CN112097667B - 一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法 - Google Patents

一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法，包括以下步骤：激光器发射光束传输至分光镜；分光镜将部分光束经参考镜反射后作为参考光束，其余光束穿过分光镜后进入真空容器内的测试样件上；包含测试样件特性的测试光束返回分光镜；反射出分光镜的测试光束与透射出分光镜的参考光束在传输至接收器的光程中发生干涉；接收器将干涉数据发送至数据采集单元；计算单元对接收的数据进行计算，得到测试样件未修正的形变数据；对未修正的形变数据进行修正，得到真实的形变数据。本申请的有益效果是：基于激光干涉原理，通过对环境气压实时反馈并进行折射率实时计算，最终实现对介质折射率变化造成光程差的补偿，实现压差形变的高精度测量。

Description

一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法
技术领域
本发明涉及光电测量技术领域，具体涉及一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法。
背景技术
随着加工水平的进步，超精密表面应用逐渐增加，超高精度(纳米级)检测需求日益增强，特别是针对航天领域特殊环境(真空低温)与特殊器件的测量，例如：导航系统中的控制力矩陀螺(CMG)核心高速转子需要真空密封，由于受大气压力作用，抽真空后其外部结构会因受到压力而产生变形，由于该器件的特殊性，微米量级的形变有可能造成内部转子的卡死，严重影响导航精度，目前主要通过仿真分析和电涡流方法进行测试，其中，电涡流测试方法精度最高仅达到微米量级，且无法识别变形方向，难以满足测量需求；此外高精度光学载荷，如空间望远镜等，对光学系统波相差要求一般小于衍射极限(0.25波长)，其波长级形面精度对结构位置精度提出了非常高的要求，当镜面从大气到真空环境时会产生形变，该形变会对像质造成影响，因此需要在地面完成真空环境下的纳米级镜面形变测量，并进行波像差的预补偿。
干涉法测量具有测量精度高、非接触等特点，是超精密测量的首选方法之一，目前大气环境下的干涉测量已经比较成熟。干涉测量法通过参考光路与测量光路的光程差判断被测试件的变形或位移，因此对空气折射率的稳定性要求较高。在航天器环境试验中，大气到真空环境(1.01*105pa～1.3*10-3pa)过程中测试件结构会因压差效应产生应力变形，特别是粗真空(1.01*105pa-1*102pa)阶段。目前真空环境(抽真空过程中)中的干涉测量方法没有得到应用，其主要原因是在抽真空过程中，由于容器内空气介质密度的改变，导致空气折射率的变化，造成测量路径光程误差的产生，最终系统测量精度严重下降。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法。
第一方面，本申请提供一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法，包括以下步骤：
激光器发射光束，传输至分光镜；
分光镜将部分光束经参考镜反射回分光镜内作为参考光束，其余光束穿过分光镜后通过光学窗口透射至真空容器内的测试样件上进行测试；
包含测试样件特性的测试光束穿过光学窗口后返回至分光镜内；
反射出分光镜的测试光束与透射出分光镜的参考光束在传输至接收器的光程中发生干涉，产生的干涉数据被接收器接收；
接收器将接收的干涉数据发送至数据采集单元；
计算单元对数据采集单元发送的数据进行计算，得到测试样件未修正的形变数据；
对未修正的形变数据进行修正，得到真实的形变数据。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述接收器将接收的干涉数据发送至数据采集单元还包括：压力传感器将真空容器内的压力数值实时传送至数据采集单元。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述得到测试样件未修正的形变数据，具体包括：根据干涉数据计算出测量的未修正的测试样件形变数据，得到未修正形变-时间对应关系。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述对未修正的形变数据进行修正，具体包括：
