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                      基于FP干涉振动测量装置及数据采集处理软件工程设计分析

                      来源: www.koshiobi.com 作者:vicky 发布时间:2019-07-19 论文字数:33632字
                      论文编号: sb2019061810470826842 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
                      本文是一篇软件工程论文,本论文提出了一种基于法布里-珀罗干涉原理的振动检测系统,应用于微小振动的测量。该系统使用线阵 CCD获取 FP 干涉仪反射光方向光场中的干涉条纹,根据文中提出
                      本文是一篇软件工程论文,论文设计了基于 LabVIEW 的 CCD 采集软件用以实现干涉条纹移动情况的动态测量,该软件通过设置循环和延迟时间进行数据的动态采集,通过 FPGA 芯片实现数据采集的控制,可将干涉光场中的光强分布以光强数组和分布图样输出和保存,便于实时观测和数据处理。同时设计了基于论文实验系统的数据处理算法,对 LabVIEW 中采集到的数据进行滤波,提取,分析和计算,实现了微小振动信号波形的复现和参数计算。接着对于实验得到的数据进行处理和误差分析,数据采集软件和数据处理算法在实验中均达到预期设计目标,可实现 5nm 以上的微小振动的测量。

                      1   绪论

                      1.1 振动测量研究背景及意义
                      振动是普遍存在的现象,是物体做一定规律时空上的往复变换的一种运动状态。各种物理现象,包括声、光、热等都包含振动这种表现形式[1]。很多情况下,振动是一种需要去除或避免的消极因素。例如,振动会影响精密仪器设备的性能,降低加工精度和使用寿命;振动可能引起的物体结构变形或破坏,诸如桥梁振动导致坍塌、飞机机翼、发动机叶片振动引发事故;甚至振动带来的噪声已经成为一种严重的环境污染,对人体各系统机能会有不同程度的损害。然而,日常生活工作中也会应用到振动积极的一面。例如,振动是音乐的来源,也是现代通信中广播、电视、雷达以及网络的物理基??;振动原理被广泛应用于医疗检测、机械加工、地质勘探、军事侦察等各个行业[2-3]。因此,无论振动带来的影响好坏与否,振动的测量和分析也成为各行各业的广泛需求,具有十分重要的应用价值和研究意义。随着时代的发展和科技的进步,对于振动测量的要求也将不断提高。
                      目前的主要的测量方法分为接触式和非接触式两个方向。国内外的研究机构提出了适用于不同场景、不同需求的振动测量方案[4-7]。而随着科技研究向着纳米领域的逐渐深入,超精密加工行业的发展,微小振动检测的需求也在与日俱增。法布里-珀罗干涉法[8]精度高,反应灵敏,适用于测量精度在亚微米量级的无损微小振动[9-10]的测量。
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                      1.2 振动测量技术国内外发展现状
                      振动测量的接触式方法主要利用机械式结构以及压电陶瓷器件完成,其原理为压电晶体在压力作用中产生形变,利用正压电效应可将压力转化成电能。通过对电学参数变化情况的分析处理可以得到物体振动的详细信息。接触式测量方法成本低、灵敏度高且动态测量范围宽,在普通的振动测量中得到了广泛应用。但是由于测量时需要传感器与被测物体接触,会在一定程度上改变被测物体的原有物理特性,在针对于微小振动的测量中,会进一步放大测量误差,严重影响测量结果的准确性,甚至测量无法得到结果。非接触式方法主要是光学测量方法[11],以激光作为感应振动的信息载体,不仅具有很高的测量精度和灵敏度,同时作为无损测量手段,可不与被测物体接触,对于被测结构无任何质量或力的附加,更具有可远距离测量的优势。
                      激光测振技术目前主要采用的方法有全场干涉测量方法和激光多普勒测振法两大类[12]。其中全场干涉法[13]中包括全息干涉、散斑干涉等测量方法;多普勒干涉法主要分为单点测量和多点测量。近些年由于机器视觉方向的研究发展,基于视觉方法的振动测量方法也在逐步兴起。
                      2013 年电子科技大学的王运付[15]提出了一种改进的迈克尔逊干涉仪结构,如图 1-1所示,令通过狭缝的两束光通过聚焦透镜发生衍射,在其重叠区域形成干涉条纹,其光场分布类似于夫琅禾费衍射的光强分布。

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                      2   测量原理

