采用频谱分析技术的高分辨率微位移测量方法

　　1　引　　言

　　在科研和生产中,微小位移的测量一直是一个重要的课题。例如,在压电晶体(PZT)的应用中需要测量PZT的位移曲线,在磁致伸缩材料的研究和应用中,也常常需要对材料的磁致伸缩性能进行测量〔1〕。在诸多的测量方法中,光干涉法是常用的方法〔2～5〕。简单采用条纹计数的方法,只能准确到干涉光波长,估测到1/10～1/20波长,采用条纹细分的方法可达到更高的准确度。文献[4]采用干涉条纹相位复原方法测量位移,但未给出其最小位移分辨率:采用外差干扰法可达到更高准确度,但系统较复杂〔3〕;采用检测条纹移动的方法测量位移,由于干涉条纹受许多因素和噪声干扰的影响而产生畸变,造成干涉条纹边缘不清晰,使微位移信息被湮没。此外,干涉条纹的质量受所用干涉仪元件的影响,如麦克尔逊干涉仪的分束镜两面的反射光形成的干涉条纹叠加在含有微位移信息的干涉条纹上,影响条纹位置的确定,因此采用检测条纹移动的方法来测量位移分辨率低,准确度不高。解决的办法是选择合适的干涉仪和对条纹进行处理,对条纹进行平滑滤波后再检测[5],能改善条纹的清晰度,但不能消除麦克尔逊干涉仪的分束镜两面反射光形成的干涉条纹对条纹判读的不利影响;选用其它干涉仪〔4〕可以避开麦克尔逊干涉仪的这一不足,但这限制了麦克尔逊干涉仪的应用。本文采用频谱分析技术,对干涉条纹进行傅里叶变换和数字滤波处理,不仅消除了噪声干扰,还消除分束镜两面反射光形成的附加干涉条纹的影响。这样用麦克尔逊干涉仪、用测量条纹移动的方法测量位移就能达到很高的分辨率和准确度。作者用此方法对PZT的位移曲线进行了测量并讨论了影响准确度的因素和减小误差的办法。

　　2　测量原理和条纹处理方法

　　2.1　测量原理

　　利用麦克尔逊干涉仪测量位移的测量系统如图1所示,S为光源,L1为扩束镜,BS为分束镜,M1、M2为反射镜,M1和待测物连在一起,随待测物一起移动。CCD摄像机将接收到的干涉条纹经图像卡送入计算机进行数据处理。

　　当M1、M2不垂直时,麦克尔逊干涉仪的干涉条纹为等厚干涉的直条纹。调整反射镜M2使它的像M2′与M1形成劈尖角为θ的虚空劈尖,从光源S发出的光经扩束镜L1成平行光。由分束镜反射后,入射在虚空劈尖上,经它的上下表面反射形成等厚干涉的直条纹。条纹间距为:

　　调整M2改变θ角,可以改变条纹的间距L。当M2固定,M1移动时,条纹移动,则M1移动的位移为:

　　测出l、L,就可由(2)式计算出M1的位移。

　　2.2　干涉条纹处理方法