在获取的压力数值数据中提取气压-时间关键点；
对关键点的气压按照edlen公式进行气压-折射率的换算，得到关键点的气压-折射率-时间对应关系；
根据关键点的气压-折射率-时间对应关系按照关键点时间时的折射率对未修正形变-时间对应关系中对应的时间点时的未修正形变数据进行修正，得到测试样件真实形变数据。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述在获取的压力数值数据中提取气压-时间关键点，具体包括：在对真空容器抽真空过程中每隔设定压力间隔提取关键点，形成各关键点的气压-时间对应关系。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述根据关键点的气压-折射率-时间对应关系按照关键点时间时的折射率对未修正形变-时间对应关系中对应的时间点时的未修正形变数据进行修正，具体包括：
当参考臂与测量臂处于相同空气环境下时，参考臂与测量臂干涉测量结果用以下公式表示：
Figure BDA0002720336720000031
其中：
Figure BDA0002720336720000032
为大气环境下干涉测量系统相位差，λ为光波在真空中的波长，n为空气介质的折射率，L1为参考臂长度，L2为测量臂长度；
由于参考臂与测量臂距离为固定值，而且大气环境中参考臂和测量臂折射率相同，因此公式(1)中参考臂和测量臂折射率相同都用n表示；
在抽真空测量过程中，参考臂与测量臂置于不同环境中，参考臂所处环境的空气折射率固定，测量臂所处环境的空气折射率不断发生变化，使得测量臂随着压差改变发生形变，因此对公式(1)进行解析，可以得到以下结果：
Figure BDA0002720336720000033
其中：n2为测量臂所处环境的空气折射率，n0为参考臂所处环境的空气折射率，Δx为测试样件形变量；
公式(2)中：
Figure BDA0002720336720000041
其中：tn及tn+1为试验过程中任意两个相邻时间点；
将公式(3)代入公式(2)中：
Figure BDA0002720336720000042
Figure BDA0002720336720000043
可由干涉仪直接读出，n0、L1、L2为已知信息，
Figure BDA0002720336720000044
可根据气压-折射率-时间对应关系进行换算得到，因此由以上信息得到的测试样件形变量为tn时刻到tn+1时刻的测试样件形变量
Figure BDA0002720336720000045
即求出的形变量为未修正形变数据；
根据公式(4)求出的
Figure BDA0002720336720000046
可求出测试样件由试验开始时刻到结束时的真实形变量
Figure BDA0002720336720000047
Figure BDA0002720336720000048
根据本申请实施例提供的技术方案，所述在对真空容器抽真空过程中每隔设定压力间隔提取关键点，具体包括：在1.01*105pa-1*102pa真空状态下，每隔50pa提取关键点的气压，并记录该气压数值时对应的时间点；在1.01*105pa～1.3*10-3pa真空状态下，每隔100pa提取关键点的气压，并记录该气压数值时对应的时间点。
本发明的有益效果：本申请提供一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法，基于激光干涉原理，通过对环境气压实时反馈并进行折射率实时计算，最终实现对介质折射率变化造成光程差的补偿，提高了干涉方法测量压差形变的精度。该方法将干涉测量精度高、无靶标等特点与航天测试件结构特性结合，实现对微小型航天器件抽真空过程中形变情况的掌握，实现了气压变化环境下的纳米级测量应用需求，扩展了干涉测量法的应用范围。
附图说明
图1为本申请第一种实施例的结构原理示意图；
图2为本申请第二种实施例的流程图；
图3为本申请第二种实施例中参考臂长度及测量臂长度的示意图；
图中所述文字标注表示为：1、激光器；2、分光镜；3、参考镜；4、真空容器；5、接收器；6、数据采集单元；7、计算单元；8、光学窗口；9、测试样件；10、压力传感器；11、支撑机构。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
