基于激光干涉的微位移系统(DOC)
中北大学信息商务学院毕业设计开题报告
学生姓名：学号：
学院、系：信息商务学院信息与通信工程系
专业：测控技术与仪器
设计题目：基于激光干涉的微位移系统
指导教师:郭华玲
2013 年 3月日
毕业设计开题报告
毕业设计开题报告
毕业设计开题报告
微位移驱动器
微位移执行器是精密驱动系统的末端执行环节，由驱动元件(致动器)和微位 移传递机构二部分组成。目前，微位移驱动元件种类很多，如机电驱动类、电磁 驱动类、压电／电致伸缩驱动类、磁致伸缩驱动类等。从控制精度和可操作性分 析，压电陶瓷驱动器以其体积小、分辨率高、响应快和推力大等特点有其独特的 优点，但它的输出位移小，尤其在需要较高频响场合位移输出幅度受到了很大的 限制，故目前主要应用在加工中的误差补偿、微量进给和精密调整等场合。 压电陶瓷驱动器(PzT)具有体积小、分辨率高及承载能力强等优点，使用Pzr 控制简单，易实现亚微米甚至纳米级的精度，且不产生热量和噪声。 2.2.1 压电陶瓷微位移器的原理、特点及应用 压电陶瓷微位移器是由多层压电陶瓷薄片，经过多层叠层技术制成的固态移动器，它能直接将电能转换成动能(机械位移)。压电驱动的工作原理是基于压电体具有逆压电效应： 即当压电体受电场作用时会产生形变。与其他形式的驱动相比，压电驱动具有的 最大特点和优点是为微米、纳米量级的位移或运动提供了新手段和新途径。同时， 压电驱动具有控制方便、位移分辨率高、频率响应好、不发热、推力大、无噪声、 外界干扰小等优点。但压电陶瓷本身存在着非线性、迟滞、蠕变等缺点，需要通 过一些措施来改变和补偿。压电驱动具有很大的发展前途，大多应用在高技术 领域，如光纤光学定位，自适应光学，生物工程细胞穿制，精密微定位，摄影， 摄像器材快门控制，光纤熔接机等。 2.2.2 电致伸缩陶瓷微位移器(以WTDS型为例) WTDS电致伸缩微位移器是由PLZT陶瓷材料(在电场作用下，该材料晶格定位引起介电驰豫而发生形变)，经叠层工艺制作而成的。它是一种高分辨电压控制微小应变的器件。其位移量是由叠层数和电场大小控制的。它具有工作电压低、分辨率高、响应快、滞后小、回零再现性好、无老化现象、稳定性好等突出优点。它是光学、机械加工、电子、航空、生物、医学、遗传工程和光纤通讯等领域中实现超精定位、超精加工、误差补偿、相位调制等功能的理想执行器件。该器件定位精度可达亚微米级，分辨率可达到几十纳米。
微小位移量检测系统设计
微小位移量检测系统设计 魏仲慧 1，张文新1，2，何昕1 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033 2.中国科学院研究生院 北京 100039) 摘 要: 介绍了基于激光三角测量法的微小位移量检测原理，并依据这个原理，设计了以一 维PSD 为检测元件，以FPGA 为时序逻辑控制部件，以AT89S51单片机为运算核心的微小位移量检测系统。 关键词: PSD ，信号处理 ， 微小位移 中图分类号：TN24 文献标识码：A The Design of Small Displacement Test System Wei,Zhonghui 1, Zhang,Wenxin 1，2， He,Xin 1 (1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, JiLin Changchun 130033 2. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Beijing 100039) Abstract: In this paper, the test principle of small displacement is introduced based on laser triangulation technique. According to this principle, we design the test system of small displacement . One-dimensional PSD is the test component , FPGA is the control component of timer and logic, and AT89S51 is the operation core. Key words: PSD , Signal processing , Small displacement 0 引 言 随着科学技术水平和工业生产的不断发展，微小位移量的检测在表面测量、材料测量、精密机械测量等众多应用领域起着越来越重要的作用。检测微小位移量，可以采用接触式测量法和非接触式测量法。传统的接触式测量方法有很多局限性，如无法精确测量软质材料的高精度表面，测量结果受环境因素影响很大等，因此，接触式测量方法很难实现对微小位移量的高精度检测；非接触式的测量方法，由于在检测过程中不与待测物体直接接触，因此避免了上述问题对检测结果的影响。利用非接触测量方法构成的检测系统结构简单，测量精度高，目前应用广泛。 本文首先介绍了微小位移量的检测原理，并依据此原理，设计了以一维PSD 为检测元件，以FPGA 为时序逻辑控制部件，以AT89S51单片机为运算核心的微小位移量检测系统。 1 检测原理 对于微小位移量的检测，是基于激光三角测量法原理。检测原理如图所示： 光源发出的光经过透镜L 1聚焦,投射到被测物体表面上,形成光强分布均匀的光斑，一部 分反射光经成像物镜L 2成像到位置敏感探测器（PSD ）受光面上。当被测物体向上或者向光源 PSD
