基于端点反射镜的微弯悬臂梁和PSD的微位移测量仪研究

摘要

众多物理量的测量均涉及位移量的测量，因此对位移的准确测量具有重要意义。随着科技的发展，位移测量仪层出不穷，其中对微位移的测量要求越来越高，在此背景下本文设计了一种结构简单、分辨力高的微位移测量系统。
　　本文对多种微位移测量仪的原理进行了分析研究，比较了各测量方法的优缺点，最终设计出一种基于微弯悬臂梁光放大原理的微位移测量仪。微弯悬臂梁光放大法最大的优点是可对微小位移通过放大后对其进行测量，本文设计的微位移测量系统相对于基于激光三角法的位移传感器，它具有结构简单，分辨力高的特点。它特别适合于对测量精度要求较高的微米量级位移量的测量。
　　本文采用一维位置敏感探测器PSD作为光电转换元件实现对悬臂梁端点反射镜反射光的光点位置检测，PSD具有分辨力高、响应速度快，信号处理电路简单等特点，在微位移测量方面具有独特优势。传统的基于光杠杆法的位移测量系统采用立式结构，其体积较大，本文设计的一种新型位移测量系统由于利用弯曲悬臂梁带动镜面偏转实现光点位置偏移，可大大减小测量系统体积，其总体尺寸仅为300×100×80mm。带镜面的悬臂梁和PSD是整个系统结构设计的重点，受微力作用的悬臂梁产生弯曲，使镜面位置变化实现照射于PSD上的光点位置的显著偏移。整个测量系统结构中还包括固定悬臂梁的装置、光源支座、平面镜支座、系统封装壳体等，本文对其一一进行了设计。另外对可反映PSD光点位置的微弱输出电流，本文设计了PSD信号处理模块，其包括I-V转换电路、加法电路、减法电路及除法电路，从而实现对PSD输出电流信号的转换及运算。本文利用A/D转换模块对输出信号进行采集，通过单片机计算出位移量并在显示设备上进行显示。
　　最后，将测量系统的光源、平面反射镜、悬臂梁、PSD进行安装搭建成完整的测试系统;并对系统的性能进行了测试，包括标定实验、压电陶瓷位移测量实验、稳定性实验、背景光实验;同时分析系统的误差来源，并对系统存在的不足之处提出改进方案，为提高测量系统性能奠定基础。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微位移测量技术概述

1．2．1 电子散斑干涉技术

1．2．2 莫尔条纹技术

1．2．3 电感式位移测量

1．2．4 电容式位移测量

1．3 微位移测量仪国内外研究现状

1．4 论文的主要工作

第二章 PSD理论基础及系统方案设计

2．1 位置敏感探测器PSD简介

2．1．1 PSD概述

2．1．2 PSD的工作原理

2．1．3 PSD的特性参数

2．1．4 影响PSD定位精度的因素

2．2 光杠杆法测量原理

2．2．1 光杠杆法概述

2．2．2 光杠杆法测量原理

2．3 测量系统方案设计

2．4 本章小结

第三章 光学系统的设计

3．1 光源的选择

3．1．1 光源对测量精度的影响

3．1．2 光源的选择及特性

3．1．3 光源功率的稳定性测试

3．2 悬臂梁的设计制作

3．2．1 悬臂梁的弯曲变形分析

3．2．2 悬臂梁材料的选择

3．2．3 悬臂梁的形状及厚度选择

3．2．4 悬臂梁表面反射材料的选择

3．3 测量系统模块的设计

3．3．1 激光器支座的设计

3．3．2 平面镜支座的设计

3．3．3 悬臂梁固定装置的设计

3．3．4 测量系统整体封装壳体的设计

3．3．5 各模块的组合装配图

3．4 本章小结

第四章 PSD信号处理模块及显示模块设计

4．1 PSD的选型及其处理电路的设计

4．1．1 PSD选型

4．1．2 PSD处理电路的设计

4．2 A／D转换模块及显示模块的设计

4．2．1 AD转换模块

4．2．2 单片机、LCD简介及信号处理程序设计

4．3 本章小结

第五章 实验与误差分析

5．1 系统标定实验

5．2 压电陶瓷位移测量实验

5．3 稳定性测试

5．4 背景光的影响测试

5．4 误差分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文