如图1所示为本申请的第一种实施例的结构原理示意图，本实施例是一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量装置，包括隔震平台，所述隔震平台上设有激光器1、分光镜2、参考镜3、真空容器4、接收器5、数据采集单元6及计算单元7；
所述参考镜3及接收器5对应分光镜2设置并设置在分光镜2的两侧；所述激光器1、分光镜2及真空容器4依次设置；
所述真空容器4靠近分光镜2一侧的侧壁上设有光学窗口8，测试样件9放置在所述真空容器4内；所述真空容器4内设有压力传感器10；
所述数据采集单元6用于接收接收器5发送的光信号以及压力传感器10发送的压力信号；所述计算单元7与数据采集单元6信号连接。
优选地，所述真空容器4内设有用于固定测试样件9的支撑机构11。
如图2所示为本申请第二种实施例的流程图，本实施例是应用第一种实施例的测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
S1、激光器发射光束，传输至分光镜。
S2、分光镜将部分光束经参考镜反射回分光镜内作为参考光束，其余光束穿过分光镜后通过光学窗口透射至真空容器内的测试样件上进行测试。
S3、包含测试样件特性的测试光束穿过光学窗口后返回至分光镜内。
S4、反射出分光镜的测试光束与透射出分光镜的参考光束在传输至接收器的光程中发生干涉，产生的干涉数据被接收器接收。
S5、接收器将接收的干涉数据发送至数据采集单元。
本实施例中，由于真空容器内设置压力传感器，数据采集单元除了接收接收器的数据外还实施接收压力传感器发送的真空容器内抽真空过程中的压力值。
S6、计算单元对数据采集单元发送的数据进行计算，得到测试样件未修正的形变数据。
本步骤，根据干涉数据计算出测量的未修正的测试样件形变数据，得到未修正形变-时间对应关系。
S7、对未修正的形变数据进行修正，得到真实的形变数据。
本步骤具体包括：
S71、在获取的压力数值数据中提取气压-时间关键点。
本步骤中，在对真空容器抽真空过程中每隔设定压力间隔提取关键点，形成各关键点的气压-时间对应关系。
具体包括：在1.01*105pa-1*102pa真空状态下，每隔50pa提取关键点的气压，并记录该气压数值时对应的时间点；在1.01*105pa～1.3*10-3pa真空状态下，每隔100pa提取关键点的气压，并记录该气压数值时对应的时间点。
S72、对关键点的气压按照edlen公式进行气压-折射率的换算，得到关键点的气压-折射率-时间对应关系。
S73、根据关键点的气压-折射率-时间对应关系按照关键点时间时的折射率对未修正形变-时间对应关系中对应的时间点时的未修正形变数据进行修正，得到测试样件真实形变数据。
本实施例中，要对未修正形变数据进行修正，需先经过以下分析：
当参考臂与测量臂处于相同空气环境下时，参考臂与测量臂干涉测量结果用以下公式表示：
Figure BDA0002720336720000071
其中：
Figure BDA0002720336720000072
为该环境下干涉测量系统相位差，λ为光波在真空中的波长，n为空气介质的折射率，L1为参考臂长度，L2为测量臂长度，如图3所示为本实施例中参考臂长度及测量臂长度的示意图。
由于参考臂与测量臂距离为固定值，而且处在相同环境中参考臂和测量臂折射率相同，因此公式(1)中参考臂和测量臂折射率相同都用n表示。
在抽真空测量过程中，参考臂与测量臂置于不同环境中，参考臂所处环境的空气折射率固定，一般放在大气空气环境下，测量臂放在真空容器内所处环境的空气折射率不断发生变化，使得测量臂随着压差改变发生形变，因此对公式(1)进行解析，可以得到以下结果：
Figure BDA0002720336720000073
其中：n2为测量臂所处环境的空气折射率，n0为参考臂所处环境的空气折射率，Δx为测试样件形变量；
公式(2)中：
Figure BDA0002720336720000074
其中：tn及tn+1为试验过程中任意两个相邻时间点；
将公式(3)代入公式(2)中：
Figure BDA0002720336720000075
在公式(4)中
Figure BDA0002720336720000076
可由干涉仪直接读出，n0、L1、L2为已知信息，
Figure BDA0002720336720000077
可根据气压-折射率-时间对应关系进行换算得到，因此由以上信息得到的测试样件形变量为tn时刻到
Figure BDA0002720336720000078
