单光场时栅位移传感器光源及透光面优化设计
随着智能制造技术的不断发展，工业生产、航空航天等领域对精密位移测量技术的要求也逐渐增加。时栅是拥有独立产权的新型位移传感器，而光场式时栅是其中的一个研究方向，其原理是利用对光场的时间和空间调制实现位移测量。前期光场式时栅通过了原理验证，并从多光场调控发展到单光场调控，但单光场本身的光场分布分析和研究还存在不少问题。因此本文从四路驻波信号质量出发，详细分析了光源的光场分布对四路驻波信号引入的误差，开展了光源和透光面两方面的优化研究。其主要研究工作如下： （1）根据单光场时栅测量原理，详细分析了光源对四路驻波信号的相位和幅值产生的影响。光源因散射造成的光场分布不均匀，使得运动方向上投影的栅距产生变化从而影响驻波信号相位，而垂直运动方向上接收光斑的幅值和光信号强度发生变化影响驻波信号幅值。然后对这种光场分布的影响分别建立相应的误差模型，并对其进行仿真和分析。 （2）根据光源的光场分布对驻波信号的影响，从准直性和均匀性两方面对其进行优化。结合光场式时栅的原理从光源准直性方向出发对光线进行约束，以达到减小光源散射角的目的。然后，通过建立光场分布不均与接收面之间的联系，以四路驻波信号幅值一致为目的对透光面的大小和排布方式进行优化设计，并通过仿真分析确定非对称式透光面和差动式透光面的结构。 （3）搭建光场式时栅位移传感器的实验平台，分别完成光源和透光面优化的对比实验测试。光源对比实验是在同一试验测试系统下只改变光源的情况对未优化光源和优化光源进行测试，在0.2mm周期内测量误差从±5.6μm降低到±1μm。透光面在0.2mm周期内测量误差从±2.2μm降低到±0.86μm。最后对试验测试系统进行了稳定性测试和长周期测试。 综上所述，通过对单光场时栅位移传感器的光源误差进行深入分析，建立了单光源误差模型，并利用对光源光线的约束以及透光面的面型变化和相互补偿来实现空间调制的优化，达到降低误差的目的。验证了单光场时栅光源及透光面优化设计的可行性。以上研究对光场式时栅位移传感器的后期优化、推广等具有铺垫作用。
位移传感器;单光场时栅;光源误差;透光面;优化设计
重庆理工大学
硕士
测试计量技术及仪器
朱革
2022
中文
TP212.1;TP203
2022-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）