激光干涉位移测量技术
激光干涉位移测量技术 张欣（2015110034） 摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。 关键词：纳米级；激光干涉；位移测量； 1 引言 干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类 激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。 光的相长干涉和相消干涉： 图1.光的相长以及相消干涉 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表现为暗条纹。图1.1就是光的相长以及相消干涉，而激光干涉仪主要依据的原理就是激光的干涉产生明亮
微位移传感器.doc1
微位移传感器（D-KB-50） 微位移传感器（D-KB-50） 产品简介 D-KB-50光栅测微传感器，是以高精度光栅作为检测元件的精密测量装置。与数显表配套，组成高精度数字化测量仪器。可以代替机械式千分表、扭簧比较仪、深度尺、电感测位移和精密量块，配以适当的转换器，可将温度、压力、硬度、重量等参数转换为数字量。用于自动化大生产中在线监测及精密仪器的位置检测。其优点是测量值数字化显示，精度高，稳定可靠，读数直观准确。亦可把测量数据输入计算机打印出测量数据或绘出曲线。 一、主要技术参数： 1.测量范围：0~10、0~20、0~30、0~40、0~50（mm）
2.栅距：10um（100对线/毫米），20um（50X寸线/毫米） 3.显示分辨率：0.5um，5um，1um 4.准确度：±1um，±2um 5.重复精度：±1个显示值 6.输出信号：相位依次相差90°幅值大于500mv二路或四路脉冲信号，无绝对参考零位 7.光源：红外发光二极管 8.接收元件：组合光电二极管 9.工作温度：0℃~40℃ 10.储存温度：-20℃~70℃ 11.外形尺寸：长*宽*厚＝L*42*22（mm），L0测杆伸出长度。 二、使用安装 光栅测微传感器主要用于高精度测量。使用时除保证环境条件外，正确的安装与使用不仅保证测量精度，还能延长使用寿命。光栅测微传感器正确安装位置是测杆朝下或水平放置。安装固定方式有两种：①以螺钉固定，固定孔中心距为22±0.2mm.②以①15轴夹紧。安装固定后，测杆中心线垂直于被测工件。 使用时，测头接触基面，数显表清零，轻轻提起测杆，当测头接触被测工件表面时，数显表显示值就是测量值。切忌快推或快速释放测杆，以免损坏光栅或因撞击影响传感器精度。 三、故障分析处理 1.光栅测微传感器与数显表对接后，数显表不显示。故障原因： ①电源未接通（保险丝熔断）②传感器输出插头与数显表插座接触不良：上述检查仍不能排除故障，应检查数显表电路或送厂家检修。 2.接通电源数显表工作正常，推动测杆，数显表现显示不进位。故障原因：检查传感器有无输出信号，若无输出信号属传感器内部故障，送厂家检修， 3.数显表进位正常，显示数字频频闪动。故障原因： ①检查输出信号幅值是否过低（一般幅值大于500mv） ②用示波器检查输出信号波形与相位是否正确，若不正确属传感器内部故障，送厂家检修。 ③检查屏蔽线接地是否良好。 公司名称 威海迪控电子科技有限公司
激光干涉仪应用原理(八)——激光干涉测量
Radiation Harsh Application | 强辐射环境应用 强辐射环境下FPS3010激光干涉测量 Laser Interferometry in Radiation Harsh Environments using the FPS3010 介绍 目前，同步辐射应用已经扩展到多种邻域中，如生物科技（蛋白质晶体），医药研究（微生物），工程应用（高分辨率裂缝演变成像），高级材料研究（纳米结构材料）。在纳米领域许多应用中，如透镜组，布拉格反射器，狭缝以及目标定位等都需要非常高的分辨率。机械结构需要高集成度，高稳定性，并且要减小温漂以及定位误差的影响。另外，运动部件的质量需要严格控制到最低，从而提高机械特性，并且减小位置误差。 针对以上讨论，这意味着编码必须在待测物附近，也就是说，编码器即使不是在X光或者粒子束中，也需要安置在辐射区内。 FPS3010激光干涉仪最大的特点是皮米级分辨率，兼容真空环境，并且在此类应用中，可以采用远程控模块。因此，FPS3010可以工作在强辐射环境下，也就是将干涉仪系统以及子系统安装在同步辐射光源或者束线附近，以及其他高辐射的环境中。 在目前的传感器选型中，“M12”传感器探头可以工作在高达10MGy的辐射环境下。这个研究主要针对这些新型传感器的耐辐射强度。实验主要工作在60Co源下(1.17 MeV / 1.33 MeV γ- and 0.31 MeV β-rays)。实验证明在3MGy辐射强度下传感头的读数没有明显偏差。在第二步骤测试中，对比传感器头放置在10MGy强辐射环境前后，对固定目标的测量值。对比结果为传感器所得目标值没有明显偏差。将两个UHV真空兼容 M12传感头（一个是带AR膜透镜，一个是不带AR膜透镜），安装到聚酰亚胺光纤上，放置在1Gy/s辐射区域中。两个探测头都安装在铝支架上，实验过程中将会有20 nm/°C的温漂。为避免曝光情况，采用镀了金膜的耐辐射镜子，搭建3m反射腔。FPS3010控制器放置在探头测试腔体外，另一个带温控无辐射腔内。在整个测量周期内，腔内温度稳定性高于1℃。测试的最后，总累积量达3.024MGy。 测量 图2a显示在测试过程中，测得的位置值。编码器位置采样率为1kHz。在图中，每一个点为100次独立测量平均值。位置漂移观察周期为34天，采用镀膜传感器测量，3MGy累积量为150nm；未镀膜传感器3MGy累积量为400nm。由于信号保持性较好，所以测得位置值的不确定性（标准偏差）优于10nm。 在未镀膜传感器头，在累积总量达2MGy之后，漂移会略微增大（22.5天）。达到这点之后，可进行两个传感器头性能比较。图2b显示编码器（红线）以及控制器位置（蓝线）的温漂情况。整个周期中，温度漂移小于1℃。
