基于线阵+CCD+的全息光栅位移传感器

!""!年 第#$卷 第%期 测 试 技 术 学 报 &’()#$ *’)% !""! +总第,#期- ./01234/56786329:738017:72667;<2/4/=> +?@A*’ BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB ),#- 文章编号C#$D#ED,,F+!""!-"%E"#$DE", 基于线阵 GGH的全息光栅位移传感器 I 赵育良J张青臣J李开端 +海军航空 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院青岛分院 航空特设系J山东 青岛 !$$",#- 摘 要C 目的 提出了一种新型的基于全息光栅的 GGH位移传感器)方法 利用 GGH分辨率高J像素均 匀等特点J对干涉条纹的移动进行精确定位J利用全息光栅在测量过程中又具有不受光源波长的影响K适用 光谱范围宽等特点J实现位移的自动精确测量)结果 系统能够对位移实现自动精确测量)结论 该系统具 有一定的实用价值及应用前景) 关键词C 线阵 GGHL全息光栅L位移传感器L精度 中图分类号C M*%N$)OL P,%N 文献标识码CQ " 引 言 高精度的位移测量系统是机械K仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf K工具K兵器K宇航等产业获得位置精度的基础J也是上述产业 产品及技术不断进步的制约因素)在这些方面发展得比较成熟的主要是栅尺类位移传感器J其中又以光 栅位移传感器为主要代表)而传统的光栅位移测量装置中多以刻画光栅为主J并以光电探测器为接收元 件来进行位移的检测J最终得到数字化的位移信号)而近年来随着 GGH技术的不断完善和提高J使其作 为用于干涉条纹的拾取工具成为可能J并在很大程度上提高了定位精度)而依据全息光栅无鬼线K适用 于光谱范围宽K高分辨率及有效孔径大等优点R#SJ本文提出一种利用全息光栅代替传统刻画光栅K以线 阵 GGH作为条纹拾取装置J并通过高速动态数据采集系统最终由 N"%#单片峄信号数据进行自动处理的 位移精密测量系统) # 测量原理及系统组成 #)# 测量原理R!S 全息光栅位移精密测量系统主要是利用全息光栅高空间分辨率作为长度测量基准来实现位移的精密 测量)当一束单色平面波垂直入射全息光栅时J将发生衍射J让对称的两级衍射波叠加形成进一步场J 如图 #所示)当光栅平移时J衍射波的位相将发生变化J进一步条纹将对应移动J条纹的移动量与光栅 的位移是严格对应的) 多普勒效应是指波经运动物体散射后J散射波频率相对于入射波频率发生漂移的现象)考虑如图 ! 所示反射型全息衍射光栅对入射波的作用而产生的 TU级衍射波 V和 W)假设光栅以速度 X沿 Y方向 运动J那么衍射光波 V和 W的频率相对入射波的频率将发生改变) 若入射波的频率为 ZJ光栅运动引起衍射光波 V和 W的频率偏移分别为 [Z#和 [Z!J由多普勒频移公 式知 [Z#\ ZX]^_‘a +#b c- [Z!\b ZX]^_‘a +#b d- I 收稿日期C!""#E"NE"! 作者简介C赵育良+#FD$b-J男J教员)从事专业C数字图像技术K计算机技术) 万方数据 图 ! 全息光栅测位移原理 图 " 全息光栅测位移多普勒效应分析 式中 #为光速$ 让光速 %与光波 &叠加即构成一个零差干涉系统’在光栅移动的过程中对光束 %与 &的频率差进行 积分就可得到干涉条纹的移动数 (’即 ()* + , -./!0 ./"12+) "/3456#* + , 72+) "/3456# 8 -"1 式中 8)* + , 72+为光栅在时间 +内的位移量$式 -"1又可写成 8) ("3456 # /) ( " 9 3456) (: "; -<1 式中 9为激光波长$ 上式表明了光栅位移量 8与干涉条纹移动数 ( 之间的关系’也就是全息光栅位移测量 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 $ !$" 系统构成及系统测量原理 系统的整个测量过程是通过线阵 ==>读取干涉信号并经后续处理实现的?