单频激光测振仪信号探测与非线性校正算法优化研究

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1、硕士学位论文单频激光测振仪信号探测与非线性校正算法优化研究RESEARCHONSIGNALDETECTIONANDNON-LINEARCALIBRATIAOALGORIHTMOPTIMIZATIONOFHOMODYNELASERVIBROMETER李志君哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH741学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文单频激光测振仪信号探测与非线性校正算法优化研究硕士研究生：李志君：导师：胡鹏程教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年6月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringOPTIMIZATIONRESEARCHONSIGNALDETECTIONANDNON-LINEARCALIBRATIAOALGORIHTMOFHOMODYNELASERVIBROMETERCandidate：LiZhijunSupervisor：Prof.HuPengchengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality

3、：InstrumentScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要单频激光测振仪具有光路简单、测量精度高、集成度高等优点，可实现对振动、位移、加速度等工程量精密测量，被广泛地应用于科学研究和精密工业生产领域。近年来超精密制造和微机电系统工程的快速发展对单频激光干

4、涉测振仪提出了更高的测量速度和精度要求。首先，在高速振动测量场合，由于信号探测单元的带宽限制，单频激光干涉测振仪无法对高速振动进行有效测量；其次，由于现有非线性误差校正算法鲁棒性较低，导致其在实际测量中难以对非线性误差进行有效的校正，使得测振无法达到高精度要求。本课题“单频激光测振仪信号探测与非线性校正算法优化研究”主要围绕以上两点问题展开：研究通过实验设计和理论分析，确定了限制信号探测单元带宽的主要影响因素，并针对性地对信号探测单元的进行了优化设计，实现了高带宽低失真的光电信号探测；通过深入分析现有非线性误差校正算法的缺陷和不足，并结合实际测量目标的振

5、动特性，设计了高鲁棒性的非线性校正优化算法。最后，设计研制了一套单频激光测振仪。本课题主要研究工作如下：针对目前单频激光测振仪无法测量高速振动的问题，通过实验分析确定目前光电探测模块存在三点主要缺陷：跨阻放大电路带宽较低，测量通道之间相位特性不一致，以及光电探测器输出信号存在谐波失真。为此首先在原跨阻电路设计的基础之上，通过在芯片选型与阻容匹配优化工作，实现高增益、高带宽（5MHz）的跨阻放大功能；其次，提高各电路探测通道之间的对称性，保持多通道探测之间相位特性一致，并通过合理的PCB设计减小测量高速信号时相位特性不同引入附加相位延迟；最后，针对测量过程

6、中光电信号谐波失真的问题，分析光束直径与探测器线性度的关系，设计了合理的光束直径，消除了光电探测器的输出失真（55dB），最终实现了高带宽低失真的光电探测性能。针对现有非线性校正算法鲁棒性较低、在实际测量中通常又难以对非线性误差有效校正的问题，首先深入分析干涉信号不理想，即干涉信号幅值变化时，现有校正算法存在的缺陷；然后针对影响校正结果的环节进行优化设计，以提升直流偏置计算的准确性、提升输出信号幅值的稳定性；消除了校正过程中数据溢出现象，有效提高了非线性校正算法的鲁棒性。在上述研究的基础上，本文研制了高带宽高鲁棒性的单频激光测振仪。等效试验与实际测试结果

7、表明，本课题研制的单频激光测振仪信号带宽为5MHz，谐波抑制比为55dB；非线性校正算法鲁棒性提高，对于幅值调制深度0.8的干涉信号，-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文残余非线性误差小于2nm。关键词：振动测量；高速光电探测；非线性误差校正；单频激光干涉-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThehomodynelaservibrometerhastheadvantagesofsimpleopticalpath,highmeasurementaccuracyandhighintegration.Itcanrealizeaccuratem

8、easurementofengineeringquantitiessuchasv