基于白光分光干涉的微型高精度位移传感器研究

作     者：韩沛松 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘炳国

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：位移测量系统 微型传感探头 光学系统 自聚焦透镜 白光分光干涉 器件选型 

摘      要：微小位移测量作为测量领域的热点问题之一，在航空航天，大型精密机械制造、武器工业等领域具有重要研究价值。在国家某重大工程项目中需要对微小位移进行高精度测量，而狭小的测量空间使得许多测量方式不再适用。基于白光分光干涉的测量技术由于其具有测量精度高、灵敏度高，并且可以小型化设计的优点，使得该方法可以应用在某工程的精密位移测量领域。本文主要研究了基于白光分光干涉的位移测量技术，研究了测量的基本理论和解调算法，验证了本方案在位移测量领域的可行性，之后针对测量系统进行了光学光路设计，最后搭建了实验系统，并分别针对非合作目标和光学玻璃进行了位移测量实验，证明本文提出的测量方案能够实现大量程、高精度的位移测量。 在理论分析部分中，本文分析了测量的基本原理和数学模型，并分析了光源带宽、光谱采样率等因素对测量的影响。同时针对目前现有的解调算法进行了研究，并且为了解决信号波长波数转换存在非线性映射关系、传统频谱分析方法的距离谱不够细致的问题，提出一种基于离散非均匀傅里叶变换的多级逼近解调算法对信号进行解调，通过仿真分析验证了算法的可行性。之后针对位移测量系统本文进行了器件选型，首先是针对分光干涉系统进行了设计，选择基于反射光栅的光学系统作为分光干涉系统光路，并进行了器件选型，之后使用 ZEMAX 进行了光学仿真。最后为了实现狭小空间测量，提出使用自聚焦透镜(GRIN)设计微型传感探头，并且通过高斯传递矩阵理论和 ZEMAX 对传感探头进行了计算和仿真，分析了影响探头参数的因素，选择了合适的自聚焦透镜并完成了微型探头的制作。 在测量系统搭建和性能测试部分中，本文首先分析了测量中可能引入的误差，并选择使用激光干涉仪进行对比试验。在非合作目标测量实验中，本系统实现了：在10mm的位移测量量程内，与激光干涉仪比对的最大误差为3.91μm，在量程范围内重复性优于 0.18μm(k=2)，位移分辨力优于 0.20μm的测量指标。后续本文进行了载玻片位移测量实验，最终实现了：在测量量程内，与激光干涉仪比对的最大误差为 1.12μm，在量程范围内重复性优于 0.10μm(k=2)，位移分辨力优于0.10μm 的测量指标，两个实验指标均满足某工程对位移的测量需求，最后对载玻片位移测量实验进行了不确定度分析，得到合成不确定度为 0.66μm，扩展不确定度为1.32μm(k=2)。