<@’系统的基本光路如图 <所示’系统测量原理框图如图 A所示$从点光源发出单色光通过准直透镜后成为平行光’垂直入射反 射型全息衍射光栅’产生 B;级衍射光 %和 &’分别经直角棱镜-或角锥棱镜1后再次倾斜入射衍射光 栅’产生垂直于衍射光栅的衍射光 %C和 &C平行移动’都平行于从光源发出的垂直入射光’所以可获得 的干涉性$并且’当光栅上下移动时将引起衍射光 %C和 &C平行移动’但在保证光经重合并获得有效干 涉的前提下’允许有微量的上下移动$ 图 < D D D E E E E E E D F D 系统基本光路 图 A 系统测量原理框图 驱 动 电 路 接 口 控 制 测量软件 计算机接口 计数器 整形比较 滤波放大 线阵==> 全息光栅 可以看出’在图 <中’产生干涉场的两束光是入射波两次衍射的结果’明暗干涉条纹的周期变为原 来的 ! "’ 因而’检测灵敏度可提高一倍’前面讨论的位移测量公式 -<1变为 "! 测 试 技 术 学 报 ",,"年第<期 万方数据 !" #$%& ’%( 为了能分辨衍射光栅的移动方向)可利用偏振光束形成两相信号)即在衍射光 *和 +的光路中分别 插入其透光轴正交的两偏振片 ,-和 ,.)则二次衍射光 */和 +/成为矢量方向正交的两线偏振光0偏振光 */和 +/经分光镜分光后)分别通过透光轴相互正交的两偏振片 ,1和 ,%)最后两相信号送入两线阵 223 ’223-和 223.(0223的光谱响应范围在 40%567-0.56之间’属可见光及近红外光范围(具有 .4%8 个像元)光敏元在空间上和电气上彼此独立)其输出的电荷包空间分布与光强的空间分布成比例关系0 若偏振片 ,-和 ,1二者透光轴的夹角为 9%:;)即可获得 <4;位相差的两相信号0两相 223视频信号通 过后续数据采集=滤波放大=门限比较器=计数器=送入计算机自动处理并输出结果0223是在时钟脉 冲控制下利用移位寄存器的功能实现电荷包的读取与输出)形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列0从 图 : 信号处理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 223出来的信号经放大滤波后为图 :中 >-)再经比较器进行二 值化处理)得到矩形信号图 :中 >.)其电平同 ??@电平兼容0 由于采集过程为动态采集)因此可取出第一幅静态图像计算一 对明暗条纹所占像元个数)设为 A0由于被测物体及全息光栅 移动导致条纹相应移动)首先确定某像素 B在 >.为下降沿)然 后跟踪 BC-像素)为下降沿时计数器计数一次)接下来继续跟 踪 BC.像素)为下降沿时计数器计数一次)这样经计数器得到 干涉条纹的移动共掠过 223像元个数 #0这样)#D即为精确小数的条纹移动级次0根据式 ’%(可求得 光栅的位移量 !)所测数据通过计算机自动处理)可通过计算机及打印机将结果输出0 . 系统硬件和软件的实现 对干涉条纹的动态检测是本系统的核心问题)为了使在保证精度的前提下实现动态跟踪)系统选用 帧存方式实现 223视频信号的高速动态数据采集器E%F0首先)硬件电路以很快的速度将 223视频信号 采集到一个外部的存贮器里暂存)待全部数据采集完成后)由 841-单片机取走数据再做处理0数据的采 集是靠硬件电路完成的)所以采集速度的极限由存贮器的读周期所决定0用 G.G%静态存贮器 ’8HI8( 构成的外部存贮区)该芯片的最小读周期是 -44JK)由这种芯片组成帧存贮数据工作最高速率可达 -4LMN0帧存贮方式数据采集系统主要由 1个部分组成OP 是系统的采样时序控制电路)Q 是外存贮 器及其地址和读=写逻辑信号时序发生器)R 是地址译码器和微机接口)具体的结构如图 G0其高速度= 大容量符合系统要求0 数据采集系统数据由 841-单片机取出后做上述后述处理E:F)软件流程框图如图 SS S SS T T T T S S T U V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V VVVVVVVVVVVVVVVVVV VVVVVVVVVVVVVVVVVV W0 图 G 动态数据采集系统结构图 @XY @XZ 3[ \[\]^ 841- _DX 端口地址 译码器 采样=读写 Z\L时序 采样时 序控制 三态 缓冲器Z\L\D3 线阵 S ‘ U ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ 223 图 W 软件流程框图 a ^ ^ 结束 是否结束 输出结果 取出A)#计算! B"BC- 计数器加- 是否上升沿 监视 像素BC- 寻找 采样像素B 计算一对明暗 条纹所占像素# 初始化 841- 开始 1-’总第%-期( 基于线阵 223的全息光栅位移传感器’赵育良等( 万方数据 ! 