激光干涉法測量微沖量數(shù)據(jù)處理方法

1、1激光干涉法測量微沖量數(shù)據(jù)處理方法葉繼飛，洪延姬，王廣宇，文明（裝備指揮技術(shù)學(xué)院激光推進(jìn)實(shí)驗(yàn)中心北京101416）摘要：采用激光干涉法測量微沖量是一種新的微沖量測量方法。該方法能夠有效的測量104~108N?s量級(jí)的微小沖量，并且能夠?qū)αΦ募虞d過程進(jìn)行定量的描述，是激光等離子體微推進(jìn)器（?LPT）研究過程中重要的測試手段。介紹了測量系統(tǒng)的組成及測量方法，進(jìn)行典型實(shí)驗(yàn)并提供了實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，重點(diǎn)討論了測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)處理過程中存在

2、的問題及數(shù)據(jù)處理方法的局限性進(jìn)行了分析。研究工作對(duì)于激光干涉法應(yīng)用于?N?s量級(jí)微沖量測量具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：激光等離子體微推進(jìn)器；激光干涉法；沖擊擺；微沖量中圖分類號(hào)：V文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：DataProcessingMethodofMicroimpulseMeasurementwithLaserInterferometryYEJifeiHONGYanjiWANGGuangyuWENMing(TheAcademyofEqu

3、ipmentCommlaserinterferometryballisticpendulummicroimpulse1引言微沖量測量技術(shù)是研究激光等離子體微推進(jìn)器（?LPT）過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。激光燒蝕靶材產(chǎn)生微小推力（107~104N）[12]，對(duì)應(yīng)的沖量大小通常在109~105N?s量級(jí)范圍內(nèi)。目前，對(duì)于該量級(jí)的微沖量測試是比較困難的。一方面，測量系統(tǒng)的噪音會(huì)影響精度；同時(shí)，力的加載過程需要處理，否則也會(huì)影響到測量精度，滿足當(dāng)前需

4、求的測量方法只有扭擺技術(shù)[34]。采用激光干涉法結(jié)合沖擊擺是一種新的微沖量測量方法，研究該方法的測量方案和數(shù)據(jù)處理方法對(duì)該方法的應(yīng)用具有比較重要的意義。沖擊擺是一種有效的測量沖量的裝置，對(duì)于104~103N?s的小沖量一般采用該裝置測量比較合適。對(duì)于更小沖量的測量則需要采用特殊的手段來記錄擺的運(yùn)動(dòng)信息。激光干涉法測量微小位移在工程上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[5]。該方法結(jié)合沖擊擺將能夠測量擺在nm尺度上的運(yùn)動(dòng)特征，通過對(duì)擺的運(yùn)動(dòng)特征的分析可以

5、定量描述力的加載過程，進(jìn)而達(dá)到測量沖量的目的。2測量方法測量系統(tǒng)主要由兩部分組成：激光干涉分系統(tǒng)和沖擊擺分系統(tǒng)。激光干涉分系統(tǒng)由HeNe激光器、分光鏡、角耦反射鏡、光電二極管以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（示波器）組成。如圖1所示為激光干涉分系統(tǒng)原理簡圖。30.40.20.00.20.40.60.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030FcedvibrationFreevibrationFreevibrationVoltag

6、eVTimesFig.4Typicalwavefmofdataacquisition3數(shù)據(jù)處理根據(jù)式（3）可知，確定力的作用規(guī)律必需測量幾個(gè)系統(tǒng)參數(shù)：J、mg、lC、b，同時(shí)還要得到角位置?以及角加速度?的變化規(guī)律。由（1）式可知，角信息需要由條紋變化規(guī)律得到，因此在整個(gè)沖量計(jì)算過程中，依次需要完成如下幾個(gè)方面的測量和處理：系統(tǒng)參數(shù)的測量；條紋數(shù)目和角信息的處理；力的加載過程和沖量的計(jì)算。3.1系統(tǒng)參數(shù)3.1.1質(zhì)量和長度的測量質(zhì)量m和

7、長度lC、b和a的測量相對(duì)比較容易，實(shí)驗(yàn)中采用微量天平和游標(biāo)卡尺進(jìn)行5次以上測量，以保證多次測量結(jié)果的均值盡量接近真值。3.1.2質(zhì)心對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J沖擊擺的質(zhì)心對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J可以通過理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測量來確定。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式，將整個(gè)沖擊擺分解為若干個(gè)規(guī)則的部分，對(duì)各部分分別求解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，結(jié)合平行軸定理和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的可疊加性，整合估算擺的質(zhì)心對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)擺的小角度簡化模型（忽略阻力）可以得到擺周期的計(jì)算公式：（4）Cm

8、glJT?2?于是，（5）224?TmglJC?如圖2示波器的記錄可見，自由振動(dòng)狀態(tài)下波形是條紋由稠密到稀疏再由稀疏到稠密的周期性變化過程，取整個(gè)數(shù)據(jù)電壓的均值（圖中點(diǎn)劃線），均值軸上的數(shù)據(jù)點(diǎn)便能夠反映整個(gè)條紋的變化規(guī)律。通過程序可以判讀過均值的數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及時(shí)間位置，同時(shí)也就能夠確定了圖中虛線指示的振幅位置的時(shí)間信息，相鄰的兩個(gè)振幅之間的時(shí)間差就是擺的半個(gè)周期。在自由振動(dòng)狀態(tài)下，擺的自然擺動(dòng)很穩(wěn)定，可以通過這種處理來計(jì)算擺的周期T。結(jié)

9、合前面測量得到的質(zhì)量和長度便能夠計(jì)算質(zhì)心對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。3.2角信息3.2.1角位置?i由上述處理過程，可以得到各過均值點(diǎn)的時(shí)刻以及各振幅位置的時(shí)刻，同時(shí)根據(jù)自由振動(dòng)狀態(tài)時(shí)相鄰兩最大位置時(shí)刻可以確定平衡位置。由此，根據(jù)（1）式可知相鄰兩個(gè)過均值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的擺的線位移為?4，擺的角位置??為?(4a)，因此，各過均值點(diǎn)的角位置?i為（6）)...321(40niaii?????????0為任意過均值點(diǎn)，i為各過均值點(diǎn)的標(biāo)號(hào)。令?0為平衡位

10、置處的過均值點(diǎn)時(shí)，?i=i??(4a)。3.2.2角速度?i與角加速度?i得到離散的各過均值點(diǎn)的角位置?i對(duì)應(yīng)的時(shí)間ti后，便可以計(jì)算各點(diǎn)的角速度?i和角加速度?i以便計(jì)算力和沖量。數(shù)據(jù)處理過程中，采用了兩種方法：割線法和增量多項(xiàng)式法。割線法割線法：對(duì)于各過均值點(diǎn)的角位置數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用相鄰兩點(diǎn)的線割斜率表示角速度。即（7）iiiiiiiiiitttt????????????1111??????????該方法對(duì)于離散的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行差分，得