位移传感器
位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。 位移传感器的主要分类 根据运动方式 直线位移传感器： 直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。 为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。 角度位移传感器： 角度位移传感器应用于障碍处理：使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达角度传感器构造运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地
板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题，这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它：在驱动轮旋转的过程中，如果惰轮停止了，说明你碰到障碍物了。 根据材质 电位器式位移传感器：它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。图1中的电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。 霍耳式位移传感器：它的测量原理是保持霍耳元件（见半导体磁敏元件）的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高；
微位移技术
微位移技术第一章概论 第二章微位移机构 第三章柔性铰链
第一章概论 作为精密机械与精密仪器的关键技术之一一微位移技术，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。例如用金刚石车刀直接车削大型天文望远镜的抛物面反射镜时，要求加工出几何精度高于l/l0光波波长的表面，即几何形状误差小于0.5u m。计算机外围设备中大容量磁鼓和磁盘的制造，为保证磁头与磁盘在工作过程中维持1um内的浮动气隙，就必须严格控制磁盘或磁鼓在高速回转下的跳动。特别是到20世纪70年代后期，微电子技术向大规模集成电路和超大规模集成电路方向发展，随着集成度的提高，线条越来越微细化。256K动态RAM线宽已缩小到1.25um左右，目前己小于0.1um，对与之相应的工艺设备(如图形发生器、分步重复照相机、光刻机、电子束和X射线曝光机及其检测设备等)提出了更高的要求，要求这些设备的定位精度为线宽的1/3~1/5，即亚微米甚至纳米级的精度。 生物工程是当今一门崭新的学科，现代科学的发展要求，随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞内注入和拾取某一成份，同时还能测定和记录细胞生物的电参数，因此研制满足这一要求的设备同样离不开微位移技术。随着机器人技术的发展，机器人精微操作已成为机器人研究领域中的重要课题之一，如用机器人完成精密伺服阀，压电陀螺等精密零部件的装配作业，其技术关键之一是微位移技术的研究.[1]因此，微位移技术是现代工业基础的重要组成部分，它几乎左右着上述各领域的发展，并引起国内外研究人员的极大关注，他们加紧了这方面的研究，并取得了很大进展。由于定位技术的水平几乎影响着整个设备的性能，因此直接影响到微电子、宇航、生物工程等高科技技术的发展。例如精密仪器，无论是大行程的精密定位，还是小范围内的光学对准，都离不开微位移技术。因此微位移技术，成为现代精密仪器工业的共同基础。 1.1国内外现状及发展趋势 美国LLN以美国知名核聚变实验室)研制的加工大口径光学元件的金刚石车床(LODTM)是目前世界上能进行最高精度切削加工的车床，其所用的快速刀具伺服机构采用了PZT(错钦酸铅压电陶瓷)，能在士1.27um范围内分辨力达到2.5nm，频率响应可达到IOOHz;日本日立制作所采用柔性支承导轨、压电晶体驱动方式的微位移机构的位移精度为士0.05um，行程为士8um，该机构已成功应用于电子束曝光机;中国国防科技大学采用柔性支承导轨、电致伸缩驱动方式的微位移机构的分辨力为0.01um，行程为20um[4]。现将收集的具体资料列于下表1-1
基于虚拟仪器的压电微位移驱动器线性化研究