时刻的测试样件形变量
Figure BDA0002720336720000079
即求出的形变量为未修正形变数据；公式(4)中求得的Δx的数值即为S6步骤中未修正的形变数据。
根据公式(4)求出的
Figure BDA0002720336720000081
可求出测试样件由试验开始时刻到结束时的真实形变量
Figure BDA0002720336720000082
Figure BDA0002720336720000083
因此通过公式(4)中求出的各个相邻时刻的形变量
Figure BDA0002720336720000084
再将其代入公式(5)中即可求出试验开始时刻到结束时的真实形变量
Figure BDA0002720336720000085
也即S73步骤的形变修正过程。
以下对测试样件形变结构进行修正的必要性进行说明：
由公式(2)求出t1、t2两时刻的系统相位差：
Figure BDA0002720336720000086
根据以上公式(6)对气压变化为大气环境至真空环境进行分析，折射率从大气环境折射率1.0003，变化至真空环境折射率1，测量臂长为1米时，以常见633波长激光器为例，可以得到以下测试样件未发生形变，仅因折射率变化造成的测量误差结果：
Figure BDA0002720336720000087
进一步，若测试样件同时发生10μm形变/位移，折射率变化造成的测量误差结果可以表示为：
Figure BDA0002720336720000088
由以上公式(7)、(8)计算结果可知，因环境气压变化导致的折射率变化，造成的测量误差为微米量级，该误差会直接计入测量结果中，因此严重影响测量精度。以上因折射率造成的误差严重影响干涉测量在真空环境(抽真空过程)下的应用，无法实现在该环境下的纳米级测量。因此要实现干涉测量法在该环境中的高精度应用，首先需要对因气压变化引起的折射率变化进行计算，并由此对造成的光程误差进行修正，才能得到精确的测量结果。
通过以上公式(4)、(5)可以计算得出测试样件从大气到真空环境过程中，任意两时刻间测试样件的真实形变情况。
注意到公式(4)中折射率的计算采用了积分形式，因为抽真空过程中折射率是实时变化的，但由于采样频率等因素限制，同时为了易于实施，本方法中采用了按照一定压差间隔进行细分采样方法，如果压差足够细分，可以认为该细分时间段内折射率保持不变，以下进行详细说明：
折射率计算通过气压转换计算得出，采用间接测量空气折射率的edlen公式对气压-时间测量过程中的气压点对应折射率逐一进行计算，其中真空容器气压值通过真空容器的压力传感器及数据采集单元进行实时测量记录，记录真空容器从大气环境到真空环境(1.01*105pa～1.3*10-3pa)过程中，气压变化与时间对应关系。
在此以常用633nm氦氖激光器做干涉测量光源为例，在标准大气环境下，t＝20℃，p＝1×105Pa，edlen计算公式为：
Figure BDA0002720336720000091
公式(9)中：
(n-1)N为该状态下空气折射率N的尾数；
σ为光的真空波数，单位为μm-1。
对公式(9)进一步推导，可以得出当空气温度为20℃，真空容器内只有气压变化时的计算公式如下：
Figure BDA0002720336720000092
公式(10)中：p为实测大气压力，单位为pa。
根据公式(10)可以依次计算得出关键气压点对应折射率值。其中对测试时间点的选取依照以下形式，真空容器从大气环境到真空环境(1.01*105pa～1.3*10-3pa)过程中，每100pa为一个时间关键对应点，其中因压差效应产生应力形变的主要变化环境过程为粗真空状态(1.01*105pa-1*102pa)，在此对粗真空状态气压变化与时间对应关系细分至50pa时间关键对应点。通过公式(9)、(10)对气压为200pa及300pa环境时，折射率进行计算：
Figure BDA0002720336720000101
Figure BDA0002720336720000102
根据以上300pa和200pa折射率计算结果，通过公式(6)对气压变化导致折射率变化的测量误差进行计算：
Figure BDA0002720336720000103
由公式(13)，可知300pa到200pa变化过程中，因气压变化造成的折射率变化较小(10-9量级)，因折射率变化造成的测量误差较小，由此可说明在1.01*102pa～1.3*10-3pa环境范围内以100pa的压差间隔作为关键点的选取标准时合理的，因此100pa的压差间隔所引起的测量误差较小，满足测量需求。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
