具有亚毫微米分辨率的光电位移传感器

本文设计了用于超精密加工技术的具有亚毫微米分辩率的超精密光电位移传感器。这种传感器的设计原理是:当被测表面有一微小位移时,其表面的反射光在某一特定点的光强变化具有很高的灵敏性。该传感器由单一光源、被测物及参考表面、用于反射光传输的光纤束和光电二极管等构成。实际测量时,通过光纤束传输的单一光源的光照射枝测物表面和参考表面,两表面的反射光又通过光纤束传输到两个独立但等同的光电二极管上,通过差动放大器,光电二极管给出包括反射光全部信号在内的高灵敏度位移信号。这种传感器在性能上具有某些显著的特点,如:非接触测量、0.5nm的高分辩率、线性误差在5％以内的约30μm宽的工作范围,以及可以充分满足一定研究目的的每20秒仅漂移1nm的稳定性。     

基于D型光纤探针的高灵敏折射率传感器

提出并实现了一种表面粗糙D形光纤探针结构的消逝场传感器,通过自主搭建简易的光纤侧面抛磨装置,得到表面粗糙的D型光纤,将其一端镀上银膜作为反射镜面,得到D型光纤探针。对D型光纤探针进行传输损耗的折射率传感特性检测,发现当被测溶液折射率变化时,会因消逝场与被测溶液之间作用的不同而引起能量吸收的不同,进而使接收到的光功率发生显著的变化。实验测得传感器折射率灵敏度为64.93 dB/RIU,线性相关系数高达99.53%,检测精度可达0.000 06。该传感结构在医疗检测、生物化学和环境监测等领域都有着广泛的应用。     

双悬臂梁式光纤Bragg光栅位移传感器

位移测量装置利用测量杆通过楔形块作用在固定于底座的等强度悬臂梁上,其中,光纤Bragg光栅粘贴于其中一块等强度悬臂梁外表面的中心线处。在测量中,当测量杆产生位移时,会带动楔形块产生相应的位移,并促使等强度悬臂梁的自由端产生扰度变化,从而导致粘贴于等强度悬臂梁外表面的光纤Bragg光栅产生波长移位。实验表明,当位移增加或者减少时,位于中心测点的光纤Bragg光栅的实验灵敏度分别为正行程0.015nm/mm,反行程为0.014nm/mm,重复性误差为2.2%;正行程的线性度为0.99728,反行程的线性度为0.99684,迟滞为0.0626%FS。     

基于差分校正的FBG测温网络系统设计

为了实现在大范围被测区域内实时温度监测的功能,选用光纤布拉格光栅(FBG)测温网络,同时,为了提高系统的温度测试精度和抗干扰能力,设计了基于差分校正的FBG测温网络系统.系统在原有测试结构的基础上,增加了校正光纤探头,从而针对任意位置上个别环境变化造成的温度误差进行校正.通过理论推导,差分校正值表达式被给出,并由此设计了差分校正算法.实验采用温度控制箱使被测区域温度从20℃变化为80℃,最小温度改变量为1.0℃.实验结果显示:回波中心波长产生的偏移量和温度之间大致每1.0℃的温度变化产生35～45 pm的偏移.差分校正型测温系统的温度检测误差为0.47％,优于传统的测温系统,并且基于差分校正的测温系统受局部环境影响很小,具有较高的系统稳定性.     

一种无线动态位移在线监测系统的研究与设计

研究设计了一种动态位移在线监测系统,可以测量物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点之间的距离或位置的变化,广泛应用于物体容积形变、橡胶生产中橡胶厚度以及容积表面形变等的在线监控.位移传感器由安装伸缩尺的位移探测单元、信息处理单元、无线传输单元、电源管理单元及面板控制单元组成.伸缩尺内部有弹簧,当尺头接触被测物时,尺子由于弹簧弹力缩进,当尺头离开被测物时,尺子自动伸长.信息处理单元是将尺子的伸缩信息转换成数字信息,然后通过面板显示出来,亦可通过无线传输模块将数据发送到远程监控主机.本系统的研究与设计为相关应用提供了一种新型动态位移测量的方法和设备,具有重要的经济及社会价值.     

