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1、迈克尔逊干涉仪读数系统的改进科技信息 0 机做与电子 0SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2007 年第 34 期迈克尔逊干涉仪读数系统的改进石朝阳邓燕辉(成都信息工程学院光电系四川成都 610225)【摘要】根据迈克尔逊干涉仪读数系统的组成和工作原理,提出了利用光栅测长技术对干涉仪读数系统进行改进的实施方案.【关键词】读数系统;莫耳条纹 ;光栅测长;信号处理TheImprovementofReadingSystemofMichelsonlnterferometerShichaoyangChengduUniversityofInformationTechnologych
2、engdu(6100225)【AbstractAccordingtoMichelsoninterferometerreadingsystemforthecompositionandworkprinciples,usethegratinglengthmeasurementtechnologytointerferometerreadingsx.,stemimprovingtheimplementationoftheprogram.【Keywords】readingsystem;Moirestreak;gratingeriChmeasurement;signalprocessing1.引言迈克尔逊于
3、涉仪足 1883 年美国物理学家迈克尔逊(A.AMichelson)和莫雷 (E.W.Morley)合作,为了研究以太漂移实验而设计的一种精密光学仪器.用它可以非常准确地测鼍光的波长,透明体的折射率,微小长度等.由于设计精巧,用途广泛,根据迈克尔逊干涉仪的工作原理研制出了多种专用干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用.迈克尔逊冈发明干涉仪和在光速测量方面的成就而获得了诺贝尔物理学奖由于日前迈克尔逊干涉仪都采用机械读数系统,读数系统由精密丝杆,蜗轮等精密部件组成,各部件加【精度要求高,制造工艺复杂,制造难度人,生产成本高,读数的精度也不高,而利用光栅测长技术以上问题将得到很好的解决.光栅测长
4、技术是采用光栅莫尔条纹和光电转换技术原理将被测的位移量转换成数宁电信号输出的一种全新的测量技术经过多年的发展,该技术已经相当的成熟.2.迈克尔逊干涉仪机械读数系统的工作原理现在使用的读数系统由标尺,粗动手轮和微动于轮构成.粗动手轮经?对传动比大约为 2:1 的齿轮副带动丝杆旋转.与丝杆齿合的可调螺母通过防转挡块及顶块带动 M1 镜在导轨面上移动.以实现粗动.移动距离的毫米数可存机体侧的毫米刻尺上凌得.粗动手轮每转半圈,M1 在导轨上平移 1mm,粗动手轮每转半圈又带动读数窗内刻度盘转动一圈.刻度盘每一圈刻有 100 小格,故它每转一格 M2 镜就移动 1/1OOmm.即刻度盘的最小读数 102
5、mm.微动手轮经 1:100 蜗轮副转动可实现微动.微动手轮每转一圈,读数 1/10000mm,即微动于轮最小读数为 104ram,可估读到 105ram.因此,测镜移动距离 d 时,如果 m 是主尺读数,l 是读数窗内刻度盘读数,n 是微动于轮的读数 ,则:=m+一 +一1OO.10000由述可知,采用机械读数系统的迈克尔逊十涉仪读数的分辨率为 O.1pan.3.光栅测长技术原理光栅测长技术是利用光栅产,的莫尔条纹测量位移和轮廓形状等的长度计量技术.测量位移时.将计量光栅副中的光栅尺和指示光栅分别固定在干涉仪的移动件和不动件上.两者相隔一个很小的间隙(一般为 0.050.Imm).当滑架移动
6、时,现在光栅副上的莫尔条纹的周期性光强变化,通过光电转换元件转换为正弦波形电信号,经放大,整形,细分,计数和显示等电子部分后即可得出光栅位移量.由光源,汁量光栅副和光电转换元件等组成的部件称为光栅式长度传感器.由光栅式长度传感器和放大,整形,细分,计数和显示等电了部分组成的系统称为光栅测量系统,常用具有栩位依次差 1/4-线距的四组线条的光栅作为指示光栅光栅测量三要有如下优点 :高分辨率,高精度;测量范围大,长度可达几米甚几十米,角度为 360.:可实现动态测量,自动测量和数亨显示:,有较强的抗干扰能力,有较高一3.1 利用光栅测长技术对凑数系统进行改进把采用机械凑数系统的迈克尔逊干涉仪改进为
7、基于光栅测长技术的光电位移精密测量系统.并确保其凑数分辨率不低于 O.1lxm.根据光栅测长技术的原理改进后的仪器由照明器,光栅副,驱动器,光电接收转换器和信号处理器五部分组成.(参看图 3.1)照明器驱动器光电接收转换器信号处理器图 3.1 光电位移测量仪器原理图传感器输出的位移光电信号通过电路进行处理,变成可以处理的数字信号,再通过细分电路的处理可以提高光栅莫尔条纹光电信号的质量,提高仪器的测量分辨力,仪器的精度和可靠性.光电位移测量仪器中的电路主要有:电源,处理电路 ,功能电路,显示电路等几部分.3.2 干涉仪读数系统中光栅测长的工作流程改进后的迈克尔逊干涉仪的工作原理如图 3_2.o图
8、 3.2 迈克尔逊干涉仪改进后的原理图从光源 S 发出光束,射到玻璃分光板 A 上,A 的前后严格平行 ,后表面镀_广半透(半反射)膜.光束在半透膜上反射和透射分成振幅近乎相等的透射光和反射光.因 A 经精密调整后固定,它( 下转第 88 页)107科技信息.计算机与信息技术 oSCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2007 年第34 期后设置 GRAPHICSPATH 类实例的参数,这些参数用来显示所要创建控件的细节,最后将控件的”区域”属性设置到这个形状上来一个控件就好了.下面的例子是实现一个文字 fOK)形状的按钮控件.1.创建一个文本形状的按钮2.向窗体添加一个 B
