基于迈克尔逊干涉原理的微压力传感器设计
发布时间：2021-06-13 23:15
极端微压力检测是压力检测领域中的难点,目前微压力传感器的量程最小可低至0.1k Pa左右,很难有微压力传感器的量程能低至0.03k Pa以下。如今仪器仪表、工业控制、航空航天等领域均需要进行极端微小压力的测量。要实现极端微压力的测量,一种途径是使用比现有材料更高应变系数的压力敏感材料作为压敏元件,另一种途径是使用合适的测量方法。本文根据迈克尔逊干涉条纹能随物体微小位移而变化的特性,设计了一种基于迈克尔逊干涉原理的微压力传感器,能有效测量出干涉条纹的位移量,从而计算出膜片的微位移,然后根据弹性力学原理计算出此膜片所受的压力大小。本文使用嵌入式系统采集由迈克尔逊干涉装置产生的干涉条纹图像,对膜片受压时变化的条纹图像进行分析、处理,计算出干涉条纹准确的位移量。通过建立压力和位移量的数学模型,从而计算微压力。本传感器采用了智能式结构,系统硬件电路分为五个部分:图像采集模块、测温模块、LCD显示模块、SD卡存储模块和外部SRAM模块。本文设计了各模块电路,并编写了相应的驱动程序。图像处理算法包括图像灰度化、背景去除、滤波、二值化、条纹细化等算法。最后,对微压力传感器进行了电路焊接,软件调试,系统...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等倾干涉条纹图
南京信息工程大学硕士学位论文8根据干涉极值条件[27]，如果光程差为半个波长的偶数倍，形成相长干涉，将产生亮条纹，如果光程差为半个波长的奇数倍，形成相消干涉，将产生暗条纹。由式(2-3)可以看出，由于M1和M2垂直，所以M1和M2’平行，因此薄膜厚度d为一个常量，那么光程差只由入射光的倾角i决定，相同倾角的光线的光程差相等，将处在同一条条纹上，呈轴对称分布，构成了一个垂直于等效薄膜的光锥，所以其干涉条纹为一个圆环。当一条条入射倾角不同的光线同时发生干涉时，其图像是一圈圈同心圆环。此现象又将之称为等倾干涉[28]，当M1发生微小移动，各圆条纹会相应地变化，当d减小时，各圆条纹不断陷入中心，条纹越来越稀疏，当d增大时，圆条纹不断从中心出现，如图2-3所示。图2-3等倾干涉条纹图图2-4等厚干涉条纹图n1n2SPABCDd图2-5等厚干涉示意图当M1和M2不完全垂直时，M1和M2’不完全平行，如图2-5所示。光源S产生的光经过反射镜的反射和透射，经过手动微调反射镜的位置和角度，让两路光聚集在B点形成干涉条纹，此时两条光路的光程差为：12=n(SACPSDDP)n(ABBC)(2-4)由式(2-3)可知，光程差取决于入射倾角i和薄膜厚度d，当使用平行光照射时，入射倾角i不变，厚度d的变化均匀，光程差相同的光线汇聚形成同条干涉条纹，此现象又将之称为等厚干涉，如图2-4所示，当M1发生微小移动，各个条纹会发生移动，当d增大或者减小时，等厚条纹会向左或向右发生移动，如图2-4所示。
第二章迈克尔逊干涉的微压力测量原理15光源图像采集模块弹性膜片抛光面全反射镀膜图2-10立方体分束镜示意图图2-11立方体分束镜实物图为了使设计对象更小巧，更稳定，本装置使用的立方体分束镜及其对光路的影响图如图2-10所示，图中的立方体是由两个完全相同的直角棱镜的斜面贴合而成，贴合面镀上一层半透半反射膜，分光比（反射率和折射率之比）为1:1。由于是两个完全相同的直角棱镜，所以分开后的两束相干光光在棱镜中所行径的光程完全相同，因此使用立方体分束镜能够取代补偿板的作用。又为了避免光线穿越过多的介质（反射镜和分束镜之间的介质），造成光能量得损失，在立方体分束镜靠近光源面的另一侧镀上一层银质反射膜，起到固定镜的作用。立方体分束镜实物如图2-11所示。通过此设计，让迈克尔逊干涉组件中的分束镜、补偿板和固定镜合三为一，实现了装置的小型化，降低了整个设计的成本和提高了此设计的稳定性。2.3.4摄像头模块选型摄像头是将干涉条纹的物理信号转化成数字信号的工具，摄像头的性能能直接影响处理器的处理效率和处理精度。目前主流摄像头的感光传感器分为两种：CCD和CMOS[33]。CCD和CMOS的成像均靠光电效应从光产生电信号。两种类型的成像元件原理都是将光信号转换成电荷并将其处理成电信号，CCD和CMOS的优缺点对比如表2-2所示。由表可知，从本设计小型化、低成本的目标来看，选择CMOS为图像传感器的摄像头。根据处理器的处理能力和处理干涉条纹所需要的帧数，本设计选取OV7725摄像头模块作为图像传感器模块[34]。图2-12为OV7725的功能框图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]等倾干涉条纹与牛顿环的比较[J]. 杨小云,赵娟. 科技资讯. 2020(01)
