外差式激光干涉仪应用于正弦直线和旋转振动测量技术的研究

　　1　引　言

　　随着计算机、激光测量和信号处理技术的飞速发展,近年来许多国家的计量科学研究院相继建立了基于激光干涉法技术、自动化程度较高的国家振动基标准。具国际领先地位的德国物理技术研究院(PTB),在正弦直线振动量(位移、速度、加速度)和正弦旋转振动量(角位移、角速度、角加速度)的激光绝对测量中,形成了一套完整的测量理论和测量技术,研发了一系列高精度国家振动标准。由PTB主起草的国际标准ISO 16063-11(1999)“激光干涉绝对法振动校准”给出新的第三种校准方法———正弦逼近法(Sine Approximation Method),在1 Hz~10 kHz宽频带范围内,实现了直线振动传感器加速度灵敏度幅值和相移绝对法校准的重大突破。对于高频、纳米级小振幅的振动测量(例如(0·5μm,20 kHz),

　　该国际标准推荐使用外差式激光干涉仪[1]。正在起草的国际标准ISO 16063-15“旋转式振动传感器激光干涉绝法校准”所描述的校准方法,采用的是外差式激光干涉仪与衍射光栅相结合的测量技术。振动绝对法测量中的激光干涉仪通常采用零差式干涉仪(homodyne interferometer)与外差式干涉仪(heterodyne interferometer)两类。与零差式干涉仪相比,外差式干涉仪具有分辨率高、位移测量可达纳米量级、线性度高、噪声低、动态范围宽、测量误差小等优点。

　　2　外差式激光振动测量系统基本构成

　　图1所示为外差式激光振动幅相特性测量系统的结构示意图。它主要由激振系统、外差式激光干涉仪、信号调理系统、数据采集处理系统组成。其中,外差式激光干涉仪采用马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)。将马赫-泽德干涉仪与正弦直线(水平或垂直)振动台或柱面为衍射光栅旋转振动台的激振系统相匹配,就可以实现正弦直线或正弦旋转振动量的精确测量。

　　系统信号调理部分主要包括两路低通滤波和混频移频的功能。其作用是将调制后的载波信号从40 MHz降至正弦运动参量1 MHz以下的频率范围内,以便于数据采集及信号处理。数据采集处理系统利用两通道同步高速数据采集卡采集降频后的多普勒信号和另一路参考信号,通过软件编程完成数字低通滤波、正交信号生成、反正切求解、相位展开、正弦拟合等数字解调和解算,以及信号分析及显示等功能。

　　此系统应用于直线振动测量时,在0·1 Hz~20kHz范围内,振幅测量可以达到1 nm,灵敏度幅值校准不确定度优于1%,相位校准不确定度优于1°;应用于旋转振动测量时,在0·3 Hz~1 kHz范围内,角位移幅值测量可以达到1μrad,灵敏度幅值校准不确定度优于0·5%,相位校准不确定度优于0·5°。以上指标包含因子均为k=2。