２００８年７月第４卷第３期 系统仿真技术 ＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．．２００８ Ｖ０１．４．Ｎｏ．３ 中图分类号：’ｒＭ２８２文献标识码：Ａ 基于虚拟仪器的压电微位移驱动器线性化研究 秦文罡，陈志超，吴威，高爱华 （西安工业大学光电工程学院，陕西西安７１００３２） 摘要：根据压电陶瓷的非线性特性，提出了一种采用离散电压标定和控制压电微位移驱动器线性化的方法。利用数模输出卡，输出不同步长的单个的离散电压，控制压电陶瓷伸长的速度，从而达到利用选取的电压值参数来控制压电陶瓷伸长速度的目的。选取恰当的电压值，可以使得压电驱动器在时间域上线性地伸长而达到线性化。设计基于Ｌａｂｖｉｅｗ的控制系统，并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明，该系统可以有效地在０～３００Ｖ范围内使压电微位移驱动器的∞＃量与时间成线性关系，定位精度为１］ｔｉｍ。 关键词：压电驱动器；线性化；虚拟仪器 ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＬｉｎｅａｒｉｚａｔｉＯｎＯｆＰｉｅｚＯｅＩｅＣｔｒｉＣＡｃｔｕａｔｏｒ ＢａｓｅｄｏｎＶｉｒｔｕａｌｌｎＳｔｒＵｍｅｎｔ ＱｌＮＷｅｎｇａｎｇ．ＣＨＥＮＺｈｉｃｈａｏ．ＷＵＷｅｉ，ＧＡＯＡｉｈｕａ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｌｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｌｌ７１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｕａｔｏｒ’Ｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ａｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃ— ｔｕａｔｏｒ’Ｓｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｉｓｃｒｅｔｅｐｏｉｎｔｏｆｖｏｌｔａｇｅｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｇｉｔａｌ—ｔｏ—ａｎａｌｏｇ（ＤＡ） ｏｕｔｐｕｔｃａｒｄ，ｏｕｔｐｕｔｓｉｎｇｌｅｖｏｌｔａｇｅｗｈｉｃｈｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｖａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｗａｙ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅ－ｒａｍｉｃ’Ｓｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｓ．Ｉｔｃａｎｂｅｅｌｏｎｇａｔｅｄｌｉｎｅａｒｌｙｉｎｔｈｅｔｉｍｅｆｉｅｌｄ ｗｉｔｈｔｈｅｓｐｅｃｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅｓａｄｏｐｔｅｄｂｅｆｏｒｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄ，ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｇｒａｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｔｏｌｉｎｅａｒｉｚｅｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｅ－ｒａｍｉｃｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ０—３００Ｖ，ａｎｄｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｗｃｏｓｔｗｉｔｈｕｎｉｖｅｒｓａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｈｉｇｈｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｗｉｔｈ１ｈｉｌｌ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｃｔｕａｔｏｒ；ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ １引言 压电微位移驱动器是一种利用压电陶瓷逆压电效应制作的微位移器，广泛应用在微机电系统、超精密加工、微电子、光电子和生物工程等前沿学 基金项目：陕西省重点实验室开放基金资助项目 （ＺＳⅪ２００７０３）科领域。但是，由于压电陶瓷自身电压与伸缩量问的非线性，即不满足Ｓ＝扭线性关系［１。］，给驱动器精确定位带来误差，使驱动器转换信号失真。降低了其控制精度。因此必须采取适当措施，控制其非线性。由于现在各种牌号的压电陶瓷特性曲线各不相同，快速方便地对其进行线性化校正非常必要。用传统的方式制作的驱动电源∞再】，由于数据存储在电可擦写可编程只读存储器中， 万方数据
激光位移干涉仪
