一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法
本专利技术涉及光电测量
，具体涉及一种用于压差形变测量的纳米级干涉测量方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
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：其中：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：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：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：可由干涉仪直接读出，n0、L1、L2为已知信息，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即求出的形变量为未修正形变数据；根据公式(4)求出的可求出测试样件由试验开始时刻到结束时的真实形变量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。本专利技术的有益效果：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专利技术的技术方案，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；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n激光器发射光束，传输至分光镜；/n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；/n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；/n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；/n接收器将接收的干涉数据发送至数据采集单元；/n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；/n对未修正的形变数据进行修正，得到真实的形变数据。/n

【技术特征摘要】
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。


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。


3.根据权利要求2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。


4.根据权利要求3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。


5.根据权利要求4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。


6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丹艺，王劭溥，蒋山平，张鹏嵩，张磊，夏彦，杨林华，向艳红，李竑松，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11