低反射率表面物体的光纤在线高精度位移测量技术
发布时间：2020-12-28 03:03
在微电子、精密仪器制造甚至整个产品加工和工业技术的精度要求越来越高的今天,高精度的纳米测量技术越来越受到重视。而位移量作为最基本的物理量之一,对位移量的精密测量显得尤为重要,其应用场合也十分广泛。其中,光学干涉的位移测量方法因其具有高分辨率、高精度、非接触等优点在高精度位移测量中得到广泛应用。但是,现有的光学干涉测量方法对环境干扰敏感、难以进行在线测量,以及对被测表面的反射率有要求,难以对低反射率表面的物体进行测量。针对现有光学干涉位移测量方法的不足,本论文提出并试验了一种适用于从低到高各种反射表面的物体进行在线测量的光纤高精度位移干涉测量系统。系统中包含两个光纤Mach-Zehnder干涉仪。两个激光器发出的两个不同波长分别用于稳定光纤Mach-Zehnder干涉仪和测量被测物体的位移。一个波长的光通过干涉仪形成干涉信号,这个信号通过反馈控制系统补偿光纤Mach-Zehnder干涉仪因受到外界干扰的影响而产生光程的波动,从而使得光纤Mach-Zehnder干涉仪具有很强的抵抗环境干扰的能力,因此该系统适用于在线测量。另一波长的光从被测物体反射回来,重新进入干涉系统实现对被测物体的位移...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２强度调制型位移传感器原理
出光纤发射的光的强度可以根据被测量的状态（物体位移）被调制，携带调制信息??的光信号被反射回输出光纤进入光电探测器。因此，通过判断输出光纤中光强的值??就能够计算得到反射面与光纤端面之间的位移量。其简化后的结构原理图如图１－??２（ａ）所示。进行照明和检测的传感器既有单光束也有多光束的，这里只是选取最简??单的情形。??物体表面?变尝‘‘光峰??输入光纤?Ｉ?ｒｆ?Ｌ??高反射???ｈ?／?＼??低反射???＿?／?＼幻坡??输出光纤?＇输出光纤镜像?丨??（ａ）?（ｂ）?距离??图１－２强度调制型位移传感器原理。（ａ）反射式位移传感器原理图??（ｂ）反射式位移传感器的响应曲线??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?ｆｉｂｅｒ?ｏｐｔｉｃ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?ｓｅｎｓｏｒ?ｆｏｒ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ??（ａ）?Ｔｗｏ－ｆｉｂｅｒ?ｓｅｎｓｏｒ，?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｔｈｅ?ｏｂｊｅｃｔ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??（ｂ）?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｓｉｇｎａｌ?ｖｅｒｓｕｓ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｆｏｒ?ａｎ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｂａｓｅｄ?ｆｉｂｅｒ?ｏｐｔｉｃ??ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ?ｓｅｎｓｏｒ??通常，基于强度的传感器将具有与图１－２?（ｂ）中所示的响应曲线。响应的特点??是零信号在零距离和大距离处，光强度在靠近光纤尖端的一个特定距离时达到最??大。这种现象可以由简单的几何和光线跟踪模型图理解，考虑到被照明区域和接收??区域在物体表面的重叠部分，以及照明的物体表面和检测光纤接收区之间形成的??立体角。因此
广泛应用于干涉测量、地形测量、光学对准（线性和角度传感）和实验力学中心１７］。??基本上，该技术需要两个周期性或准周期性结构接触放置或一个投影到另一个，其??原理图如图１－４，将两个光栅刻线的间距相等的线性光栅平行重合放置，保证两者??尽量靠近且光栅线平行但两者又保持一定的小的夹角时，就会在近似垂直栅线的??方向上出现明暗相间的莫尔条纹，莫尔条纹的明暗变化通常由ＣＭＯＳ传感器（相??机）来捕捉。物体移动带动光栅移动，传感器输出的电信号为含有光栅位移值的近??似正弦信号，经过运算放大器放大为合适大小的电压值，在经过整形电路整形成方??波，最后微分得到脉冲信号，它的一个周期对应一个莫尔条纹的间距，也就是说物??体移动了一个栅距［１８－２０］。周期数乘以栅距就可以计算处光栅移动的实际位移值。由??于传感器捕捉的是光强的变化，为了尽可能提高信噪比，必须让光强的正弦信号的??峰峰值尽量大。那么必须使两个光栅间距很小并且稳定的移动。但是在光栅相对运??动的过程中，本身就会带来振动，产生误差，同时要求光栅与外部密封隔离，防止??由于外部污染物引起的测量过程的可能变形。两个光栅之间距离变小