激光干涉仪 激光干涉仪是利用光的干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的一种精密光学测量仪器。其基本原理和结构为迈克尔逊干涉仪。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉场的变化（如条纹的移动等），而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉场的变化可测量几何长度尺寸或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度，如传统迈克尔逊干涉仪中干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变1/2个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的。现代激光干涉仪是以波长高度稳定的稳频激光器为测量工具，其稳定度一般优于10的—7次方。激光干涉仪的测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。 （一） 第一代激光干涉仪 最早的干涉仪以单频激光器作光源，基本与迈克尔逊干涉仪一样，只是平面镜被角锥棱镜代替，同时加入了两个探测器来探测干涉场，如图1所示。系统设法使两个探测器探测到的信号相位差90°，以便实现可逆计数。 单频干涉仪的输出信号可以表示为 ()()??????±+=?t dt t v A A t u 0004cos λπ? 其中0A 为直流分量，A 为交流分量振幅（有用的信号）。在短距离测量时，一般来说直流分量变化不大，认为是恒定值，单频干涉仪以其简单、反射镜移动速度不受原理限制、有用信号占有的频带范围较窄等表现出它的优越性。但是激光功率的飘移，光电接收系统飘移，长距离测量时测量光束强度下降等因素，使直流分量和交流分量均不断下降，轻则造成工作点飘移、干涉条纹分数部分测量误差等，严重时整形电路停止工作，干涉仪失效。因此第一代干涉仪由于可靠性的问题，在实际应用中受到很大限制。 （二） 第二代激光干涉仪 1. 内相位调制干涉仪 内相位调制干涉仪是在参考镜上加上某一振幅和频率的调制振动信号，那么干涉仪的光程差就会相对于平均位置正负的交替变化，干涉仪信号为 ()()?? ??????? ??++=?t dt t v A A t u m t ωελπcos 4cos 00
位移传感器
位移传感器 一、简介 位移传感器又称为线性传感器，是一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 二、工作原理 电位器式位移传感器，它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。 物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。
精密位移量的激光干涉测量方法及实验
精密位移量的激光干涉测量方法及实验 一、实验目的： 1． 了解激光干涉测量的原理 2． 掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3． 了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 二、实验原理 本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green ）干涉系统，T －G 干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。用激光为光源，可获得清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1所示。 图1 T －G 干涉系统 激光通过扩束准直系统L 1提供入射的平面波（平行光束）。设光轴方向为Z 轴，则此平面波可用下式表示： ikz Ae Z U =)( (1) 式中A ??平面波的振幅，λ π 2= k 为波数，λ??激光波长 此平面波经半反射镜BS 分为二束，一束经参考镜M 1，反射后成为参考光束，其复振幅U R 用下式表示 )(R R z R R e A U φ?= (2) 式中A R ??参考光束的振幅，φR （z R ）??参考光束的位相，它由参考光程z R 决定。 另一束为透射光，经测量镜M 2反射，其复振幅U t ，用下式表示： )(t t z i t t e A U φ?= (3) 式中A t ??测量光束的振幅，φt （z t ）??测量光束的位相，它由测量光程Z t 决定。 此二束光在BS 上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x,y)由下式决定
*?=U U y x I ),( (4) 式中** *+=+=t R t R U U U U U U ,，而U*，U R *，U t *为U ，U R ，U t 的共轭波。 当反射镜M 1与M 2彼此间有一交角2θ，并将式(2)，式(3)代入式(4)，且当θ较小，即sin θ?θ时，经简化可求得干涉条纹的光强为： )2cos 1(2),(0θkl I y x I += (5) 式中I 0??激光光强，l ??光程差，t R z z l -=。 式(5)说明干涉条纹由光程差l 及θ来调制。当θ为一常数时，干涉条纹的光强如图2所示。 2 λ ? =N l (6) 式中N ??干涉条纹数 因此，记录干涉条纹移动数，已知激光波长，由式(6)即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量?L 。干涉条纹的计数，从图1中知道，定位在BS 面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L 2将条纹成在探测器上，实现计数。 测量灵敏为：当N ＝1，则m l μλλ 63.0,2 == ?（He-Ne 激光），则m l μ3.0=? 如果细分N ，一般以1/10细分为例，则干涉测量的最高灵敏度为m l μ03.0=? 三、实验光路 激光器1发出的激光经衰减器2（用于调节激光强度）后由二个定向小孔3，5引导，经反射镜6，7进入扩束准直物镜8，10（即图1中的L 1），由分光镜14（即图1中BS ）分成二束光，分别由反射镜16（即图1中的M 1），18（M 2）反射形成干涉条纹并经成像物镜