                      2.1 FP 干涉原理
                      法布里-珀罗(FP)干涉仪是基于平行平板的分振幅多光束干涉,由一对高反射率平面构成,如果两平面之间的间距 h 固定,则称为 FP 标准具[22]。若 h 可以调节,则称为FP 干涉仪[23]。以下将从平行平板的多光束干涉开始,介绍本论文实验原理。
                      2.1.1  平行平板的多光束干涉

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                      2.2 振动与干涉条纹移动的关系
                      FP 干涉结构如图 2-4 所示。当干涉结构中其他参数不变,干涉光场中条纹的移动方向和距离只与参考光与信号光之间的光程差有关,而光程差的变化情况直接由两反射平面间距 h 的变化体现。

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                      3    振动测量实验系统.....................18
                      3.1  光源系统 ...........................18
                      3.2  FP 腔振动检测系统.............................19
                      3.3  光电探测系统 ..........................................21
                      4    数据采集和处理的软件设计与实现.......................28
                      4.1  基于 LabVIEW 的线阵 CCD 数据采集软件 .................28
                      4.2  基于 Matlab 的数据处理算法 ..............................32
                      5    振动测量实验数据分析.........................45
                      5.1  信号复现结果 .........................45
                      5.2  振动信号结果分析 ........................48

                      5   振动测量实验数据分析

                      5.1 信号复现结果
                      本论文在实验中采用的半导体激光器波长为 633nm,线阵 CCD 采样频率为 10Hz,单位像元的采样间隔为 8μm,采样区域采样点数为 3648 个,舍去前段数据波动较大的点,CCD 有效采样点数共 3610 个。本节使用的振动信号是由信号发生器产生并经由驱动电源加载到压电陶瓷片上,同时压电陶瓷连接反射镜作为图 2-4 光学系统中的 G2 镜。当振动信号加载到压电陶瓷片上,G2 镜产生位置变化导致 FP 腔长的波动,干涉条纹随之产生位移,由 CCD 采集相应的光场分布信号。实验中测量正弦波、三角波、方波3 种波形信号,分别选用峰峰值 Vpp 为 50mv、100mv、200mv、300mv 以及 500mv 的信号电压,频率 f 为 0.1Hz、0.5Hz 和 1Hz,验证信号复现算法计算结果的准确性。实验中根据采集到的干涉条纹移动距离计算信号的振动幅度,同时根据 CCD 的采样频率记录振动的时间参数,将其与空间上的位移结合起来计算得到所复现的信号的频率。

                      ...........................

                      6   总结与展望

                      6.1 工作总结
                      激光测振技术已经广泛应用到生产生活的各个方面。随着科学技术的进步,传统测量方法逐渐无法满足技术上的需求,利用灵敏度高的 FP 干涉仪进行振动测量,通过线阵 CCD 捕获干涉条纹的移动,计算得到振动信号的信息,能够实现亚微米甚至纳米量级的微小振动的测量。
                      本论文提出了一种基于法布里-珀罗干涉的微小振动测量装置,通过 Matlab 数值仿真验证了系统工作原理的和数据处理算法的可用性。同时搭建光学系统进行实验实现的对于低频信号微小振动的测量,基本完成了预期的目标。总体来看,本论文的主要工作内容包括
                      (1) 对于利用干涉条纹实现振动测量的工作原理和技术发展的研究。学习并分析了光测振技术国内外研究方案方法同时加以改进,完成本论文中基于 FP 干涉的微小振动测量的工作系统,利用线阵 CCD 获得干涉光场中条纹的移动信息,从而复现出传感器感应的振动信号的波形和频率,实现微小振动的测量。
                      (2) 振动测量的整体设计方案。根据实验需求完成各部分工作器件的选型,光源、FP 传感、光电探测部分的光路设计以及光学系统的搭建,通过笼式结构将光路中器件进行物理连接,保证系统光路的稳定。
                      (3) 数据采集软件和处理算法的设计和实现。采集软件实现数据的动态测量,数据处理算法包括平滑滤波、有效数据截取、干涉条纹定位的预处理部分和计算条纹移动距离、换算信号振动幅度的信号部分以及计算信号的频率和对称性的后续处理部分。
                      (4) 利用搭建的光学系统进行实验,测量信号峰值电压为 50mv-500mv 的三角波、正弦波和方波振动信号。对于实验得到的数据使用复现算法进行处理。根据得到的结果进行可能的误差原因分析。
                      参考文献(略)

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