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于EDFA和级联RFA的混合光纤放大器的设计[J]. 巩稼民,杨萌,孟令贺,郭翠. 半导体光电. 2017(03)
[2]反射式强度补偿光纤角位移传感器研究[J]. 祝睿雪,景锐平,程永进. 传感器与微系统. 2017(06)
[3]基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统[J]. 吕强,李文昊,巴音贺希格,柏杨,刘兆武,王玮. 中国光学. 2017(01)
[4]反射式光纤位移传感器现场应用快速定标[J]. 李世念,刘力强,卓燕群,汲云涛. 仪表技术与传感器. 2016(12)
[5]压电陶瓷驱动器的迟滞特性[J]. 范伟,林瑜阳,李钟慎. 光学精密工程. 2016(05)
[6]EDFA增益瞬态控制研究的最新进展[J]. 占生宝,丁健. 激光技术. 2015(05)
[7]激光三角法在物面倾斜时的测量误差研究[J]. 李冬冬,王永强,许增朴,周聪玲. 传感器与微系统. 2015(02)
[8]基于三角法的激光位移传感器的设计及实现[J]. 贾琦,谢劲松. 长春大学学报. 2014(08)
[9]一种新型光谱共焦位移测量系统研究[J]. 柳晓飞,邓文怡,牛春晖,金博石. 传感器与微系统. 2013(04)
[10]自适应光学闭环系统实时多路自适应控制算法[J]. 颜召军,李新阳,饶长辉. 光学学报. 2013(03)
博士论文
[1]基于干涉原理的光纤传感器设计与特性研究[D]. 温晓东.北京交通大学 2016
[2]大量程光纤绝对测距仪研究[D]. 钟明.天津大学 2004
[3]大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究[D]. 苏绍璟.国防科学技术大学 2001
硕士论文
[1]外差式光栅粗/细位移测量系统的研究[D]. 陈航.哈尔滨工业大学 2017
[2]激光干涉位移及速度测量中的关键技术研究[D]. 祝宏彬.南京师范大学 2017
[3]基于色散共焦法的精密元件三维检测方法研究[D]. 刘海霞.天津工业大学 2017
[4]双光路对称补偿的激光三角法位移测量系统[D]. 姜蕾.浙江大学 2017
[5]大行程纳米分辨力光栅位移测量系统研究[D]. 胡小娟.合肥工业大学 2016
[6]基于空心光纤的Fabry-Perot干涉仪及其传感应用研究[D]. 秦铂洋.哈尔滨工程大学 2016
[7]掺铒光纤放大器的优化设计及实验研究[D]. 贾颖.安徽理工大学 2015
[8]基于双光栅干涉的三维位移测量技术研究[D]. 魏培培.哈尔滨工业大学 2015
[9]基于光纤光栅和MZ干涉仪的全光纤传感器研究[D]. 刘慧莹.天津理工大学 2015
[10]基于相位调制的激光干涉位移测量系统关键技术研究[D]. 马琳.合肥工业大学 2014
本文编号：2943014
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２强度调制型位移传感器原理
出光纤发射的光的强度可以根据被测量的状态（物体位移）被调制，携带调制信息??的光信号被反射回输出光纤进入光电探测器。因此，通过判断输出光纤中光强的值??就能够计算得到反射面与光纤端面之间的位移量。其简化后的结构原理图如图１－??２（ａ）所示。进行照明和检测的传感器既有单光束也有多光束的，这里只是选取最简??单的情形。??物体表面?变尝‘‘光峰??输入光纤?Ｉ?ｒｆ?Ｌ??高反射???ｈ?／?＼??低反射???＿?／?＼幻坡??输出光纤?＇输出光纤镜像?丨??（ａ）?（ｂ）?距离??图１－２强度调制型位移传感器原理。（ａ）反射式位移传感器原理图??（ｂ）反射式位移传感器的响应曲线??Ｆｉｇｕｒｅ?１－２?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?ｆｉｂｅｒ?ｏｐｔｉｃ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?ｓｅｎｓｏｒ?ｆｏｒ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ??（ａ）?Ｔｗｏ－ｆｉｂｅｒ?ｓｅｎｓｏｒ，?ｓｈｏｗｉｎｇ?ｔｈｅ?ｏｂｊｅｃｔ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??（ｂ）?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｓｉｇｎａｌ?ｖｅｒｓｕｓ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｆｏｒ?ａｎ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｂａｓｅｄ?ｆｉｂｅｒ?ｏｐｔｉｃ??ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ?ｓｅｎｓｏｒ??通常，基于强度的传感器将具有与图１－２?（ｂ）中所示的响应曲线。响应的特点??是零信号在零距离和大距离处，光强度在靠近光纤尖端的一个特定距离时达到最??大。这种现象可以由简单的几何和光线跟踪模型图理解，考虑到被照明区域和接收??区域在物体表面的重叠部分，以及照明的物体表面和检测光纤接收区之间形成的??立体角。因此
