光场式时栅传感器信号产生与采集的硬件系统设计

发布时间：2017-05-31 22:21

  本文关键词：光场式时栅传感器信号产生与采集的硬件系统设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：精密位移测量仪器可分为非光学和光学两大类。光学位移传感器凭借着非接触测量、材料适应范围广和宽动态范围等特点,在精密测量领域中得到了广泛地运用。然而,传统光学位移传感器的制造设备极其昂贵,且其相关技术对我国封锁。针对此种情况,课题组所在的实验室研制出了一种以时间脉冲为测量基准的位移传感器,并命名为时栅传感器。但是,现有的磁场式时栅也存在着抗电磁干扰能力差和制造精度不高等问题。基于上述情况,课题组创新性地将光学测量技术和时栅传感器结合起来,设计了一种交变光场时空耦合和光刻技术相结合的新型时栅位移传感器───光场式时栅,通过借助光场耦合信号抗电磁干扰能力更强、光刻技术制造精度更高的优势提高位移传感器的测量精度。本课题在国家自然科学基金的资助下展开了关于光场式时栅传感器的相关理论研究,以及光场式时栅信号产生与采集的硬件系统设计工作。主要研究内容如下:1)深入研究光场式时栅的测量原理,建立了光场式时栅的数学模型,从理论上分析了不同参数的变化所体现出的误差规律,并利用Matlab对其进行仿真验证。2)根据时栅传感器的时空转换原理,利用两路幅值频率一致、相位相差90度的正弦信号驱动光源,获得的两路时间上正交的交变光场通过空间正交的“栅面”结构后,将形成时空耦合的光场驻波信号,再将驻波信号通过硬件电路合成一路电行波信号,从而实现“时间量测量空间量”。3)搭建了实验平台,给出了各个阶段传感器信号的波形且进行了分析,验证了光场式时栅信号产生与采集系统的设计方案是切实可行的,最后,对传感器的性能进行了测试。通过完成对光场式时栅交变光场信号产生与采集的硬件系统设计,初步实现了传感器较高精度的位移测量,最终,在30mm的测量范围内,传感器的测量精度可达?4.2μm,测量分辨率为0.1125μm,为后续进行高速高精度光场式时栅位移传感器的研究打下坚实的基础。
【关键词】：位移测量 时栅 交变光场 Matlab仿真 硬件设计
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 精密位移测量的重要性10
• 1.2 典型光学位移传感器的测量原理及发展现状10-14
• 1.2.1 激光干涉仪的测量原理及发展现状10-12
• 1.2.2 光栅的测量原理及发展现状12-14
• 1.3 本课题的研究背景、意义及主要研究内容14-18
• 1.3.1 本课题的研究背景与意义14-15
• 1.3.2 本课题的主要研究内容15-18
• 2 光场式时栅传感器的测量原理与理论分析18-30
• 2.1 时空转换理论及时栅传感器18-21
• 2.1.1 时空转换理论18-19
• 2.1.2 时栅传感器19-21
• 2.2 光场式时栅的测量原理21-24
• 2.3 光场式时栅的理论分析24-28
• 2.3.1 数学模型24
• 2.3.2 误差规律分析24-28
• 2.4 光场式时栅信号产生与采集的设计要求28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 光场式时栅信号产生模块的硬件设计30-48
• 3.1 总体方案30
• 3.2 电源设计30-33
• 3.2.1 数字部分电源设计31-32
• 3.2.2 模拟部分电源设计32-33
• 3.3 光场式时栅激励信号设计33-37
• 3.3.1 DDS技术的正弦信号合成34-35
• 3.3.2 D/A转换电路35-36
• 3.3.3 低通滤波电路36-37
• 3.4 交变光场信号产生的硬件设计37-44
• 3.4.1 光源设计37-41
• 3.4.2 驱动电路设计41-44
• 3.5 PCB设计及硬件调试44-46
• 3.6 本章小结46-48
• 4 光场式时栅信号采集模块的硬件设计48-58
• 4.1 交变光场信号采集器件——光电池48-51
• 4.1.1 光电池工作原理48-49
• 4.1.2 光电池的特性49-50
• 4.1.3 光电池的等效电路50-51
• 4.2 交变光场信号采集电路设计51-53
• 4.3 交变光场信号采集的外围电路设计53-55
• 4.3.1 带通滤波电路53-54
• 4.3.2 差动放大电路54
• 4.3.3 过零比较电路54-55
• 4.4 PCB的制作55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 5 实验验证58-66
• 5.1 实验平台的搭建58-59
• 5.2 主要功能模块的实验验证59-63
• 5.2.1 激励信号的获取59-60
• 5.2.2 交变光场信号的采集60-62
• 5.2.3 行波信号的生成62-63
• 5.3 光场式时栅的性能测试63-65
• 5.3.1 稳定性测试63-64
• 5.3.2 精度测试64-65
• 5.4 本章小结65-66
• 6 总结与展望66-68
• 6.1 总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 致谢68-70
• 参考文献70-72
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果72-73

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