基于位移傳感器的折射率測量系統-資料下載頁

　　

【正文】 光柵遮光作用的影響下莫爾條紋產生移動，光強發生變化并通過固定在指示光柵旁邊的光電轉換元件產生電信號，處理后就可以獲得所測得的位移量，光柵數字化轉換原理如圖 所示:圖 光柵信號的數字化 位移傳感器的選取傳感器的不同導致測量原理和產品結構方面也各不相同。在進行傳感器的選擇時不僅需要考慮實際的測量對象和測量目的，還必須根據具體的測量環境合理的選用。選用不同的傳感器在對某個測量對象進行某一項測量工作時，測量結果往往也會出現較大的不同。本課題研究工作中位移所傳感器起著關鍵的作用，所以其選用就有著至關重要的意義。在傳感器的選用過程中上應該遵循以下幾點原則：(1) 根據具體測量對象和實際測量環境選擇傳感器的類型　　傳感器一般情況下都是作為各類不同儀器設備的組件進行測量工作的，所以首先應當根據具體的測量對象對傳感器的類型進行選擇；其次還應當根據不同測量原理對32該類傳感器進行進一步的選擇。因為針對同一個物理量的測量往往也會有許多不同原理的傳感器可供選用。在傳感器測量原理的選用方面一般需要考慮：傳感器的體積大小和量程?！「鶕鲜鲂畔⑼瓿蓪鞲衅黝愋偷倪x擇后，就需要繼續考慮選擇與傳感器合適的各類性能指標?！　?2) 測量靈敏度的選擇　　我們在考慮傳感器的靈敏度這個指標時，一般只要不超出測量的范圍，選用越高靈敏度的傳感器檢測精度就越高，從而測量結果也就更加的精確。這主要是因為高靈敏度的傳感器會使相對應的輸出信號的值越大，這樣就更有利于處理信號。然而另一方面，當傳感器的靈敏度較高時，與被測物理量無關的其他外界因素也會混入輸出信號，從而被傳感器內部放大系統放大，對測量精度造成影響。所以，為了盡量消除外界引入的無關干擾信號，通常要求傳感器具有相對較高的信噪比。(3) 頻率響應　　一般情況下，傳感器的響應都不可避免的存在一定的延遲，延遲時間越短越好。這就要求傳感器在其頻率范圍內能夠保持不失真。其中，傳感器測量的頻率范圍又由其頻率響應特性決定。所以傳感器越高的頻率響應，就會有越寬的信號頻率范圍。在進行被測量的動態測量中，則應該根據信號響應的不同而進行傳感器頻率響應的選擇，以防止較大的誤差產生。(4) 線性范圍　傳感器的線形范圍通常定義為測量信號輸出和輸入的比例范圍。線性范圍越大，則傳感器的量程就越大，靈敏度雖較低但依然能夠保證較高的測量精度，對傳感器進行選擇時，當傳感器的類型已經確定以后就需要考慮其量程是否能夠滿足要求。另外在一定的范圍內，當系統所要求的測量精度較低時，誤差較小的非線性可以近似的看作線性的，這樣可以使測量更加的方便?！　?5) 穩定性　　傳感器在經過一段時間的使用后，依然能夠使其各項性能保持恒定，這種性能稱為穩定性。對傳感器長期穩定性影響較大的因素主要包括傳感器的內部結構和使用環境。所以，為了使傳感器能夠長期保持良好的穩定性，就必須在選擇傳感器之前充分考慮其使用環境的具體情況，從而選擇相對更加適合的傳感器或者改善優化傳感器的使用環境以減小影響。另外，由于傳感器的穩定性有定量指標，這就要求在超過該定量指標后重新進行標定，從而確保傳感器的各項性能保持穩定?！?(6) 測量精度　　傳感器的精度是保證整個測量系統精度的一個關鍵環節，是一個至關重要的性能33指標。一般情況下，如果傳感器的測量目的用來進行定性分析的，選用重復精度較高的傳感器就可以滿足要求；如果傳感器的測量目的用來進行定量分析的，就要求能夠測試得到精確的測量結果，這樣就必須選用精度等級能滿足測試要求的傳感器?？紤]到以上幾個方面后，本文根據實際情況選用的是直線位移傳感器（LVDT） ，其是通過一次線圈與二次線圈產生弱電磁藕合，使得傳感器內芯的位移變化量與輸出信號（電壓或電流）變化量之間線性關系。本文所選用的傳感器的型號為：WYDC100L、 WYDC50D，為自由拉桿式，如圖 所示，它的量程可達到 100mm，精度為 %，能夠滿足測量要求。圖 直線位移傳感器WYDC 位移傳感器的具體性能參數如表 42 所示。