光机电（磁）新原理位移传感器研究

摘要

位移是工业生产中需要经常检测的一个基本物理量,寻求简单实用、操作方便、适应范围广、经济性好的位移传感器对促进工业生产发展具有重要现实意义.本论文着重研究基于偏振光检测原理、具有超大量程(量程10~30m,精度1~3‰)的直线位移测量新方法;研究偏振光位移传感器的两种实现方案,结合方案比较,提出本论文的总结展望.相应的论文分为三个部分:绪论介绍了大位移检测技术的发展、研究现状,以及需要解决的问题.第一部分(第2章),从偏振光学原理入手,针对光的偏振现象及线偏振光的马吕斯定理,研究应用偏振光的新原理位移测量方法,从理论上分析了马吕斯定理和法拉第旋光效应现象,奠定了偏振光位移传感器的理论基础.第二部分(第3章、第4章):研究偏振光大位移传感器的两种实现方案:即位移—电流比较仪方案和伺服比较式位移传感器方案.第3章研究位移—电流比较仪,它是利用同光源双光路差动比较原理,提出光机电(磁)位移—电流比较检测方法,建立被测位移与线圈电流的线性关系,从而通过线圈电流值获取被测位移信息,进而设计实验室样机,研究样机的小型化、集成化工作.第4章研究伺服比较式位移传感器,同样利用双光路差动比较解决光源光强漂移.采用伺服电机跟踪输入位移,研究系统的关键传感部分的设计,设计实验室样机.从原理、系统设计、实验系统及调试入手,对伺服比较检测方案进行了综合评价,获得了有较高的可靠性,符合初步产业化要求的大量程位移传感器样品,通过了浙江省机械工业仪表电器产品质量监督检测站的企业产品性能检测.第三部分(第5章、第6章):研究上述两个传感器的二次仪表软硬件设计,首先介绍关键光学元器件,然后针对两个偏振光位移传感器只能解决角位移测量问题,设计传感器的直线位移—角位移转换部分,从而实现对被测直线大位移的测量:接着介绍二次仪表硬件电路的结构、功能,在此基础上,分析传感器的软件框架.第6章研究实验平台搭建及对两个实验室样机系统的实验数据分析比较,进行误差分析.最后(第七章),对全文进行总结和展望,提出绝对位置检测系统设想,捉出主要研究成果和将来需要努力的方向.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章绪论

§1-1大位移传感检测技术概述

§1-1-1大位移传感检测技术应用及前景

§1-1-2大位移传感器发展历史

§1-2偏振光位移传感器研究意义

§1-3论文的主要研究内容

第2章偏振光位移检测理论方法研究

§2-1光的偏振理论分析

§2-1-1光的偏振现象及其应用

§2-1-2光的偏振态表示及马吕斯原理分析

§2-2位移-电流比较仪方案理论基础

§2-3晶体的旋光效应和磁致旋光

§2-3-1晶体的旋光效应

§2-3-2法拉第效应-磁致旋光

第3章位移-电流比较仪

§3-1位移-电流比较仪原理

§3-2位移-电流比较仪结构

§3-3位移-电流比较仪探头优化设计

第4章伺服比较式位移传感器

§4-1伺服比较式位移传感器测量原理

§4-2伺服比较式位移传感器测量系统

§4-2-1步进电机及其驱动系统

§4-2-2伺服比较式位移传感器机械结构

§4-3实验系统调试

第5章系统软硬件设计

§5-1偏振光学器件介绍

§5-1-1偏振片

§5-1-2磁旋光玻璃

§5-1-3发光器件

§5-1-4光电接收器件

§5-2传感器硬件

§5-2-1直线位移-角位移转换结构

§5-2-2传感器二次仪表硬件系统

§5-2-3 DSP处理器

§5-2-4信号调理放大电路

§5-3传感器软件

§5-3-1系统程序介绍

§5-3-2 SPI显示模块

§5-3-3与上位机通讯接口

第6章实验平台搭建和数据分析

§6-1位移测量实验台搭建

§6-2测试装置性能指标要求

§6-3位移-电流比较仪实验数据分析

§6-3-1比较仪试验系统

§6-3-2比较仪试验数据及分析

§6-3-3比较仪误差分析

§6-4伺服比较式位移传感器数据分析

§6-4-1试验数据及分析

§6-4-2伺服比较式位移传感器误差分析

§6-3性能比较

第7章总结与展望

§7-1偏振光位移传感器系列研究总结

§7-2展望-伺服比较式绝对位置传感系统

§7-2-1绝对位置测量系统原理

§7-2-2绝对位置测量系统结构实现

§7-3展望-课题努力方向

参考文献

附录一：作者在硕士论文期问申请的中国发明专利

附录二：作者在硕士论文期问发表的论文

附录三：省机械工业仪表电器产品质量监督检测站检验报告

附录四：本课题实验系统及样机图