激光器发射光束，传输至分光镜；
分光镜将部分光束经参考镜反射回分光镜内作为参考光束，其余光束穿过分光镜后通过光学窗口透射至真空容器内的测试样件上进行测试；
包含测试样件特性的测试光束穿过光学窗口后返回至分光镜内；
反射出分光镜的测试光束与透射出分光镜的参考光束在传输至接收器的光程中发生干涉，产生的干涉数据被接收器接收；
接收器将接收的干涉数据发送至数据采集单元；
计算单元对数据采集单元发送的数据进行计算，得到测试样件未修正的形变数据；
对未修正的形变数据进行修正，得到真实的形变数据；
所述接收器将接收的干涉数据发送至数据采集单元还包括：压力传感器将真空容器内的压力数值实时传送至数据采集单元；
所述得到测试样件未修正的形变数据，具体包括：
根据干涉数据计算出测量的未修正的测试样件形变数据，得到未修正形变-时间对应关系；
所述对未修正的形变数据进行修正，具体包括：
在获取的压力数值数据中提取气压-时间关键点；
对关键点的气压按照edlen公式进行气压-折射率的换算，得到关键点的气压-折射率-时间对应关系；
根据关键点的气压-折射率-时间对应关系按照关键点时间时的折射率对未修正形变-时间对应关系中对应的时间点时的未修正形变数据进行修正，得到测试样件真实形变数据；
所述在获取的压力数值数据中提取气压-时间关键点，具体包括：在对真空容器抽真空过程中每隔设定压力间隔提取关键点，形成各关键点的气压-时间对应关系；
所述根据关键点的气压-折射率-时间对应关系按照关键点时间时的折射率对未修正形变-时间对应关系中对应的时间点时的未修正形变数据进行修正，具体包括：
当参考臂与测量臂处于相同空气环境下时，参考臂与测量臂干涉测量结果用以下公式表示：
Figure FDA0003267677830000021
其中：
Figure FDA0003267677830000022
为大气环境下干涉测量系统相位差，λ为光波在真空中的波长，n为空气介质的折射率，L1为参考臂长度，L2为测量臂长度；
由于参考臂与测量臂距离为固定值，而且大气环境中参考臂和测量臂折射率相同，因此公式(1)中参考臂和测量臂折射率相同都用n表示；
在抽真空测量过程中，参考臂与测量臂置于不同环境中，参考臂所处环境的空气折射率固定，测量臂所处环境的空气折射率不断发生变化，使得测量臂随着压差改变发生形变，因此对公式(1)进行解析，可以得到以下结果：
Figure FDA0003267677830000023
其中：n2为测量臂所处环境的空气折射率，n0为参考臂所处环境的空气折射率，Δx为测试样件形变量；
公式(2)中：
Figure FDA0003267677830000031
其中：tn及tn+1为试验过程中任意两个相邻时间点；
将公式(3)代入公式(2)中：
Figure FDA0003267677830000032
Figure FDA0003267677830000033
可由干涉仪直接读出，n0、L1、L2为已知信息，
Figure FDA0003267677830000034
可根据气压-折射率-时间对应关系进行换算得到，因此由以上信息得到的测试样件形变量为tn时刻到tn+1时刻的测试样件形变量
Figure FDA0003267677830000035
即求出的形变量为未修正形变数据；
根据公式(4)求出的
Figure FDA0003267677830000036
可求出测试样件由试验开始时刻到结束时的真实形变量
Figure FDA0003267677830000037
Figure FDA0003267677830000038
2.根据权利要求1所述的用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法，其特征在于，所述在对真空容器抽真空过程中每隔设定压力间隔提取关键点，具体包括：在1.01*105pa-1*102pa真空状态下，每隔50pa提取关键点的气压，并记录该气压数值时对应的时间点；在1.01*105pa～1.3*10-3pa真空状态下，每隔100pa提取关键点的气压，并记录该气压数值时对应的时间点。
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