得到的Y軸振動頻率為32.95Hz相對應(yīng)，但兩者之間存在10.95Hz的頻率差，產(chǎn)生這一頻率差的原因是電腦的采樣率低于干涉儀計(jì)數(shù)器輸出的頻率所致。干涉儀測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于商用計(jì)算機(jī)（PC）平臺開發(fā)的，再利用MATLAB編寫相應(yīng)的程序來讀取安捷倫N1230A板卡計(jì)數(shù)器的數(shù)字信號，采樣頻率達(dá)到288Hz，但這一采樣率顯然遠(yuǎn)高于PC本身的工作頻率。因此，利用干涉儀采樣得到的振動頻率與真實(shí)的振動頻率間存在一定偏差，所以測量系統(tǒng)中存在的振動其頻率測量值以加速度計(jì)測量結(jié)果為準(zhǔn)。

為了對第2節(jié)的理論進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了雙頻激光干涉儀的三軸測量系統(tǒng)，如圖2所示。X軸方向上共有兩個(gè)測量軸（左側(cè)為X1，右側(cè)為X2),Y軸方向有一個(gè)測量軸，坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸遵循右手法則。從雙頻激光器出射的激光經(jīng)分光棱鏡（67/33SP）后分成兩部分，67%的光發(fā)生透射，33%的光被反射。被反射的激光經(jīng)過Y軸全反射鏡（reflector）后進(jìn)入Y軸干涉計(jì)（interferometer）中并被分成兩部分，一部分透射光進(jìn)入測量CCR后再被反射回來形成測量光，另一部分反射光進(jìn)入?yún)⒖糃CR后被反射回來形成參考光，兩者在Y軸干涉計(jì)內(nèi)重新相遇產(chǎn)生干涉信號S；透射光經(jīng)50/50分光棱鏡后一半發(fā)生透射，一半被反射。被反射的部分光進(jìn)入X2軸的干涉計(jì)后被分成兩部分，一部分反射光進(jìn)入?yún)⒖糃CR后被反射回來，形成參考光；另一部分透射光進(jìn)入測量CCR后被反射回來，形成測量光，參考光與測量光在X2的干涉計(jì)處再一次相遇產(chǎn)生干涉信號S2。同理，被50/50分光棱鏡透射的光經(jīng)過反射鏡反射后進(jìn)入X1軸干涉計(jì)，一部分被反射光進(jìn)入?yún)⒖糃CR，并被反射回來形成參考光；一部分透射光進(jìn)入測量CCR后被反射回來，形成測量光，最后在干涉計(jì)處與參考光相遇產(chǎn)生干涉信號S1。光電轉(zhuǎn)換模塊將干涉信號S1、S2和S轉(zhuǎn)換成電信號，最后經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊得到三個(gè)測量軸的位移量。在圖2測量系統(tǒng)中，所有測量CCR都安裝在一個(gè)只能沿Z軸作閉環(huán)運(yùn)動的金屬板上，將這一沿Z軸進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)動的系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的振動源。該可動機(jī)構(gòu)的Z軸向運(yùn)動驅(qū)動器為壓電陶瓷（PZT),Z軸位移反饋系統(tǒng)為電容傳感器。3.1 系統(tǒng)模態(tài)測試

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3274191