高精度光学测量微位移技术综述
word格式文档 高精度光学测量微位移技术综述 *** （******大学光电**学院，重庆400065） 摘要 微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。 关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势 1 引言 随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在 专业资料整理
几十皮米到几纳米之间。此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。 纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。由表1可见，目前电容传感器和SPM的测量分辨力也很高，但它们的共同缺陷是当溯源至国际标准长度单位时，必须借助激光干涉仪等方法进行标定和校准。根据1983年第17次度量大会对“米”的新定义，激光干涉法对几何量值溯源有着天然优越性，同时具有非接触测量、分辨力高、测量速度快等优势。本文将对目前主要的光学微位移测量技术介绍和比较分析。 表1 常用微位移测量技术 仪器种类分辨力/nm 测量范围 电容传感器0.05-2 10nm-300μm 电感传感器 5 10μm SPM 0.05 1-10μm 激光三角测头 2.5 100-500μm 光纤位移传感器 2.5 30-100μm 双频激光干涉仪0.1 >10m 光栅尺0.1-10 70-200mm X射线干涉仪0.005 200μm F-P干涉仪0.001 5nm-300μm 2 光学微位移测量技术概述 2.1 激光三角法微位移测量技术 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统的接触式测量已经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和
电感式微位移传感器汇总
《传感器原理及应用》课程 考核论文 题目电感式微位移传感器分析及应用实例 班级 学号 姓名 成绩 机械与汽车工程学院机械电子工程系 二零一四年五月
目录 摘要 2 引言 2 一、电感式传感器组成及原理 3 二、电感测头的结构11 三、差动变压器应用11 四、电感式微位移传感器应用实例12 参考文献23
电感式微位移传感器分析及应用实例 摘要：随着现代制造业的规模逐渐扩大，自动化程度愈来愈高。要保证产品质量，对产品的检测和 质量管理都提出了更高的要求。电感式微位移传感器是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测 量仪器,应用于微位移测量已有比较长的历史. 本文主要对电感式微位移传感器进行了系统性分析，阐 述了其物理效应、构成、结构、测量电路、显示装置等基本内容，并在网上对此传感器进行了选型，结 合其产品手册/使用说明书，详细说明了此传感器的用法，并进行了举例说明。 关键词: 电感式传感器，相敏检波，零点残余电压 Abstract:With modern manufacturing scale expands gradually, more and more high degree of automation. To ensure the quality of product, the product testing and quality management are put forward higher requirements. Inductive micrometer is a kind of extremely high resolution, reliable operation, long service life measuring instrument, used in the micro displacement measurement has a long history. This article mainly has carried on the systematic analysis to inductance displacement of weak, expounds the physical effect, composition, structure, measuring circuit, display device, the basic content, and for the selection of this sensor on the net,
激光干涉微位移测量系统设计课题总结报告.