表42 WYDC 位移傳感器的性能參數項 目 名 稱 性 能 參 數靈敏度 1001000 mv/v/mm初級勵磁電壓 5V（38）動態頻率 0200HZ（3DB）靈敏度漂移 零點：（%/℃） 滿度：（%/℃）負載阻抗 20KΩ工作溫度 20℃+70℃標準高精度 %高分辨率 供電電壓 6VDC輸出電壓 0——5V34輸出電流 0——10mA 系統控制與檢測方法本系統采用線性位移傳感器檢測儀器內成像系統的位置和位移，進而計算出 CCD拍攝的每幅圖片中成像光學系統透鏡的相對位移和精確位置。如圖 所示為系統位置信息檢測及電機運行控制的具體實施方案。步進電機電機的驅動器負責驅動電機高精度運行，同時位移傳感器檢測到成像系統的相對位移將位置信息送入上位機以實現圖像、位置的實時檢測。圖 系統位置信息檢測及電機運行控制的具體實施方案 本章小結本章對基于位移傳感器的折射率測量系統的機械結構進行認真詳盡的設計，并介紹了其傳動結構的工作原理，對各主要零機械部件進行了結構設計和計算。同時還對控制系統的組成以及上位控制模塊進行了設計，對步進電機及步進電機驅動器進行了選擇，確定步進電機及其驅動器的型號分別為110BYG250A 和 DC280A。最后還介紹了位移傳感器的測量原理，并根據其主要選用原則選擇了適當的位移傳感器，使其能夠系統要求，它的量程可達到100mm，%。35第五章 誤差精度分析本文所設計的折射率測試系統無論是在零件的裝配還是光學系統的檢測過程中都會產生一定的誤差。在此系統中，只有保證系統內的光學系統做直線運動位置、位移傳感器位置、采集圖像位置的彼此間的高精度對應關系，才能保證本文設計中所需要的精度。因此必須對產生誤差的原因及誤差對精度造成的影響分析清楚，進而提出減小誤差、提高精度的具體方案。本章將針對該檢測儀器上不同來源的各種誤差進行了精確分析，并進一步計算得出誤差的修正范圍及要求，減小系統的各類誤差，從而使得該測量儀器能夠達到所要求的技術指標。本文所設計的折射率測量系統的精度受到的誤差影響，主要分為：系統誤差與隨機誤差。 在相同條件的情況下，對目標進行多次觀測，如果測量出現的誤差不論是大小還是正負都表現出了一定的系統性，或者是有一定的規律，而且每次都會出現，這樣的誤差被稱為系統誤差。通常系統誤差都具有一定的規律性，可以通過一個函數表示或者是個常數。這類誤差可以經過多次測量而得到。因此可以在設備的生產加工、裝配等過程中進行調整，或者通過上位軟件加以矯正，從而使得測量結果受系統誤差的影響大大減小，因而無需進一步的誤差分析。 隨機誤差是指在相同的測量條件下，多次對同一目標進行測量分析，其測量結果所出現的誤差不論是大小還是正負都沒有規律性，表現出一定偶然因素，但是對所測得的大量數據進行整理分析，可以從中得知這些數據符合統計學中的規律。 由于人為操作或其他外部因素的影響，隨機產生的誤差是無法消除和不可避免的，只能盡量的減小。隨機誤差產生的因素有很多，所以必須對隨機誤差的影響重點討論。盡管隨機誤差沒有規律性，但是依然可以通過對大量數據的分析而得到，隨機誤差的規律性一般為正態分布。隨機產生的誤差的正態分布如圖 所示。圖 隨機誤差分布圖 由于儀器的測量條件是固定的，其隨機誤差的產生也有一個限值，一般情況下36都不會超過此值，這個值也就是最大誤差。通常情況下，隨機誤差都是以兩倍或三倍的均方值誤差作為其允許值。 機械檢測裝置的誤差一般測試儀器（測量工具）的誤差是由于儀器的設計、制造和裝配校正等方面的欠缺所引起的測量誤差，是必然存在的。本課題所研究測試儀器由不同功能的多個分系統所組成，同時每個分系統又由多個零部件組合裝配而成，所以存在不可避免的誤差。在本課題中的誤差主要包括平行平板引入誤差、機械傳動誤差、裝調不準帶來的誤差等。 系統調校誤差的影響由于測試儀器或工具的零部件在制造質量上不可能達到設計理論值，或者結構本身存在缺陷，就必然會引起設備調校過程中的不到位所造成的誤差。比如透鏡定位的誤差及其本身的偏心，光學系統對焦不準，傳動機構的空回，位移傳感器的測量誤差等，這些都屬于調校誤差。在本文的折射率檢測系統中，標校裝置：可調夾持器的影響其檢測精度的一個重要工具。本夾具材料為鑄鐵，在加工中保證其內孔直徑誤差控制在 之內，定位面精度控制在 之內，以保證加工精度。即工具誤差mm。10.?? 裝配誤差的影響 該測試儀器有眾多機械零部件組合裝配而成，就必然存在零部件制造誤差所引起的裝配誤差，如三透鏡之間的定位誤差，三透鏡不同軸，光學系統與凸輪筒不同軸，各個鏡筒及其他零部件連接在一起的軸向誤差等。