微振动的高精度测量

　　引 言

　　随着精密加工技术的高速发展，机械运动部件的高精度实时测量越来越重要，并且需要测量的振动幅度更小，频率范围也更宽。光学干涉测量以其高分辨力、高灵敏度、非接触测量等优点得到了广泛的应用;但是光学测量多为静态测量，测量距离近，而且由于光学测量结构太精细，光学器件调节相对困难。本实验室研制的微振动测量仪可在室外条件下正常工作，具有高灵敏度、高精度的特征，在大相位差的情况下可探测振幅小于纳米量级的弱振动信号，光路简明，易调节。在光学干涉测量中，外界振动可以反映到干涉项的相位中，这种相位的漂移使探测得到的信号也随之变化，还会引起信号的畸变和灵敏度的降低，进而降低系统的信噪比和测量精度。零差解调[1, 2]的引入很好地抑制了环境噪声导致的缓慢相位变化，能得到稳定的信号输出，而且零差解调技术有很宽的量范围和良好的线性关系。在调制方式上，由于直接调制光源会带来光强抖动，影响测量灵敏度，系统选择了稳定性更佳的外调制方式。通过引入外加调制，减小了信号处理时的直流漂移和低频噪声。压电陶瓷以其精度高、线性好的特点被选为本系统的调制器。

　　1 测量原理

　　零差解调方法是通过在干涉仪中引入检测信号带宽外的某一频率的大幅度相位调制信号，使所检测信号成为载波的边带，再分离被测信号和随机相位漂移，从而得到稳定的传感信号输出。

　　式中相位漂移φ(t)和要探测的信号相比是一个缓慢变化的量。用适当的高通滤波器滤掉不需要的相位漂移φ(t)，剩下的就是线性很好的被测信号。在电路的实现过程中，要求电路严格对称，特别在最后一级减法器前要求完全对称，否则最后输出的波形就会失真。为防止输出信号变形，放大器电路和乘法器等电路元件的工作带宽要足够宽，以满足较高的调制频率。此外，不同的探测范围和不同的允许误差对调制频率的要求也是各不相同的。当探测信号为 100Hz 到3kHz 之间的微振动信号，允许误差小于 1% 时(贝塞尔系数项要保留到 J6(C) )，为了得到好的输出波形，要求测量带宽不低于 34kHz。如果降低调制频率，电路输出的信号将会变形，这时，可以通过增加低通滤波器的阶数来降低对带宽的要求。所以，本系统测量频率的范围与调制频率的大小和系统对误差的要求有关，可根据不同的测量范围要求和误差要求来选择适当的调制频率。下面考虑系统噪声的来源。当光源是高斯[3]线型时，半高全宽线宽可表示为 υ3dB=2.35 υrms，其中 υrms是漂移频率。如果线宽是洛仑兹线型，半高全宽线宽可用公式 υ3dB=π υ2(f )/2 进行近似计算， υ (f )为频率噪声。一般情况下，如果半导体激光器的线型在洛仑兹和高斯之间变化，一个半高全宽线宽为 10MHz 的高斯线型半导体激光器，用在光程差为 10m 的干涉仪中，在700Hz 处的相位噪声可达 3.4×10-2rad/Hz1/2;相同线宽的洛仑兹线型，相位噪声降为 5.28×10-4rad/Hz1/2。可见，不同线型不同带宽的光源对长光程差干涉系统的影响不可忽视。本系统中使用的光源为良好洛仑兹线型的窄线宽(FWHM 为 1kHz) 光纤光源，在同样光程差的条件下，光源引起的相位噪声为 5.28×10-6rad/Hz1/2，即使光程差达到几十米，系统仍可以保证较低的最小测量灵敏度。在正交条件下，散粒噪声限制的最小探测相位[5]为