北京信息科技大学 《专业综合实践》报告 题目激光干涉微位移测量系统设计 学院仪器科学与光电工程 专业光信息科学与技术 学号2011010736、744、750、728 姓名邓伟壮、潘晗、张驰、贾希冉 指导老师 日期2015.1
目录 题目激光干涉微位移测量系统设计 (1) 目录 (2) 一、方案要求 (3) 1、设计内容 (3) 2、设计目标 (3) 3、设计预计实现目标 (3) 二、方案调研及原理 (3) 1、光学微位移测量的几种方法 (3) （1）光外差法 (3) （2）电镜法 (3) （3）激光三角测量法 (4) （4）干涉法测量 (4) 2、光电接收器件 (4) （1）光敏电阻 (4) （2）PIN光电二极管 (4) （3）利用PIN光电二极管检查光信号 (6) 三、测量系统设计 (8) 1、整体电路设计 (8) 2、光路部分 (8) 3、电路部分设计 (10) （1）前置放大电路（电流/电压转换） (10) （2）电压跟随器（电压稳定） (11) （3）去直流电路（高通滤波） (11) （4）滤波电路（低通滤波） (12) （5）两级放大电路（5~50倍放大） (12) （6）负电压电路（由于用电池供电，需要负电源） (12) 4、软件部分设计 (13) 四、系统调试分析 (13) 1、光路部分 (13) 2、电路部分 (13) 3、软件部分 (13) 五、结论 (13)
激光干涉微位移测量系统设计 课程设计总结报告 成员：邓伟壮 2011010736 潘晗 2011010744 张驰 2011010750 贾希冉 2011010728 一、方案要求 1、设计内容 基于激光干涉的方法，利用光电探测器，实现微位移的高精度测量。 设计主要包括两部分： 1）方案调研、测量系统设计及分析； 2）搭建系统，获取干涉条纹，条纹处理，完成微位移测量。 2、设计目标 1）微位移测量精度达到微米量级； 2）测量范围小于等于1毫米； 3）测量结果显示。 3、设计预计实现目标 1）光学部分得到可视性较好的干涉条纹 2）电路部分最终输入单片机前得到方波的脉冲波形 3）单片机后在LCD上显示出微测量的数值结果 4）（拓展）在电脑中显示测量结果 二、方案调研及原理 1、光学微位移测量的几种方法 光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。按使用光学的原理不同分为以下几种方法： （1）光外差法 光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。 （2）电镜法
实验三 激光干涉测量技术
实验三激光干涉测量技术 一、引言 激光精密干涉测量技术有着广泛的应用。区别于基础实验课程中应用成套的干涉仪设备进行测量，本实验使用零散的光学元件搭建干涉装置，旨在锻炼学生的实际光路搭建能力以及相关的实践技巧。 二、实验目的 1．了解激光干涉测量的原理 2．掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3．了解激光干涉测量方法的优点和应用场合 4. 锻炼实际光路搭建能力以及搭建干涉测量装置的相关技巧 三、实验原理 本实验采用泰曼－格林（Twyman-Green）干涉系统，T－G干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的一种变型，在光学仪器的制造工业中，常用其产生的等间距干涉条纹对光学零件或光学系统作综合质量检验。 图1 泰曼－格林干涉仪原理图
泰曼－格林干涉仪与原始的迈克尔逊干涉仪不同点是，光源是单色激光光源，它置于一个校正像差的透镜L1的前焦点上，光束经透镜L1准直后，被分束器A 分成两束光，到达反射镜M1和M2并被反射，两束反射光再次经A透射和反射，用另一个校正像差的透镜L2会聚，观察屏放在透镜L2的焦点位置观察，也可不加透镜L2直接观察。能够观察到反射镜M1和M2的整个范围，从而可获得清晰、明亮的等间距干涉直条纹，其原理如图1所示。 若作出反射镜M1在半反射面A中的虚像M1’（图中未画出），干涉仪的出射光线相当于M2和M1’所构成的空气楔的反射光，因而泰曼干涉仪实际上就等效于平面干涉仪，只是这里两束光的光路被完全分开，进而产生了等厚干涉条纹。