[2]“胡克定律”实验探究课堂教学案例[J]. 吴广国,邹斌. 中学物理教学参考. 2019(23)
[3]基于DS18B20的多路温度采集报警系统设计[J]. 宗培源. 化学工程与装备. 2019(11)
[4]迈克尔逊干涉实验的非标准干涉现象及解决的方法[J]. 杨文虎,赖学辉,李永强,张海康,郑明军,莫竣成. 中国现代教育装备. 2019(21)
[5]基于激光干涉仪驱动电路的数模电路实践教学平台研究[J]. 王爽. 信息通信. 2019(10)
[6]摄像机CCD与CMOS图像传感器工作原理[J]. 李育林. 科技经济导刊. 2019(25)
[7]基于FPGA的图像自适应加权均值滤波设计[J]. 武昊男,储成群,任勇峰,焦新泉. 电子技术应用. 2019(03)
[8]浅谈压力计量检定常见问题的处理[J]. 陈祎. 科技经济导刊. 2019(03)
[9]MEMS智能传感器技术的新进展[J]. 赵正平. 微纳电子技术. 2019(01)
[10]迈克尔逊干涉仪测波长的不等间隔条纹计数法的探讨[J]. 艾德智,王哲婕,薛江蓉. 大学物理实验. 2018(05)
博士论文
[1]全双工模式下高效资源分配方法研究[D]. 朱敏.南京邮电大学 2018
硕士论文
[1]NAND闪存存储器的特性研究[D]. 杨文静.山东大学 2019
[2]散斑干涉条纹图的信息提取方法研究[D]. 薛亚男.山东师范大学 2019
[3]面向硬件实现的图像滤波及噪声估计算法研究[D]. 贾丽敏.西安电子科技大学 2017
[4]基于CUDA的二值图像连通域快速标记算法改进研究[D]. 穆天红.陕西科技大学 2014
[5]基于嵌入式Linux的干涉图像处理技术研究[D]. 张宏亮.南京理工大学 2014
[6]一种新型真空压力传感器的设计与试验研究[D]. 蒋瑞斌.湖南大学 2013
[7]基于迈克尔逊干涉型光纤流量传感器的研究[D]. 曹飞.电子科技大学 2013
[8]压阻式微压力传感器的研究[D]. 王峰.北方工业大学 2012
[9]基于阈值的图像分割技术在简牍中的应用[D]. 张阳洁.成都理工大学 2010
[10]基于光纤迈克尔逊干涉原理的应变测试系统设计[D]. 杨明.南京航空航天大学 2007
本文编号：3228544
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
等倾干涉条纹图
南京信息工程大学硕士学位论文8根据干涉极值条件[27]，如果光程差为半个波长的偶数倍，形成相长干涉，将产生亮条纹，如果光程差为半个波长的奇数倍，形成相消干涉，将产生暗条纹。由式(2-3)可以看出，由于M1和M2垂直，所以M1和M2’平行，因此薄膜厚度d为一个常量，那么光程差只由入射光的倾角i决定，相同倾角的光线的光程差相等，将处在同一条条纹上，呈轴对称分布，构成了一个垂直于等效薄膜的光锥，所以其干涉条纹为一个圆环。当一条条入射倾角不同的光线同时发生干涉时，其图像是一圈圈同心圆环。此现象又将之称为等倾干涉[28]，当M1发生微小移动，各圆条纹会相应地变化，当d减小时，各圆条纹不断陷入中心，条纹越来越稀疏，当d增大时，圆条纹不断从中心出现，如图2-3所示。图2-3等倾干涉条纹图图2-4等厚干涉条纹图n1n2SPABCDd图2-5等厚干涉示意图当M1和M2不完全垂直时，M1和M2’不完全平行，如图2-5所示。光源S产生的光经过反射镜的反射和透射，经过手动微调反射镜的位置和角度，让两路光聚集在B点形成干涉条纹，此时两条光路的光程差为：12=n(SACPSDDP)n(ABBC)(2-4)由式(2-3)可知，光程差取决于入射倾角i和薄膜厚度d，当使用平行光照射时，入射倾角i不变，厚度d的变化均匀，光程差相同的光线汇聚形成同条干涉条纹，此现象又将之称为等厚干涉，如图2-4所示，当M1发生微小移动，各个条纹会发生移动，当d增大或者减小时，等厚条纹会向左或向右发生移动，如图2-4所示。
