闵渭兴　张周强　胥光申　李晓飞

【摘 要】针对传统迈克尔逊干涉测量位移精度较低的问题，本文提出了一种新型迈克尔逊干涉测量方法，该方法通过增加偏振分光棱镜来提高干涉条纹的明暗变化，很大程度上克服了传统迈克尔逊干涉灵敏度和测量精度较低的问题。实现了0.01mm微小位移的精确测量，且测量误差为0.044%，测量系统性能稳定，该系统可为后续的高精度测量提供宝贵的经验。

【关键字】迈克尔逊干涉;干涉条纹;激光干涉;测量位移

中图分类号： TN247 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）29-0136-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.29.062

Study on the Measurement Method of Tiny Displacement Based on Michelson Interference Principle

MIN Wei-xing ZHANG Zhou-qiang XU Guang-shen LI Xiao-fei

（Xian engineering university ， Xian Shaanxi 710048， China）

【Abstract】In order to solve the problem of low displacement accuracy of traditional Michelson interferometric measurement， a new Michelson interferometric method is proposed in this paper. this method improves the light and dark variation of interference fringes by adding polarization splitter prism， and greatly overcomes the problem of low Michelson interferometric sensitivity and measurement accuracy. The accurate measurement of 0.01mm micro displacement is realized， and the measurement error is 0.044%. The performance of the measurement system is stable. The system can provide valuable experience for subsequent high precision measurement.

【Key words】Michelson interference; Interference fringes; Laser interference; Measuring displacement

0 引言

干涉测距系统具有极高的测量精度和较强的环境抗干扰能力，在设备的机械振动精密测量和物理缺陷检测等方面，有着良好的借鉴价值和广泛的应用前景。祝继彬[1]利用光学倍频方法延长了光路的光程差，从而提高了迈克尔逊干涉仪的灵敏度与精度。Archbold等人[2]通过采集激光照射在物体表面的散斑图像来分析物体表面位移。杜振辉等人[3]提出了 一种基于激光光栅多普勒效应的微振动测量系统。

本文根据迈克尔逊干涉测量原理搭建了一种新型激光干涉测量系统，该系统通过加载偏振分光镜来改善条纹的清晰度并制作狭缝贴在光电探测器上以提高光电信号的采集精准度，调整光电探测器放大增益来提高干涉条纹光信号的稳定性。

1 实验装置及原理

基于传统迈克尔逊干涉测量原理，本文提出了一种新型激光干涉测量系统，在测量精度与准确度方面都得到了很大提升。其干涉原理如图1所示，He-Ne激光器作为光源输出一束具有线偏振态的激光束，被分光镜按1：1的分光比分成两束光，一束光 N1经过反射镜两次反射，到达偏振分光镜汇聚点，即作为参考光。另一束光N2穿过分光镜和偏振分光镜，并且经过M1（被测反射镜）反射到达偏振分光镜汇聚点，即作为测量光。两束光在汇聚点形成干涉，实现光强叠加得到干涉光。干涉光经过S（凸面镜）放大照射在被狭缝包装的光电探测上，经光电探测器将光信号转换为电信号由示波器和上位机进行双向数据处理。

图1 系统示意图

当反射镜M1产生位移时，干涉条纹会随着位移移动而明暗相间的变化。位移变化量为[4]：

Δd=■N（1）

式中：Δd为图中被测反射镜M1位移L1的距离，λ为He-Ne激光器的激光波长，N为干涉条纹的变化数目。

在光电探测器探测中依据光电信号转换原理，参考光与测量光在光电探测器中引起的电场强度分别为[5]：

■（2）

式中：f为He-Ne激光器输出的光波频率，φ1和φ2为两束光的初始相位。E01和E02分别是参考光和测量光的振幅。

光电探测器接收到光场强度引起的转换电流与两束光干涉后光场强度的平方成正比关系，即：

I∝|E1+E2|2=■（E■■+E■■）+E01E02cos（Δφ）（3）

式中：Δφ为两束光强的初始相位差。

2 实验结果及分析

实验分析，需要对采集的信号进行运算，并与真实值进行作比较，绘制测量值与真实值的曲线，观测误差大小。如图2即为实验中利用滑动导轨位移0.01mm的 6组实验数据采集，并绘制测量计算值与实际位移值之间的偏差曲线图，从图中可看出测量计算值相对于真实值相对偏差不到0.0025mm。

图2 测量值与真实值偏差点

绘制误差曲线后需要对误差进行计算，并对6组数据进行与真实值对比。从表1中可以看出提取出来的数据计算与真实值校对结果，得出相对的误差值最大为0.145%。

表1 实验结果误差计算

3 总结

本文搭建了一套完整的迈克尔逊干涉测量系统，在原始系统中加载了偏振分光镜、硅光电探测器以及狭缝来提高干涉条纹的采集精度和灵敏度，因此构成了一个新的测量系统，并使数据传输到示波器以及上位机中进行信号处理达到雙向的比较效果，根据示波器记录并提取由位移所引起的干涉条纹电信号变化，然后在后续信号处理中对数据进行优化，最后对条纹数进行运算得到位移。从实验结果可以看出实现了0.01mm微小位移的精确测量，且测量误差可达到0.044%，相比于传统的测量微小位移的方法，本实验有测量精度较高、设备成本较低、信号采集过程中产生噪声能力较小等优点，为在以后的干涉测量继续提高精度中提供了借鉴。

【参考文献】

[1]祝继彬.提高迈克尔逊干涉仪灵敏度及精度的可能性[J].光学学报，1982（06）：573-576.

[2]Archbold E， Ennos A E. Displacement measurement from double-exposure laser photographs[J].Optica Acta： International Journal of Optics，1972，19（4）：253-271.

[3]杜振辉，李淑清，蒋诚志，陶知非，高华，谢艳.激光光栅多普勒效应微小振动测量[J].光学学报，2004（06）：834-837.

[4]LI R S，XU Q，YE W J.Design of force transducer based on michelson interference[J].Electro-Optic Technology Application， 2015，30（2）;83-86.

[5]秦文强.基于FPGA的激光多普勒测振的研究[D].中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），2018.