当光源是点光源时，条纹是非定域的，在两个相干光束重叠区域内的任何平面上，条纹的清晰度都一样。不过，实际上为了获得足够强度的干涉条纹，光源的扩展不能忽略，这时条纹定域在M1和M2构成的空气楔附近。 如图1所示，设入射平面波经M1反射后的波前是W1，经M2反射后相应的波前是W2，W1和W2位相相同。引入虚波前W1’，它是在W1半反射面A中的虚像，图中画出了虚相交于波前W2上P点的两支光路，这两支光在P点的光程差为 即等于W1’到P点的法线距离，因为W1’和W2之间介质（空气）折射率为1，显然当 时，P点为亮点，而当 时，P点为暗点。如果平面M1和M2是理想的平面，那么反射回来的波前W1（或W1’）和W2也是平面，这样当眼睛聚焦于W2上时，在W1’和W2之间有一楔角 的情况下，将看到一组平行等距的直线条纹（W1’和W2相互平行，视场是均匀 照明的，没有条纹），它们与所形成的空气楔的楔棱平行。从一个亮条纹（或暗条纹）过渡到相邻的亮条纹（或暗条纹），W1’和W2之间的距离改变λ。由于 测量镜M2移动l会带来2l的光程差则： 式中N为干涉条纹数。 因此，记录下干涉条纹移动数，已知激光波长，即可测量反射镜的位移量，或反射镜的轴向变动量l。测量灵敏为：当N＝1，则
激光干涉仪应用介绍(三)——高速长距离位移测量
基于FPS3010长行程高速位移测量 Long distance and high-speed displacement measurements using the FPS3010 基于光学法珀腔传感器FPS3010干涉仪可以测量目标相对位移，测量精度达到亚纳米分辨率，实时位置输出带宽达10MHz。在工业，科研以及研发等多种应用中需要高速以及长行程精密测量。如下面所示，FPS3010可以测量距离高达3m，并且速度达2m/s。 在这些测试中，FPS3010干涉仪采用的是M12探测头，并且在被测目标安装了反射器。图1中为整体设备，包括探测头和反射器。采用商用线性电机平台，可实现目标位置多次重复测量。另外，通过采用反射器取代平面镜，安装过程更为简易快捷：反射器相对于探测方向角度4度内都可以测出信号。反射器内部采用了3个正交式反射镜组成的几何结构。信号的高稳定性保证了FPS3010可以在全行程任意位置下进行标定，整套设备的使用方法非常友好，简易。 第一次测试，目标距离传感器头1m。包含振动目标的0.9m振动幅度以及达1.0m/s 速度。图2（a）显示的是在振动过程中，目标位置测量和速度。 图2（b）描述了在高速运动中的测量，距离为0.5m，速度为2.0m/s。从红色曲线中可见，平台最大加速度是一个限制：在到达位置B之前，需要10毫秒才能达到2m/s速度，同时也需要10ms减速。在图2（b）中，当运动到B点位置时，FPS3010也可以记录线性位移平台的位置误差，从图中可以看到超调值为5微米。 这个应用证明了FPS3010干涉仪测量位移3m，测量速度达2.0m/s时，可以达到亚纳米的重复精度。如果需要更多的资料，请联系我们！ 图1：测量旋转物体运动误差机构。当轴旋转是，采用两个干涉传感器探头测量垂直于其转轴的两个方向上的运动误差。不同的被测物体采用不同尺寸的传感器探头。
激光干涉位移测量技术
激光干涉位移测量技术 摘要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。 关键词：纳米级；激光干涉；位移测量； 1 引言 干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类 激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三坐标测量机等)的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（抚养扭摆角度、直线度、垂直度）进行精密测量的精密测量技术。由于激光具有波长稳定、波长短、具有干涉性，使得激光在现代光电测量系统中占据了重要的地位，尤其是在激光干涉测量系统中。下面介绍激光干涉仪测量原理以及激光干涉仪。 光的相长干涉和相消干涉： 图1.光的相长以及相消干涉 如果两束光相位相同，光波会叠加增强，表现为亮条纹，如果两束光相位相反，光波会相互抵消，表