广泛应用于干涉测量、地形测量、光学对准（线性和角度传感）和实验力学中心１７］。??基本上，该技术需要两个周期性或准周期性结构接触放置或一个投影到另一个，其??原理图如图１－４，将两个光栅刻线的间距相等的线性光栅平行重合放置，保证两者??尽量靠近且光栅线平行但两者又保持一定的小的夹角时，就会在近似垂直栅线的??方向上出现明暗相间的莫尔条纹，莫尔条纹的明暗变化通常由ＣＭＯＳ传感器（相??机）来捕捉。物体移动带动光栅移动，传感器输出的电信号为含有光栅位移值的近??似正弦信号，经过运算放大器放大为合适大小的电压值，在经过整形电路整形成方??波，最后微分得到脉冲信号，它的一个周期对应一个莫尔条纹的间距，也就是说物??体移动了一个栅距［１８－２０］。周期数乘以栅距就可以计算处光栅移动的实际位移值。由??于传感器捕捉的是光强的变化，为了尽可能提高信噪比，必须让光强的正弦信号的??峰峰值尽量大。那么必须使两个光栅间距很小并且稳定的移动。但是在光栅相对运??动的过程中，本身就会带来振动，产生误差，同时要求光栅与外部密封隔离，防止??由于外部污染物引起的测量过程的可能变形。两个光栅之间距离变小
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于EDFA和级联RFA的混合光纤放大器的设计[J]. 巩稼民,杨萌,孟令贺,郭翠. 半导体光电. 2017(03)
[2]反射式强度补偿光纤角位移传感器研究[J]. 祝睿雪,景锐平,程永进. 传感器与微系统. 2017(06)
[3]基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统[J]. 吕强,李文昊,巴音贺希格,柏杨,刘兆武,王玮. 中国光学. 2017(01)
[4]反射式光纤位移传感器现场应用快速定标[J]. 李世念,刘力强,卓燕群,汲云涛. 仪表技术与传感器. 2016(12)
[5]压电陶瓷驱动器的迟滞特性[J]. 范伟,林瑜阳,李钟慎. 光学精密工程. 2016(05)
[6]EDFA增益瞬态控制研究的最新进展[J]. 占生宝,丁健. 激光技术. 2015(05)
[7]激光三角法在物面倾斜时的测量误差研究[J]. 李冬冬,王永强,许增朴,周聪玲. 传感器与微系统. 2015(02)
[8]基于三角法的激光位移传感器的设计及实现[J]. 贾琦,谢劲松. 长春大学学报. 2014(08)
[9]一种新型光谱共焦位移测量系统研究[J]. 柳晓飞,邓文怡,牛春晖,金博石. 传感器与微系统. 2013(04)
[10]自适应光学闭环系统实时多路自适应控制算法[J]. 颜召军,李新阳,饶长辉. 光学学报. 2013(03)
博士论文
[1]基于干涉原理的光纤传感器设计与特性研究[D]. 温晓东.北京交通大学 2016
[2]大量程光纤绝对测距仪研究[D]. 钟明.天津大学 2004
[3]大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究[D]. 苏绍璟.国防科学技术大学 2001
硕士论文
[1]外差式光栅粗/细位移测量系统的研究[D]. 陈航.哈尔滨工业大学 2017
[2]激光干涉位移及速度测量中的关键技术研究[D]. 祝宏彬.南京师范大学 2017
[3]基于色散共焦法的精密元件三维检测方法研究[D]. 刘海霞.天津工业大学 2017
[4]双光路对称补偿的激光三角法位移测量系统[D]. 姜蕾.浙江大学 2017
[5]大行程纳米分辨力光栅位移测量系统研究[D]. 胡小娟.合肥工业大学 2016
[6]基于空心光纤的Fabry-Perot干涉仪及其传感应用研究[D]. 秦铂洋.哈尔滨工程大学 2016
[7]掺铒光纤放大器的优化设计及实验研究[D]. 贾颖.安徽理工大学 2015
[8]基于双光栅干涉的三维位移测量技术研究[D]. 魏培培.哈尔滨工业大学 2015
[9]基于光纤光栅和MZ干涉仪的全光纤传感器研究[D]. 刘慧莹.天津理工大学 2015
[10]基于相位调制的激光干涉位移测量系统关键技术研究[D]. 马琳.合肥工业大学 2014
本文编号：2943014
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