基于长周期光栅边缘滤波解调的光纤布喇格光栅位移传感研究

利用长周期光栅的边缘滤波解调技术,我们报道了一种光纤布喇格光栅位移传感方法.系统由一个3dB耦合器、一个传感光纤布喇格光栅、一个长周期光栅和一个探测器构成.实验结果表明,在所测位移范围内,传感系统输出的光功率与位移成良好的线性关系,位移灵敏度为9.24pW/mm,位移分辨率为0.01 mm.该方案结构简单、灵敏度高、线性度好,可应用于实际中的位移测量.     

反射式光纤微位移传感器

依据光纤反射调制原理进行了反射式光纤位移传感检测系统的设计,利用计数器外径千分尺的测头镜面作为反射体和微位移测量工具,详细介绍了微位移测量装置和传感器检测电路。实验表明,在0～2mm范围内检测系统的输出与位移成线性关系,灵敏度为195μV/μm,线性度为±0.5%,适于微位移的测量。     

新型反射式光纤位移传感器的分析与设计

在传统反射式光纤位移传感基础上 ,提出了一种新型的可测量被测物体反射面与反射光纤端面绝对距离的光纤位移传感器的设计方法 ,并对其工作原理及特性进行了详细的分析和讨论。这种新的反射式光纤传感器可为绝对位移测量提供一种新的途径     

以EDFA为光源的光纤Fabry-Perot腔位移传感

提出了一种新颖的光纤位移传感测量方法,采用空芯石英光纤内置单模光纤的方法制作了腔长可随待测目标移动而变化的非本征型光纤法布里-珀罗(FP)腔,利用EDFA光源的宽带光照射FP腔,其形成的多光束干涉谱通过多峰检测法,反算光纤FP腔的绝对腔长,实现对微小位移量的精确测量.根据所设计的方案,搭建了相应的光纤FP腔位移传感系统,实现了11 mm长度范围内1μm位移分辨率、40.4 dB动态范围的位移传感.     

齿轮传动型光纤弯曲损耗位移传感器及其实验研究

针对传统光纤弯曲损耗位移传感器线性度不高的问题,设计了一种齿轮传动型光纤弯曲损耗位移传感器,并用理论证明了被测位移量与光纤弯曲损耗之间呈线性关系,并进一步做了实验研究.实验结果表明,本传感器的灵敏度与理论计算结果相符,并具良好的线性度与测量精度,便于在实际工程中应用,有有着较好的市场应用前景.     

基于ADμC845的LVDT位移传感器非线性补偿

针对LVDT位移传感器测量电路输出电压值和位移量之间存在非线性特征,设计和制作线性度为0.05%高精度传感器比较困难的现状,在分析产生非线性误差主要原因和传统校正方法的基础上,利用单片机软件算法进行非线性校正以提高传感器设计精度。以传感器标定数据为样本,用曲线拟合法求出非线性校正环节的特性曲线,并给出在MATLAB环境下拟合多项式系数的最小二乘求解方法,编程实现位移量和电压输出。仿真分析和实验结果表明,其测量位移的线性度达到了设计要求,非线性校正效果明显,具有良好的应用价值。     

大量程纳米位移传感器的微纳加工制造

针对解决大量程纳米位移精度测量难度大的问题,提出了新型纳米时栅传感器。就大量程、高精度位移传感器的亚微米精度加工而言,宏观尺度范围内周期性结构单元一致性制造是保证位移传感器可靠性和高精度测量的关键所在。对上述提出的问题,采用高精度自动拼接曝光技术加工并实现了大量程标尺的图形转移,结合微纳加工方式实现时栅传感器亚微米级精度的制造。通过实验验证所加工出的样机能够达到预期目标,并且测量误差峰值在500 nm以内。     

一种基于电磁感应原理的角位移参数测量方法

针对目前常规弹药弹体研究领域角位移参数大动态和高精度的测量需求,提出了一种基于电磁感应原理的角位移参数测量方法,并设计了相应的角位移传感器.采用感应线圈获取弹体大转速动态范围内切割地磁场的信息,通过边沿检测和脉冲计数相结合的自适应闭环频率跟踪测量算法测量弹体旋转过程中的实时角位移参数信息,并采用周期清零的方式,消除累积误差.半实物和实物仿真试验结果表明:该角位移传感器不仅能够测量大动态范围内的角位移,拓宽测量范围从600°/s~36000°/s,而且完全消除了测量过程中的累积误差.测量误差小于0.220%,累加误差最大只有0.2°/s,实现了对弹药弹体角位移参数的实时、高精度测量,在姿态测量和地磁导航等应用领域具有一定的工程应用价值.     