9、utton 控件.将按钮的背景色设置和窗体一样.3.创建一个事件处理来响应按钮的绘制动作.选择 Button 的Paint 方法用.NETFRAMEWORK 中 GraphicsPath 类绘制一个 ”形状”.并将一系列”按钮” 属性设置到这个” 形状”.那么这个”形状”就成了“按钮”代码如下PrivateSubCustomButton_Paint(ByValsenderAsObject,ByValeAsSystem.Windows.Forms.PaintEventArgs)HandlesCustomButton.PaintDimmyGraphicsPathAsNewSystem.Drawin
10、g.Drawing2D.GraphicsPath0设置控件的形状DimstringTextAsString=“OK”DimfamilyAsFontFamily=NewFontFamily(“黑体”1DimfontStyleAsFontStyle:fontStyle.BoldDimemSizeAsInteger=35,设置起点.GRAPHICSPATH 类绘制的形状是相对于控件而和窗体无关;定位绘制控件的位置是以原控件的位置为基础的.DimoriginAsPointF=NewPointF(0.o1DimformatAsStringFormat=StringFommt.GenericDefault
11、myGraphicsPath.AddString(stringText,family,fontStyle,emSize,origin,format)设置控件的区间myGraphicsPath.AddEUipse(NewRectangle(o,0,125,125)注意:前两个参数是位置,后两个参数是长轴和短轴CustomButton.Region:NewRegion(myGraphiesPath1EndSub5.创建一个事件处理来响应按钮的”Click”事件.在点击这个按钮时背景色产生一些变化.PrivateSubCustomButtonClick(ByValsenderAsSystem.Obj
12、ect,一ByValeAsSystem.EventArgs)HandlesCustomButton.ClickCustomButton.BackColor=Color.BlanchedAlmondEndSub进一步.NETFramework 中 GraphicsPath 类,可以用来实现各种几何形状控件的创建.GraphicsPath 类可以创建很多种形状如 :直线,曲线,弧形,方形等,可以用这些形状很自由的组合出我们想要的图形,下面的程序绘制奥运五环形状的按钮控件(五个圆形组合在一起).PrivateSubButtonl_eaint(ByValsenderAsObject,ByValeAsS
13、ystem.Windows.Forms.PaintEventArgs)HandlesButton1.PaintDimmyGraphicsPathAsSystem.Drawing.Drawing2D,GraphicsPath=NewSystem.Drawing.Drawing2D.GraphicsPath()myGraphiesPath,AddEllipse(NewRectanglefo,0,15,15)myGraphiesPath.AddEuipse(NewRectangle(20,20,15,15)myGraphiesPath.AddEllipse(NewRectangle(30,0,15,
14、15)myGraphiesPath.AddEllipse(NewRectangle(40,20,15,15)myGraphiesPath.AddEllipse(NewRectangle(40,2O,15,15)/奥运五环形状的按钮Button1.BackColor=Color.ChartreuseButton1.Size=NewSystem.Drawing.Size(65.65)Button1.Region=NewRegion(myGraphicsPath1EndSub三,结论可以看出在.NETFramework 中创建个性化的窗体和控件还是比较简单的.只要设置某些特殊的属性或是用.NETFR
15、AMEWORK 提供的 GraphicsPath 类来就可以完成.最后,事实上 Form 也是继承了System.windows.Forms.Control,从这角度来说,可以不用前面图形法而同样用.NETFramework 中提供了 GraphicsPath 类的方法来创建一个“个性化形状的窗体.责任编辑:张新雷(上接第 1O7 页)与平面镜 M2 和 M1 均成 45.,所以透射光和反射光分别近于垂直的入射 M2 和 M1 经 M2 和 M1 反射后又汇于分光板 A.最后两光束朝着 O 的方向射出 .转动粗动和微动手轮,可调节由精密丝杆控制的 M1 镜.使条纹的位置发生变化.M1 镜的移动
16、的同时带动固定在 M1 镜上的光电位移测量系统的光源 w(发光二极管 ),光源的移动导致光栅副相对移动 ,这时莫尔条纹便沿着与栅线近似相同的方向上相应的移动(若光栅相对移动一个栅距,莫尔条纹则相应的移动一个条纹间距),由于衍射作用,透过光栅副的光能量的分布将是一个近似的正弦波,用光电二极管接收透过光栅副的光能量,这时光电二极管的输出信号将随着光栅副处于不同位置而有强弱变化,而且光电二极管输出信号的周期数必将与光栅副相对移动的栅距数同步.即光栅副相对移动一个栅距,莫尔条纹移动一个间距,光电二极管输出一个信号周期.光电二极管接收到强弱变化的光能量,产生光生载流子,光生载流子参与导电形成光电流.光生载流子的数目直接取决于透过光栅副照射到光电二极管上的光能量,因此,光电流必然随光电二极管接收到的光能量的强度变化而改变.此时得到的电信号(光电流 )很微弱,通过差分运算放大电路对电信号的电压放大(使其达到能满足电路工作的要求 ),放大后信号波形更加平滑,更接近正弦波.把经放大的信号接人整形,微分电路,使光电
