STM32与激光干涉微振动位移测量系统

目前的光学测振技术主要分为散斑干涉法、全息干涉法、经典干涉法、阴影云纹
法。这些方法的原理大致相同，即通过光路系统将一束激光光源分为两束相干光，
一束打在位置在变化的测量镜上作为测量光，一束打在位置不动的参考镜上作为
参考光。这样物体表面的振动位移就转化为两束光光程差的变化，经过干涉现象，
进而转化为运动条纹信号。通过后期的信号转换和算法处理，最终将物体振动
信息转化为位移信息。

    非光学测量技术方面，可主要分为显微镜测量方法和电学测量方法。其中电
学测量技术又可分为电阻法、电容和电感法以及电涡流法等[[14,15]。在电学测量中
电感和电容测量方法以其稳定性高，测量速度快，效率高的特点得到了较快发展，
应用领域也较多，但其性价比较低，信号处理过程复杂。当前的三端式电容测量
系统具有较高的稳定性和测量精度，其可测量出S Onm级的微振动，漂移度也在每
天几个皮米内。而显微镜测量技术大体可分为透射电子显微镜(TEM)、扫描探针显
微镜(SPM、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(S TM)、原子力显微镜(AFM)

    光学测量技术方面，可根据测量原理的不同分为光杠杆法、光栅尺测量法、
激光三角测量[fl}l、光纤位移测量法[ys}、激光干涉法等。它们的测量精度大多在几
十皮米到几纳米之间。近几十年光学位移测量技术在多个方面有了较快发展，己
经成为位移测量领域最基本溯源手段。基于光学原理测量技术设计的激光测振仪
}LDO}、激光全息干涉测量仪(HI)、电子散斑干涉测量仪(ESPI)、电子散斑剪切干
涉测量仪(ESPSI)等测量仪器得到了长足的发展，也普遍的应用于生产生活、工业
工程等各方面【i9,ao}0
    通过查阅激光干涉微位移测量系统研究的相关国内外文献。其中国外日本的
ALIS-1型差动干涉仪分辨率可达0.6nm，测量系统稳定，数据漂移量小，各项性
能都能达到国际先进水平。英国的国家物理实验室也研制出了分辨率为0.1 nm的
干涉测量系统，并且该系统具有对背景光不敏感、造价低、易于调整的特点[fall0
美国基于引力波原理的激光干涉探测系统LIGO(Laser  Inerferometer
Gravitational-wave Observatory)其测量精度也达到10-20nm范围内。

    国内激光干涉微位移测量领域，南京理工大学开发的激光干涉仪精度也达到
了1 Onm区间内。上海计量测试研究院同国防科工计量测试研究中心设计的接触式
激光测长系统，系统测量精度也可达1.25nm。上海计量测试研究院自行开发了测
量范围可达20mm的线位移测量系统，测量分辨率可达1 nm。北京航空材料研究
院光外差马赫一泽德干涉原理研制出了测量精度可达3 nm的测量系统，并且该系统
测量出的数据具有线性性好、重复性高的优点。清华大学由殷纯永教授团队研制
的SJDS型双频激光干涉仪，分辨率达到了0.49nm}51} o
    目前市场上用于商业出售的成熟激光干涉测量仪也有很多，如美国Agilent(HP)
公司生产5519B型外差激光干涉仪，它的分辨率己经达到1.24nm，测量范围也高
达21.2m。美国ZYGO公司生产设计的ML10gold干涉仪测量分辨率也有1.24nm,
测量范围可直至80m o

    在激光干涉测量技术迅速发展的近些年里，以其光学测量的先天优点，极大
的改善了传统位移测量方法的不足，并且在精密机械加工、芯片制造的等领域成
为了首选的位移测量方法。但随着时代的进步，人们对位移测量系统有了更高的
要求，在系统低成本，小型化方面的设计需求愈加普遍，系统稳定性的要求也越
来越高。目前的激光干涉测量技术己经不能满足企业生产日益发展的要求。看似
日趋成熟的激光干涉测量技术，在现实状况下还需要改进与解决的问题普遍存在，
如何进一步改善激光干涉测量系统的稳定性与实现小型化，并向高性价比的方向
发展，使其适应现代生产生活的需求，还需研究的方向还有很多。

    从上面光路结构与工作原理上分析可以看出零差干涉系统与外差干涉系统都
有各自的优缺点。零差干涉的光路系统原理简单、性价比高、便携化程度高[f}l，但
其测量精度较低、受环境影响大、对激光光源稳定性要求高。外差干涉系统虽说
分辨率高，稳定性好，但其光路系统结构复杂，成本高，测量范围有限[f1}3}1。从现
代工业对微振动测量日趋重视的角度出发，采用零差干涉系统进行微振动测距设
计更符合中小企业对微振动测距仪廉价、高效、便捷的需求。

    考虑到测量仪设计遵循轻便小型化且可长时间稳定工作的原则，所以在光源
选型时必须选择体积小、稳定性好、抗干扰能力强，节能性能高的激光器。在本
光路系统中选用的激光器是日本滨松的半导体激光器，其干涉直径为6mm,额定
电压为3v，核定激光焦距为25mm，激光波长约为650nm(红色)，发射功率150mW,
出光功率SmW，工作电流4mA，可连续工作2000小时以上。

    因为STM32可采样信号幅值在。-3.3V之间，所以为使采样到的干涉信号处在
可测量范围内，往往通过控制STM32的DAC输出将偏置电压调到中间值1.65V
左右，这样既满足了测量要求，又为后续程控放大电路实现提信号放大提供了条
件。