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能量天平位移测量系统研制

作　者: 孙拉拉
导　师: 黄强先
学　校: 合肥工业大学
专　业: 精密仪器与机械
关键词: 量子质量标准 纳米测量 激光干涉仪 稳频氦氖激光器 系统设计 误差分析 系统测试
分类号: TH744.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 53次
引　用: 1次
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内容摘要


随着社会的发展,对质量标准提出了新的要求,以前的实物质量标准,其稳定性和复现的准确度早已超过国际比对的不确定度,不能满足现代工业和科学技术对计量基准的要求。如果建立量子质量标准,准确度至少应该小于2×10-8,才有可能代替实物质量标准。提出的“能量天平”方案可以满足建立量子质量标准对准确度的要求,而在建立能量天平的过程中,需要知道z坐标的精确数值,这就需要激光干涉仪来完成。论文首先介绍了各种高精度的激光干涉仪及其发展现状,在此基础上提出高精度共模抑制偏振激光干涉测量系统。稳频氦氖激光器保证了光源的稳定性,测量光路采用整体式的布局,提高了测量系统的稳定性和灵敏度;光程差放大技术,提高了系统的分辨率;利用偏振光移相和共模抑制的方法,对干涉仪四路相互正交的信号进行差分处理,减小光强漂移以及环境变化对系统的影响。在干涉信号的处理上,设计光电探测电路,实现干涉信号的采集和预放大,设计后级处理电路,对信号实现直流偏移调节,运算放大和滤波等功能;通过A/D转换和软件处理,在计算机可以实时显示位移信号。分析了直流电平漂移、不等幅及非正交三种误差对细分精度的影响,并采用Heydemann模型对上述误差进行补偿,获得两路较为理想的正交信号。对激光干涉测量系统的误差源进行分析,并提出减小和消除误差的方法。通过对系统的性能进行测试和与双频激光干涉仪进行实验比对,对系统的性能和测量精度进行测试和估计。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-11
插图清单  11-12
表格清单  12-13
第一章 引言  13-19
  1.1 课题背景  13-17
    1.1.1 X射线单晶密度法测定阿伏加德罗常数（单晶硅粒子法）  13-15
    1.1.2 移动线圈功率天平测量普朗克常数（电学方法）  15-16
    1.1.3 晶粒子收集法  16-17
  1.2 研究目的  17-18
  1.3 研究的意义  18-19
第二章 测量原理  19-27
  2.1 各种激光干涉仪的测量原理介绍  19-25
    2.1.1 单频激光干涉仪  19-20
    2.1.2 外差激光干涉仪  20-21
    2.1.3 多光束干涉仪  21-22
    2.1.4 法布里-珀罗干涉仪  22-24
    2.1.5 光反馈激光开关干涉仪  24
    2.1.6 光纤干涉仪  24-25
    2.1.7 集成光学干涉仪  25
  2.2 激光干涉仪的发展历史及现状  25-27
第三章 激光干涉测量系统的设计  27-48
  3.1 系统的总体构成  27-28
  3.2 激光干涉测量系统的光路设计  28-35
    3.2.1 干涉光路的设计思想  28
    3.2.2 干涉测量光路的设计  28-29
    3.2.3 光路分析  29-31
    3.2.4 干涉光路光学器件的选取  31-33
    3.2.5 实验光路的调试  33-35
  3.3 激光干涉测量系统机械机构的设计及光路的固定  35-37
    3.3.1 机械结构的设计思想  35
    3.3.2 机械零件的组成  35-36
    3.3.3 光学原件的胶合和整个光路的固定  36-37
    3.3.4 最终的光路布局  37
  3.4 激光干涉测量系统的电路设计  37-44
    3.4.1 前置放大电路  38-40
    3.4.2 信号预放大和调理单元  40-44
  3.5 A/D 转换  44-46
  3.6 本章小结  46-48
第四章 系统性能测试及结果分析  48-59
  4.1 噪声测试及分辨率  48-51
    4.1.1 日光灯引起的噪声  48-49
    4.1.2 激光器功率不稳引起的噪声  49
    4.1.3 温度漂移测试  49-51
  4.2 动态测试  51-52
  4.3 误差分析  52-56
    4.3.1 干涉测量信号的三差分析及补偿  52-54
    4.3.2 激光干涉测量系统的误差分析  54-56
  4.4 实验比对  56-59
第五章 总结和展望  59-62
  5.1 实现目标  59-60
  5.2 优缺点  60
    5.2.1 优点  60
    5.2.2 缺点  60
  5.3 展望  60-62
参考文献  62-65
攻读硕士学位期间的研究成果  65-66

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 物理光学仪器 > 干涉仪
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