双频激光干涉仪的程控倍频计数器设计

　　0　引言

　　随着现代机械工程学、机器人技术、空间跟踪和定位技术的发展,对绝对长度精密测量仪器发展的兴趣有了很大的提高。外差式激光双频干涉仪是应用广泛的高精度长度测量仪器[1]。横向塞曼稳频激光器由于其固有的双频频差小,结构紧凑,频率稳定度较高,直接输出一对正交的线偏振光,非常适合于微位移测量。微位移测量计数器是双频激光干涉仪主要组成部分,用以完成对由位移产生的干涉条纹进行细分、辨向和计数。细分技术分为光学细分和电子细分。光学细分对光路精度要求较高,难实现;电子细分相对光学细分不影响仪器的测量速度,得到广泛的应用,以往的细分电路都是固定的细分数,不能程控。另外由于计数器容量的限制,对仪器的量程有较大的约束。

　　本文提出的基于NE564程控倍频模块可实现对输入信号进行2,4,8,16四种倍频处理。基于8254的双通道缓冲连续计数模块可对输入信号进行无限计数并可直接算出频差。

　　1　双频干涉仪工作原理

　　双频激光干涉仪仍采用麦克尔逊干涉光路,即激光束经分光后分别经参考臂、测量臂,回到分光镜并发生干涉[2]。与普通单频干涉仪不同的是双频激光是由频率不同、偏振方向各异的两个分量组成。如图1,是由横向塞曼效应稳频激光器作为光源的双频激光干涉仪的基本光路。

　　这里直接给出双频激光测长的基本公式

　　式中,L为测量角锥棱镜移动的距离;λ为光波的波长;N代表的是在同一时间t内,测量臂和参考臂两路信号脉冲数的差值,由上式可知记录到N值便可推导出测量角锥棱镜移动的距离[3-4]。若通过锁相细分技术将两路信号进行倍频,设倍频数为m,在与未倍频时相等的时间t内,测得的差值为N1。则有

　　将式(2)代入式(1)得

　　由上式可以看出测量的分辨力和倍频系数m有关。m越大,测量的分辨力越高。这就是本测量系统测量长度的基本公式。

　　2　硬件电路设计

　　2.1　总体结构设计

　　硬件电路的主要功能是将图1中通过检偏器的两路信号(参考光信号和测量光信号)进行光电转换,转换成后续电路可以处理电信号;然后将电信号进行倍频处理,从而控制式(3)中的倍频系数m,来控制测量分辨力;最后对倍频后的两路信号进行连续计数并有辨向功能,实时求出两路信号的差值,计算出被测长度并显示结果。如图2所示,硬件电路由光电转换、放大整形、锁相细分、计数、单片机、键盘、液晶显示等部分组成。本文主要介绍程控倍频模块和双通道缓冲连续计数模块。

　　2.2　锁相细分模块