A differential fiber-optic transducer for hydrostatic pressure measurement

A fiber-optic linear displacement sensor is developed to measure radial deformations in a free active element bulk-modulus transducer under high hydrostatic pressure. The response of the sensor was found to be practically linear within the range of 1000 bar and a 1.5% accuracy has been confirmed.     

一种新型三维精密工作台的设计与应用

为满足超精密表面形貌测量对工作台的大量程、超精密和三维扫描的要求,设计了一种新型三维精密工作台。工作台由自带计量系统的二维工作台和垂直扫描工作台组成。测量时闭环系统控制二维工作台的位移;同时,Z方向位移执行单元驱动垂直扫描工作台,实现了垂直方向上的精确定位。将研制的工作台与现有的位移传感器组合成表面形貌测量系统,对标准样板的粗糙度进行测量,其测量示值误差均在5%以内。结果表明,所设计的三维精密工作台能够满足使用要求。     

反射式强度补偿光纤角位移传感器研究

提出了一种基于三探头等间距排列结构的反射式光纤角位移传感器,实现具有强度补偿的大量程、高灵敏度角位移测量.理论分析了该传感器的强度补偿角位移测量机理,建立了数学模型得到角度传感调制函数的表达式;仿真分析了光纤探头端面距反射面距离h及探头旋转半径R对传感特性的影响;实验验证了单接收光纤角位移传感特性.结果表明:输出光强和角位移之间呈现较好的线性关系;距离h越大,传感灵敏度越高;R越小,灵敏度越低,但同时传感区间相对越大.     

通过反馈随动机构改善霍尔传感器位移测量范围

霍尔器件可用于微位移测量,但实用时要设计复杂的磁路以保证在测量范围内为均匀梯度磁场.通常只能测1 mm左右的位移,这限制了其应用范围.采用反馈随动机构带动霍尔传感器跟踪被测体的位移,从而大大扩大了位移的测量范围,且不需要在测量中保持均匀梯度磁场.     

Integration of displacement sensor into bulk PZT thick film actuator for MEMS deformable mirror

Bulk PZT thick film actuator integrated with displacement sensor, the so-called self-sensing actuator, is presented in this paper. The PZT film is used as not only an actuating layer but also a displacement sensor, which is achieved by dividing the electrode on the top surface of the PZT film into two parts: central top electrode for actuating and outer annular sensor electrode for piezoelectric displacement detection. When the actuator moves, the piezoelectric charge is induced in the outer annular PZT due to the piezoelectric effect. The total amount of accumulated charge is proportional to the stress acting on the PZT, which is in turn proportional to the actuator displacement. By collecting the piezoelectric charge, the actuator displacement can be detected. A theoretical model is proposed to determine the structure parameters of the sensor and predict the sensor sensitivity. Experiments were performed on the micro-fabricated sensor integrated PZT thick film actuator, and the measured piezoelectric charge is close to the theoretical predictions. The integrated piezoelectric sensor has a displacement sensitivity of approximately 4 pC/nm. In addition, the integration of displacement sensor into the actuator needs no additional fabrication process and has no influence on the actuator performances.     

基于工业以太网的顶板离层检测传感器设计

针对传统的顶板离层检测方法存在测量精度低、测量结果无法自动上传的问题,设计了一种基于工业以太网的顶板离层检测传感器。该传感器采用2个拉绳式位移传感器检测顶板离层的深部和浅部位移量,通过位移检测电路将拉绳式位移传感器输出的电流信号转换为电压信号,供单片机采样;单片机根据采样的电压值,分析计算深部和浅部位移,得到顶板离层量;计算结果通过以太网自动上传,供地面监控计算机分析使用。测试结果表明,该传感器可以实现顶板离层位移的精确测量,测量误差为±2.5%,并可以方便地上传测量结果。