利用莫尔条纹测微小位移的设计

2.光栅计量的理论基础 ................................................................................................ 3 2.1 莫尔条纹的遮光原理 ......................................................................................... 3 2.2 莫尔条纹的特征 ................................................................................................. 4
III
摘要：本论文设计了一款利用莫尔条纹的光栅位移测量仪，该测量仪是将光栅位移测 量技术与嵌入式技术相结合，主要应用于微小位移的测量场合。为了使该测量仪在具 备便携性的同时还能对测量结果进行实时显示，本文构建了基于 STM32F103RBT6 处理器的小位移测量仪模块化电路系统（包括位移测量模块和基于 TFT-LCD 屏的显 示模块），并对 STM32F103RBT 单片机进行系统软件开发，使得本系统比传统的光栅 位移测量仪在电路结构更简易。最终设计了相关实验来验证利用莫尔条纹技术来设计 的微小位移测量仪的功能，并分析了本设计的误差来源。
关键词:莫尔条纹 嵌入式 STM32 位移测量
Abstract:Combined grating displacement measuring technology and embedded technology, the displacement measuring instrument which is designed with Moire fringe in my paper is mainly applied to the measurement of tiny displacement occasion. In order to make the measuring instrument portable and display the real time test results. The small displacement meter modular circuit system with STM32F103RBT6 processor including displacement measurement module and display module based on TFT-LCD screen is constructed in the thesis. And STM32F103RBT microcontroller and system software development makes the system easier than the traditional grating displacement measuring instruments in the circuit configuration. Finally,we design the experiments to validate the use of technology to design moire small displacement meter features and analyze the error source of this design.
Key words: Moire fringe Embedded STM32 displacement measurement
目录
1.绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究目的和意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 1 1.3 本课题的主要研究内容 ..................................................................................... 2
本文从四部分介绍利用莫尔条纹测量微小位移的设计。第一部分简要介绍光栅计 量的理论基础；第二部分详细说明整个系统的硬件搭建，各个模块电路功能的实现， 其中判向模块是本文的难点与创新点；第三部分系统的软件实现部分；第四部分为整 个系统设计完成之后的实验验证，即系统的设计是否达到预期的目标。
II
参考文献 [1]彭勇，张素华．用光栅式位移传感器测金属丝的杨氏模量[J]．物理与工程
论文作者签名：
年月日
文献综述 1、概述
微小位移测量仪是一种基本的测量仪器，广泛应用于机器加工，道路桥梁，航空 航天以及现代化测控等领域。微小位移测量仪和温度计、加速度仪、气压计等仪器一 样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的物理量测量仪器之一。不论是在生产还是在 科研与教学上，微小位移测量仪都是必不可少的工具。随着现代测量技术的飞速发展， 现代微小位移测量工作对位移测量仪的性能的要求越来越高，不仅需要微小位移测量 仪能够精确，稳定，快速地测量出位移的大小，而且还要求仪器的智能化和简易化[1]。 本课题提出的利用莫尔条纹测微小位移的设计，是将嵌入式技术与莫尔条纹技术相结 合，实现了微小位移测量的高稳定性，高精确度和自动化。该微小位移仪可以做到对 位移实时测量与实时显示。采用这种方法在很大程度上提高了测量位移的效率，为广 大的科研工作者们大大减少了工作量，具有广泛的应用前景。
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分类号 UDC
密级 编号
本科毕业论文(设计)
题目
利用莫尔条纹测微小位移的设计
系
别 物理与机电工程学院
专业名称
应用物理学
年
级
2011 级
学生姓名
李方圆
学
号
1150730006
指导教师
吉紫娟
2015 年 5 月
湖北第二师范学院毕业论文（设计）原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
3.系统硬件设计 ............................................................................................................ 6 3.1 系统硬件总体框图 ............................................................................................. 6 3.2 光电转换以及前置放大 ..................................................................................... 6 3.3 滤波电路设计 ..................................................................................................... 7 3.4 整形与判向电路 ................................................................................................. 8 3.5 主控模块设计 ................................................................................................... 10 3.6 显示模块 ........................................................................................................... 11
2、综述正文
传统的小位移检测方法有以下三种： （1）光杆杆放大法，光杠杆测量系统将一微小角位移的像在光杠杆反射镜和调 节反射镜之间反射，从而把把这一微小角位移放大成较大的线位移[2]。 （2）霍尔元件式测量，利用霍尔元件产生电势差与位移之间的线性关系测出实 际位移的大小[3]。 （3）迈克尔逊干涉法，迈克尔逊干涉仪是通过半反半透镜平分两束强度大致相 同光。这两束光分别为反射光和透射光，两光束通过两平面镜沿原路返回相遇而产生 干涉，利用其光程差从而测出两平面镜的位移[4]。 传统的微小位移测量仪成本高，体积大，结构复杂，不方便控制，已经越来越不 能满足实际需求[5]。由此可见，为适应现代测量技术的不断发展和市场要求，研究制 作高性能的微小位移测量仪十分有必要。 莫尔条纹测量技术作为一种新的微小位移测量技术能具有独特的优势，能弥补以 上常见三种测量方法的不足[6]。随着光刻技术和光电子技术水平的提高，莫尔条纹技 术获得了较快的发展并有了广泛的应用[7]。目前我国已经开始研制光栅微小位移测量 仪，并获得了可喜的成果，但总的来说，我国光栅微小位移测量仪还没有形成真正的