基于光纤传感器的位移测试系统的设计.doc

济南大学毕业设计济南大学毕业设计PAGE-2-PAGE-1-毕业设计题目基于光纤传感器的位移测量系统的设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自0702班学生王培荣学号20070403189指导教师马玉真二〇一一年五月二十日济南大学毕业设计--1前言1.1研究现状位移是工业产品的重要特征参数，以往典型的测位移方法是依靠机械接触，但在现代工业生产中，越来越高的加工精度和技术指标要求有新型、快速、柔性好、能直接在生产过程中进行非破坏性产品质量检测的测量方法。因此新型的测量方式越来越得到人们的需求。随着机械工业的需要，大位移的测量也在逐渐向微小位移的方向发展。位移的测量的方式已经逐步由以前简陋的纯手工测量转变为较精准的系统测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为由光、电等技术参与的复杂测量。随着现代科学技术的发展,信息的获得显得越来越重要。光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器,与以往的传感器不同,它将被测信号的状态以光信号的形式取出。传感器正是感知、检测、监控和转换信息的重要技术手段。光信号不仅能被人所直接感知,利用半导体二极管如光电二极管等小型简单元件还可以进行光电、电光转换,极易与一些电子装配相匹配,这是光纤传感器的优点之一；另外光纤不仅是一种敏感元件,而且是一种优良的低损耗传输线；因此,光纤传感器还可用于传统的传感器所不适用的远距离测量。近年来光纤传感器得到了越来越广泛的应用。1.1.1国内研究现状清华大学李达成等专家成功研制在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器用稳频半导体激光器为光源，其光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其横向和纵向分辨率分别为0.73μm和0.39nm。李岩等提出了一种基于频率分裂激光器的光强差法的纳米技术测量原理。天津大学刘安伟等专家在量子隧道效应的基础上，创建了适用于平坦表面的用于扫描隧道显微镜微测量轮廓的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。国内的江西科学院、清华大学、南昌大学等单位采用扫描探针显微镜系列，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。中国计量学院朱若谷提出了一种能补偿环境影响、插入光纤传光介质的补偿式光纤双法布里―珀罗微位移测量系统，适合于纳米级微位移测量，可用于检定其它高精度位移传感器、几何量计量等。中国科学院北京电子显微镜实验室成功研发了一台利用光学偏转法检测的原子力显微镜，通过对光盘、云母、光栅等样品的观测证明该仪器达到原子分辨率的水平，仪器的最大扫描范围可达到7μm×7μm。中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等专家提出了一种通过测量双法布里一珀罗干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础，给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。浙江大学卓永模等成功研制双焦干涉球面微观轮廓仪，解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题，该仪器具有0.1nm的纵向分辨率及小于2μm的横向分辨率。中国计量科学研究院研制了用于研究多种微位移测量方法标准的高精度微位移差拍激光干涉仪。中国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范围纳米测量的差拍法―珀干涉仪，其分辨率为0.3nm，测量范围±1．1μm，总不确定度优于3．5nm。1.1.2国外研究现状国外于1982年发明并使其发明者Binnig和Rohrer（美国）荣获1986年物理学诺贝尔奖的扫描隧道显微镜（STM）。1986年，Binnig等人利用扫描隧道显微镜测量近10－18N的表面力，将扫描隧道显微镜与探针式轮廓仪相结合，发明了原子力显微镜，在空气中测量，达到横向精度3nm和垂直方向0．1nm的分辨率。California大学S．Alexander等人利用光杠杆实现的原子力显微镜首次获得了原子级分辨率的表面图像。日本S．Yoshida主持的Yoshida纳米机械项目主要进行以下二个方面的研究：⑴利用激光干涉仪测距，在激光干涉仪中其开发的双波长法限制了空气湍流造成的误差影响；其实验装置具有1nm的测量控制精度；⑵利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量。英国：国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器测量范围的理论框架，其研制的微形貌纳米测量仪器测量范围是0.01nm～3nm和0.3nm～100nm。Queensgate仪器公司设计了一套纳米定位装置，它通过压电驱动元件和电容位置传感器相结合的控制装置达到纳米级的分辨率和定位精度。日本国家计量研究所研制了一套由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所