裝配誤差是裝配零件的積累誤差，經過反復標校，本測量系統的裝配總誤差在 之內。故裝配誤差mm。?? 傳動誤差的影響該測試儀器的傳動裝置主要包括齒輪傳動和螺旋副傳動。在齒輪傳動方面，由于將齒輪和軸做成了一體，消除了由齒輪孔和軸的間隙引起的偏心，從而減小了齒輪傳動的誤差，基本可以忽略。在螺旋副傳動方面，螺旋副的傳動精度主要由螺旋副螺母位置誤差決定。螺旋副螺母位子誤差主要受中徑誤差、螺距誤差、半角誤差影響。然而在本課題螺旋傳動中，主要是依靠頂絲與凸輪筒螺旋副進行傳動，這樣基本就不存在螺距誤差和半角誤差，同時頂絲在螺旋副法線方向可調節，基本消除了中徑誤差。然而，在實際制造過程中，螺旋副必然會出現導程誤差，本課題所設計的螺旋副螺距為 2mm，步距角為 ，分數為 20，則37 ????（）==，即傳動誤差為 =。?此外，本文所選用的步進電機、位移傳感器均采用的是高精度元件，其測量精度完全能保證系統的精度要求；而兩者的同步位置在軟件中可以補償，因此，該項誤差完全可以忽略。由上述分析可以看出，測量系統的主要誤差為系統在裝調過程中的不理想，而零件在制造加工上引入的誤差要相對較小，所以為了保證儀器的精度除了要提高現代加工精度，同時對我們的裝調人員也要求更高。 平行平板引入誤差在本文所設計的系統中，當平行平板位于被放入系統的會聚光路中時，其作為被測件，其被測表面需垂直于光軸放置，若平行平板的表面有傾斜，會產生色差和象散，成像質量變壞，影響測量精度。平行平板的制造誤差主要是兩表面的平行差 ，有了?平行差之后，光線通過它時方向改變，光線的偏轉將導致像點位移，一般來講，裝校時通過調整可把像點位移控制在公差范圍內，一般根據經驗數據，引入的誤差精度不超過 mm。?? 誤差合成上述幾種誤差等概率存在，誤差合成公式為（）： 221n????＝總（）由上述分析和計算可知：mm， mm， ， 01.????????432???＝總= ..＝ 6＝ ?由誤差傳遞公式（）可知，當平行平板厚度被選定為 10mm 后，38 ()239。239。)(lnl????? ()2)39。(39。ldl??透明光學材料的折射率范圍為 —，根據公式（）可求得 nl1039。?所以，在本檢測儀器中，折射率的虛物距變化 的范圍為 mm—，即39。l折射率最大的標準偏差為 = 178。=?015.)(2??該折射率測量系統的精度要求為 ，也就是滿量程的 %。通過上文對該測試系統可能出現各項誤差的詳細分析和計算，最終合成得到系統測量折射率的的標準偏差，即總體精度為 ，明顯滿足設計要求，能夠達到設計期望。 本章小結本章首先通過對各項誤差精度的認真研究，明確了該折射率測試儀器的主要誤差類型和來源并計算。同時對各個誤差進行了認真的分析計算得到具體結果，繼而對各個誤差合成并計算得到最后的誤差結果。通過對比可以明確所設計儀器的精度達到，能夠滿足該儀器的具體要求，達到最初的設計期望。39第六章 總結與展望折射率是晶體光學材料的一個基本參數，對它的研究是研究透明光學材料光學性質的基礎，是提高光學儀器質量的前提，在光學測量領域有著非常重要的作用。傳統的測量方法，越來越不能滿足現代測量技術的要求，因此改進裝置和方法，實現折射率的高精度測量是十分必要的。通過查閱大量的相關資料，本文提出了一種測量方法基于光學成像原理，利用光學平板作為被測件，找到待測折射率與光學系統產生的位移量之間的關系，從原理上革新了測量折射率的方法，將傳統的折射率與角度的關系轉變為折射率與位移量之間的關系，測量裝置體積小，非接觸測量，自動化程度高，以成像光學系統和直線位移傳感器為測量核心，測量方法簡便，有較高的實用性。本文所設計的基于位移傳感器的折射率測量系統主要由成像光學系統、精密機械系統、位移傳感系統、計算機圖像處理系統組成，根據測量要求，主要完成了以下的工作：（1）查閱了大量的國內外的相關文獻，并進行了研讀，了解了有關折射率測量的基本信息，確定了本文的總體結構方案、系統原理以及系統的組成。（2）對成像光學系統設計：本系統采用三片式攝像物鏡系統作為初始結構，主要參數為：有效焦距 為 45mm，F 數為 4，全視場角為 8 ，采用 1/3 inch CCD 作為圖f ?像接受器件，像元尺寸為 ，系統調制傳遞函數(MTF)在 100lp/mm ?達 以上。根據本儀器的特點，