系统精度分析 影响系统测量精度的因素主要有 !个方面"# 是光栅常数 $"% 是光路的称性"& 是 ’’(像元尺 寸)从式 *+,中可以看出系统测量结果不受光源波长 -的影响"另外系统采用 ’’(作为传统光电探测 器的替代接收装置"把条纹移动细分到了小数级"大大提高了测量精度"并实现了系统的全自动测量) 随着全息光栅制作工艺的不断进步及 ’’(技术的高速发展"光栅常数 $及像尺寸将不断的改善"整个 测量系统的精度将会有大幅提高) + 结 论 经实验测试本测量系统与传统位移测量方法相比"灵敏度及精度等方面有了显著的提高"具有较高 的实用价值) 参考文献. /01 吕海宝)激光光电检测/21)长沙.国防科技大学出版社"0333)0!0405+) /61 侯国章)测试与传感技术/21)哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社"0337)0+0405+) /!1 王庆有"孙学株)’’(应用技术/21)天津.天津大学出版社"033!)+845!) /+1 王永仲"琚新军"胡心)智能光电系统/21)北京.科学出版社"0333)9:493) /51 孙涵芳);<=>?0:位单片机/21)北京.北京航空航天大学出版社"0335)!84+9) @ABCDEDFGHIAJKLGHMJNFOJPIEHKBQBNMRBNPDGPSHPBT DNUJNBHGVVO WXYZ[\]^_‘ab"WXYp\_jqgakr" d_abi‘lso‘aeflm<‘t‘^Ygola‘\k_e‘^>ab_aggo_ab;ark_k\kg"d_abi‘l6::8+0"’f_a‘, uvPMGHKM.uJQ =ljogrgak‘w_ailmagx’’(i_rj^‘egqgakrgarlory‘rgilafl^lbo‘jf_e bo‘k_ab)zBMADTP =le‘oo{_abl\k‘ee\o‘kg^le‘k_lalm_akgomgo_abrko_jgrf_mky{\r_abf_bf ogrl^\k_la"x_igrjgeko\q o‘abg‘ai gtga el^loef‘o‘ekgo_rk_elm’’("kfg‘ee\o‘kg qg‘r\ogqgaklmkfgrko_jgre‘aygog‘^_|gi"ogr\^k_abmolqkfg_aigjgaigaeglmkfgbo‘k_abla kfgx‘tg^gabkf)VDNKE}PJDNP =fgr{rkgq e‘ayg\rgiklog‘^_|gkfg‘\klq‘k_e‘ee\o‘kg i_rj^‘egqgakqg‘r\ogqgak) ~B!"DGTP._^ag‘o’’(#fl^lbo‘jf_ebo‘k_ab#i_rj^‘egqgakrgarlo#joge_r_la +0 测 试 技 术 学 报 6886年第!期 万方数据 基于线阵 CCD 的全息光栅位移传感器 作者： 赵育良， 张青臣， 李开端 作者单位： 海军航空工程学院青岛分院,航空特设系,山东,青岛,266041 刊名： 测试技术学报 英文刊名： JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2002,16(3) 被引用次数： 5次 参考文献(5条) 1.王永仲;琚新军;胡心 智能光电系统 1999 2.王庆有;孙学株 CCD 应用技术 1993 3.侯国章 测试与传感技术 1998 4.吕海宝 激光光电检测 1999 5.孙涵芳 Intel 16 位单片机 1995 引证文献(5条) 1.冯志庆.谷建东.白兰 用于光谱测量的光电二极管阵列驱动设计[期刊论文]-大连民族学院学报 2008(3) 2.仲进安.郭隐彪 高精度非球面表面测量技术研究[期刊论文]-机械工程学报 2005(1) 3.周连群.吴一辉.张平.宣明.贾宏光.李正刚 一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪[期刊论文]-光学 精密工程 2005(6) 4.潘海鹏.王丽丽.戴文战 感应同步器宽度测量方法的研究[期刊论文]-测试技术学报 2004(1) 5.冯志庆.李福田 一种紫外光谱测量的微型光纤光栅光谱仪设计[期刊论文]-测试技术学报 2004(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hbgxycsjsxb200203003.aspx