当前课程知识点：光电仪器设计 > 第4章 干涉仪 > 4.2 双频干涉仪的位相测量方法 > 4.2 双频干涉仪的位相测量方法
上节课我们介绍了要精确地测量位移
首先需要准确地测量位相
那么测量位相有什么方法呢
这节课我们主要介绍测量位相常用的
相位卡和锁相放大器的工作原理
下面我们来看一下相位卡的工作原理
这是一个正弦信号
首先我们把它整形成方波
那么我们得到了
这样一个方波的参考信号
和一个方波的测量信号
为了求它的位相 我们可以这样做
用参考信号的上升沿触发
开始计数
然后测量信号的上升沿到了以后
停止计数
那么这样我们就得到了一系列的计数脉冲
比如说叫N正
那么如果我们知道参考信号的周期
我们又知道脉冲间隔
就可以用这个公式
求出参考信号和测量信号之间的位相差
这样做的问题就是说
如果参考信号TS测量不准
或者是计数脉冲的间隔没测准
那么都会导致位相测量误差
怎么解决这个问题呢
自然就想到 如果我们在整个周期里面
全填上脉冲
那么我们用这个脉冲来测量周期
是否就可以更好呢
比如说我们用测量信号的上升沿触发
开始计数
那么当参考信号的上升沿来了 停止计数
这样我们就得到了
这样一个脉冲序列N负
同样我们可以得到位相
如这个公式所示
用这两个公式联立
可以得到位相Δφ
我们看到这里面没有了参考信号的周期
也没有了计数脉冲的间隔
因此这样的测量位相方法
有助于减小频率波动导致的测量误差
我们管这种测量叫差动鉴相
也就是说 差动鉴相有助于减小
信号频率变化对测量的影响
刚才说的是信号频率的变化
那么如果信号幅度变化了呢
信号幅度变化
又会导致哪些位相测量误差呢
比如说这是一个正弦信号
那么它的比较电平是如这个红线所示
这时候呢
经过整形以后就得到了这样的方波
虽然这个比较电平可以是一个零电平
比如我们用电容隔去直流部分
只保留交流部分
但是有的时候信号它的低频成分非常大
所以电容不一定隔得很好
那么也就是说这时候信号幅度的漂移
会导致信号整成方波以后
它的占宽比的变化
比如说信号幅度长大了
那么它的占宽比就也有可能跟着长大
那么这时候我们来看一下
会对测量带来哪些影响呢
我们再回到之前的测量信号是一个方波
参考信号也是一个方波
参考信号的上升沿触发开始计数
测量信号的上升沿到了停止计数
我们就得到了一个位相
那么这个时候占宽比发生变化
对计数有什么影响呢
显然这时候N正会少计几个脉冲
而N负会多计几个脉冲
也就是说 这时候得到的位相
会比之前有所减小
那么怎么解决这个问题呢
我们想到的是
如果我通过另外一种计数办法
使得占宽比变化了以后
得到的位相比之前有所增加
那么这两个一平均
就可以使得测量误差有所减小
那怎么办呢
我们想到可以这样做
也就是说用参考信号的下降沿触发
测量信号的下降沿来了停止计数
那么这个时候呢
就得到了这样一个位相测量公式
如果占宽比发生变化了呢
那么这个时候
N'正我们会多计几个脉冲
而N'负我们会少计几个脉冲
也就是说Δφ'比之前测量的
会有所增加
那么这个时候如果用Δφ和Δφ'取平均
我们就可以抵消振幅波动导致的一阶误差
我们管这种方法叫双向鉴相
也就是说双向鉴相可以抵消振幅波动
导致的一阶误差
刚才我们介绍的信号
是非常干净的正弦信号
那么如果干涉信号被淹没在噪声中
就像这样
那么我们该如何提取这个干涉信号呢
下面我们来看一下锁相放大器的原理
锁相放大器
说白了就是一种相关的探测器
它是用参考信号和测量信号同频率的信号
进行相关 这个时候把它进行放大
也就是说在非常高的高频噪声中
它提取与参考信号相同频率的信号
那么不同频率的信号
就因为正负抵消而被削弱
我们来看一下它的原理
它的原理就是测量信号与参考信号相乘
然后输出直流部分
比如说这是干涉信号
那么这个是参考信号
它们俩相乘得到的是什么呢
是如这个公式所示
我们把后面这部分积化和差
并且只保留直流部分
就可以得到了一个
含有cos(φ-θ)的这么一个位相
而这个φ正是我们想要测量的
这里头我们可以看到
在这么脏的一个噪声里头
如何把我们想要的信号提取出来呢
这个信号如果输入到锁相放大器里面
提出的信号
是这样非常干净非常漂亮的信号
但是锁相放大器也不是万能的
它也有它的问题
它的问题是什么呢
它的问题是 需要比较长的积分时间
也就是说响应速度比较慢
为什么呢 因为它用了很多次平均
把噪声平均掉
如果信号中含有低频噪声
就需要平均的时间更长
下面我们小结一下这节课的内容
差动鉴相
可以减少信号频率漂移对测量的影响
而双向鉴相可以减小信号幅值变化
对测量的影响
那么锁相放大 它以牺牲时间为代价
把淹没在噪声中的信号提取出来
到此为止我们知道了相位卡是怎么鉴相的
也知道了双频激光是如何产生的
那么干涉仪是怎么工作的呢
这个我们在下节课讲
这节课就到这儿 谢谢
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
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