第二章迈克尔逊干涉的微压力测量原理15光源图像采集模块弹性膜片抛光面全反射镀膜图2-10立方体分束镜示意图图2-11立方体分束镜实物图为了使设计对象更小巧，更稳定，本装置使用的立方体分束镜及其对光路的影响图如图2-10所示，图中的立方体是由两个完全相同的直角棱镜的斜面贴合而成，贴合面镀上一层半透半反射膜，分光比（反射率和折射率之比）为1:1。由于是两个完全相同的直角棱镜，所以分开后的两束相干光光在棱镜中所行径的光程完全相同，因此使用立方体分束镜能够取代补偿板的作用。又为了避免光线穿越过多的介质（反射镜和分束镜之间的介质），造成光能量得损失，在立方体分束镜靠近光源面的另一侧镀上一层银质反射膜，起到固定镜的作用。立方体分束镜实物如图2-11所示。通过此设计，让迈克尔逊干涉组件中的分束镜、补偿板和固定镜合三为一，实现了装置的小型化，降低了整个设计的成本和提高了此设计的稳定性。2.3.4摄像头模块选型摄像头是将干涉条纹的物理信号转化成数字信号的工具，摄像头的性能能直接影响处理器的处理效率和处理精度。目前主流摄像头的感光传感器分为两种：CCD和CMOS[33]。CCD和CMOS的成像均靠光电效应从光产生电信号。两种类型的成像元件原理都是将光信号转换成电荷并将其处理成电信号，CCD和CMOS的优缺点对比如表2-2所示。由表可知，从本设计小型化、低成本的目标来看，选择CMOS为图像传感器的摄像头。根据处理器的处理能力和处理干涉条纹所需要的帧数，本设计选取OV7725摄像头模块作为图像传感器模块[34]。图2-12为OV7725的功能框图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]等倾干涉条纹与牛顿环的比较[J]. 杨小云,赵娟. 科技资讯. 2020(01)
[2]“胡克定律”实验探究课堂教学案例[J]. 吴广国,邹斌. 中学物理教学参考. 2019(23)
[3]基于DS18B20的多路温度采集报警系统设计[J]. 宗培源. 化学工程与装备. 2019(11)
[4]迈克尔逊干涉实验的非标准干涉现象及解决的方法[J]. 杨文虎,赖学辉,李永强,张海康,郑明军,莫竣成. 中国现代教育装备. 2019(21)
[5]基于激光干涉仪驱动电路的数模电路实践教学平台研究[J]. 王爽. 信息通信. 2019(10)
[6]摄像机CCD与CMOS图像传感器工作原理[J]. 李育林. 科技经济导刊. 2019(25)
[7]基于FPGA的图像自适应加权均值滤波设计[J]. 武昊男,储成群,任勇峰,焦新泉. 电子技术应用. 2019(03)
[8]浅谈压力计量检定常见问题的处理[J]. 陈祎. 科技经济导刊. 2019(03)
[9]MEMS智能传感器技术的新进展[J]. 赵正平. 微纳电子技术. 2019(01)
[10]迈克尔逊干涉仪测波长的不等间隔条纹计数法的探讨[J]. 艾德智,王哲婕,薛江蓉. 大学物理实验. 2018(05)
博士论文
[1]全双工模式下高效资源分配方法研究[D]. 朱敏.南京邮电大学 2018
硕士论文
[1]NAND闪存存储器的特性研究[D]. 杨文静.山东大学 2019
[2]散斑干涉条纹图的信息提取方法研究[D]. 薛亚男.山东师范大学 2019
[3]面向硬件实现的图像滤波及噪声估计算法研究[D]. 贾丽敏.西安电子科技大学 2017
[4]基于CUDA的二值图像连通域快速标记算法改进研究[D]. 穆天红.陕西科技大学 2014
[5]基于嵌入式Linux的干涉图像处理技术研究[D]. 张宏亮.南京理工大学 2014
[6]一种新型真空压力传感器的设计与试验研究[D]. 蒋瑞斌.湖南大学 2013
[7]基于迈克尔逊干涉型光纤流量传感器的研究[D]. 曹飞.电子科技大学 2013
[8]压阻式微压力传感器的研究[D]. 王峰.北方工业大学 2012
[9]基于阈值的图像分割技术在简牍中的应用[D]. 张阳洁.成都理工大学 2010
[10]基于光纤迈克尔逊干涉原理的应变测试系统设计[D]. 杨明.南京航空航天大学 2007
本文编号：3228544
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