基于CCD的激光微位移测量系统研究

引　言

高精度的位移测量系统是机械、仪表、工具、兵器、宇航等产业获得位置精度的基础,也是上述产业产品及技术不断进步的制约因素。而这些方面光干涉计量以其能够精确到波长级的优势成为位移测量系统的主要代表。这里介绍一种以He-Ne激光器为光源基于多普勒效应的以CCD为条纹拾取装置的新型微位移测量系统,与传统的一些微位移干涉测量方法相比,该系统采用单色性及波长稳定性更好的He-Ne激光器作为光源[1,2],以CCD代替传统的光电探测器作为条纹拾取工具,与驱动电路和单片机相结合,配以条纹判向分频系统,实现了对条纹的细分及对微位移的自动精确测量,较大地提高了系统的测量精度和系统的稳定性并基本消除了人为的计数误差。

1　系统测量原理及组成

1.1　系统测量原理

任何形式的波传播,由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动,会使频率发生变化,这种频率变化称作多普勒频移。由被测物运动所散射的光的频移应当作为一个双重多普勒频移来考虑。运动物体相对于光源来说,相当于接受器,按多普勒效应原理,接受到的频率会随运动体增加(如图1):

式中,f0为光源辐射频率,u为运动物体表面速度,θ1为入射光和运动方向夹角,c为真空中光速。而运动物体又相当于一个发射天线,把接收到的辐射波发射出来,在θ2为方向的接收器也因多普勒效应,收到频率增高的光源信号。由(1)式得:

式中,S(t)为被测物体位移量,而F(t)为干涉条纹移动数。该系统以CCD为条纹拾取工具,来检测条纹移动数。

1.2　系统组成及原理

系统的整个测量过程最终是通过线阵CCD拾取干涉信号并经后续处理实现的,系统的基本光路如图2所示。He-Ne激光器发出的激光束经起偏器、1/4波片到达分光镜后分成两光束,其中光束1经前置透镜到达参考反射镜回到分光镜,光束2经前置透镜到达被测物体,由前节所述,当被测物体产生移动时,光束会产生多普勒频移,由(4)式返回的光与光束1的干涉条纹也会产生相应的移动。最后干涉条纹送入线阵CCD。以线阵CCD及其驱动系统取代传统的人眼或光电探测器作为干涉条纹拾取工具,CCD的光谱响应范围在0.4~1.2μm之间(属可见光及近红外光范围)具有2048个像元,光敏元在空间上和电气上彼此独立,其输出的电荷包空间分布与光强的空间分布成比例关系。干涉条纹的CCD视频信号通过后续数据采集、滤波放大、门限比较器、计数器、送入计算机自动处理并输出结果。CCD是在时钟脉冲控制下利用移位寄存器的功能实现电荷包的读取与输出,形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列。从CCD出来的信号经放大滤波后为图3中y1,再经比较器进行二值化处理,得到矩形信号图3中y2,其电平同TTL电平兼容。由于被测物体移动导致条纹相应移动,首先确定某标定像素i在y2为下降沿,然后跟踪i像素,为上升沿时计数器计数一次,这样经计数器得到干涉条纹的个数K。由于采集过程为动态采集,因此,可随时取出第1幅静态图像经后续处理计算像素i所在明暗条纹所占像元个数,设为M,像素i距上一下降沿像素数N。这样就实现了对移动条纹个数的细分,总的条纹移动数为: