（机械电子工程专业论文）大量程绝对式偏振光位移传感器的研究.pdf

摘要 位移测量是测量技术中最基本的项目之一，在工程运用中非常广泛，具有非 常重要的位置。因此，寻求简单实用、操作方便、适应范围广、经济性好的位移 传感器对促进工业生产发展具有重要现实意义。本文着重研究基于偏振光原理的 可以实现大量程，具有绝对位移检测能力的直线位移测量原理及实现方法，并由 此设计出传感器样机。全文共为五章，简述如下： 第l 章，绪论部分，介绍传感器技术研究的重要性，位移传感器的发展、研 究现状、需要解决的问题以及传感器的分类和优缺点，最后提出本课题的研究意 义及研究内容。 第2 章，从光的偏振现象出发，分析马吕斯定律，奠定偏振光位移传感器的 理论基础，并应用偏振光原理，进行新的具有绝对位移检测能力的检测方法的研 究。探讨时，先从总体上分析绝对式偏振光位移传感器的检测原理，然后分别对 单周期位移信息检测系统和周期信息检测系统两个子系统进行实现方法的讨论， 最后提出传感器总的实现方法。 第3 章，在第二章理论分析的基础上，进行位移传感器系统的具体设计。主 要包括机械结构系统、硬件电路系统和软件系统三大模块的设计。其中机械结构 系统包括位移转换机构、传动机构溥周期位移信息检测系统和周期信息检测系 统。硬件电路系统包括l e d 光源驱动电路、信号调制电路、d s p 硬件电路、显 示电路。软件系统即d s p 软件系统，包括d 转换、软件滤波、数学运算、显 示处理等模块。 第4 章，进行传感器样机的安装调试，检测单周期位移信息检测系统、周期 信息检测系统的输出信号。并通过正行程测量、反行程测量、重复性试验、绝对 位移测量能力试验等一系列实验，评价传感器样机的精度，分析精度的组成因素， 验证传感器绝对位移测量的能力。 第5 章，总结和展望，提出进一步工作的方向。 关键词：传感器绝对位移检测偏振光大量程d s p a b s t r a c t t h e d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e m i s o n eo ft h em o s tb a s i sp r o g r a m so fm e a s u r i n g t e c h n i q u e ，a n di s o fw i d ea p p l i c a t i o ni n e n g i n e e r i n g t h e r e f o r , i t h a s i m p o r t a n t o p e r a t i o n s i g n i f i c a n c ei na c c e l e r a t i n gt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tt or e s e a r c ho i ln e ws e n s o r sf o rd i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n tw i t hs i m p l e n e s s , p r a c t i c a l i t y , c o n v e n i e n c em a n i p u l a t i o n , w i d eo fa c c o m m o d a t i o na n d w e l le c o n o m i c a le f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , an e wd i s p l a c e m e n ts e n s o rs y s t e mb a s e do i lp o l a r i z e d l i g h td e t e c t i n gm e t h o dw h i c hh a sa b s o l u t e l yp l a c ed e t e c t i n ga b i l i t yi ss d u d i e d t h et h e s i sc o n t a i n s 5c h a p t e r sw i t ht h e i rc o n t e n t sa sf o l l o w s ： c h a p t e r1 t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fl o n g - r a n g ed i s p l a c e m e n ts e n s o ri s b e i n g c o m p r e h e n s i v e l yr e v i e w e d t h em e a n i n ga n dm a i nc o n t e n to f t h i ss u b j e c ta r ea l s om e n t i o n e d c h a p t e r2 s m d yo nt h et h e o r yo f p o l a r i z e dl i g h td e t e c t i n gm e t h o da n dd e t e c t i n gt h e o r yb a s e d o np h e n o m e n ao fp o l a r i z e dl i g h t t w od e p a r t m e n t so fd i s p l a c e m e m l s o rw i t ha b s o l u t e l yp l a c e d e t e c t i n ga b i l i t y , d i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o no f o n ep e r i o dd e t a c t i n gs y s t e ma n dp e r i o di n f o r m a t i o n d e t e c t i n gs y s t e m ，i sa l s oi n t r o d u c e d c h a p t e r3 b a s eo i lt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f c h a p t e r2 ，d e s i g nd i s p l a c e m e ms e n s o r s m a i n l y i n c l u d et h r e ep a r t s ：m e c h a n i c a ls t r u c t u r a ls y s t e m ，c i r c u i t r ya n ds o f t w a r es y s t e m m e c h a n i c a l s t r u c t u r a l s y s t e mi n v o l v ed i s p l a c e m e n tc h a n g e o v e rm e c h a n i s m ，t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ， d i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o no f o n ep e r i o dd e t e c t i n gs y s t e ma n dp e r i o di n f o r m a t i o nd e t e c t i n gs y s t e m c i r c u i t r yi n v o l v el e dd r i v ec i r c u i t , s i g n a lm o d u l a t i o nc i r c u i t , d s pc i r c u i ta n dd i s p l a yc i r c u i t s o f t w a r es y s t e mi n v o l v em o d u l es u c ha ss a m p l i n g , s o f t w a r ef i l t e r i n g , m a t h e m a t i c a lo p e r a t i o na n d d i s p l a yp r o c e s s i n g c h a p t e r4 i n s t a l l a t i o n ，d e b u g g i n ga n ds i g n a ld e t e c t i n go fp r o t o t y p eo fs e n s o r , as e r i e so f e x p e r i m e n ta r ec o m p l e t e dt ot e s tt h ep r e c i s i o na n dv a l i d a t et h ea b s o l u t e l yp l a c ed e t e c t i n ga b i l i t yo f s e n s 0 r s c h a p t e r5 m e n t i o nt h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i s , a n dp o i n t e do u tt h ed i r e c t i o n sf o r f u r t h e rw o r k i n k e yw o r d s ：s e n s o r s ；a b s o l u t e l yd i s p l a c e m e n td e t e c t i n g ；p o l a r i z e dl i g h t ；l o n g - r a n g e ； n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿苤堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：诤豫缸签字日期：加多年夕月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇球椽旅 签字日期：z 弗年9 月哆日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 缶申1月 孓歹 专呱 1 - 1 传感器概述 第1 章绪论 传感器技术与通信技术、计算机技术一起作为现在信息技术的三大支柱，分 别构成信息系统的“感官”、神经”和“大脑”，可见传感器技术在现今信息社会 的重要性。可以说，传感器技术是信息社会的重要技术基础，而传感器是信息获 取系统的首要部件，也是测控系统获取信息的重要环节，在很大程度上影响和决 定了系统的功斛”。 传感器是一种以一定精确度把被测量转换成与之有确定对应关系且便于运 用的某种物理量的测量装置。其作用可以归结为：感受被测信息，并传送出去。 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成【2 】，如图1 1 。 图i - i 传感器组成框图 目前传感器主要有四种分类方法【1 l ：根据传感器工作原理分类法；根据传感 器能量转换情况分类法；根据传感器转换原理分类法以及根据传感器的使用分类 法。例如按照传感器的转换原理，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、 光栅、热电偶等传感器。如图l - 2 ，为部分常用传感器实物图。 称重传感器 压力传感器电感传感器 图l - 2 部分常用传感器图示 评述传感器的好坏，通常要涉及传感器性能的分析。传感器特性分为静态特 性和动态特性【l 翔： 静态特性是指被测物理量不随时间变化或随时间变化极其缓慢( 在所观察的 时间间隔内，其随时间的变化可忽略不计) 的情况下，传感器的输出量与输入量 之间所具有的相互关系。可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量为横坐 标，把与其对应的输出量为纵坐标所作出的特性曲线描述。表征传感器静态特性 的指标有许多种，包括： ( 1 ) 测量范围和量程，指最大被测量和最小被测量所表示的区间以及它们问的 代数差。 ( 2 ) 精确度，有三方面，即精密度、准确度和精确度。精密度说明输出值的分 散性；准确度说明输出值与真值的偏离程度；精确度是精密度与准确度两 者的总和。 ( 3 ) 稳定性，一是测量输出值在一段时间中的变化，以稳定度表示；一是外部 环境和工作环境变化引起的输出值的不稳定，用影响度表示。 ( 4 ) 静态输入一输出特性，包括线性度、灵敏度、分辨力和阀值以及重复性等。 其中线性度是指传感器正、反行程实际平均特性曲线相对于参比直线的最 大偏差，即说明输出量和输入量的实际关系曲线偏离其拟合直线的程度； 灵敏度是指输出变化量与相应输入变化量之比；分辨力是指传感器可能感 受到的被测量的最小变化的能力；重复性是指传感器的输入在按同一方向 变化时，在全量程内连续进行重复测试时所得到的各特性曲线的重复程 度。 传感器的动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。常用对某 些标准输入信号的响应来表示，例如阶跃信号，正弦信号。 1 2 位移检测技术 1 - 2 1 位移传感器概述 检测技术是以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信息处理为主 要内容的一门应用技术。在众多检测技术中，位移检测技术无疑是最基本的项目 之一，在工程中应用十分广泛，具有非常重要的地位。常用于测量机械零件的长 度、厚度、相对位置、表面粗糙度、三维地貌，检测受力构件的变形量、构件框 型、回转机械轴的振幅、轴心轨迹；也可用于自动控制系统中作为位置反馈及定 位的检测元件；还用于各种测长、测距、物位检测等场合( 3 a i 。 而位移传感器是位移检测系统的重要组成部分，是一种将被测的位移量转换 成与之有确定对应关系的电量或其它可测物理量的转换装置。 笼统地说，位移传感器经历了两个阶段，一是经典电磁位移传感器阶段，一 是半导体位移传感器发展阶段1 6 n 。 经典位移传感器是人们以经典电磁学为理论基础，把不便于定量检测和处理 2 的位移、速度等物理量转换为易于定量测试、便于信息传输与处理的电学量，如 差动变压器、电位差计、阻抗式位移计、电容式位移计等。这些经典位移检测方 法的共同之处是将位移量转换成与之成比例的电参量。 但随着工业技术的发展，工业中对位移传感器的要求越来越高，不只是要求 简单地获取位移信息，而且要求传感器具有测量范围大、精度高的性能，此外， 还必须具备数字化或线性化输出的能力。因此，随着半导体技术的发展，许多已 经比较成熟的经典电磁传感器采用了半导体技术，涌现出一批基于半导体光电特 性的新型传感器，它们以光束( 波) 为信息载体，具有非接触、高精度等优点。 这使得测试技术向非接触测量发展，形成现代传感器技术和学科的重要分支。 1 - 2 2 位移传感器分类及特点 由于位移传感器广泛的应用，针对不同场合，形成了各种各样的位移传感器， 有电阻式位移传感器，电感式位移传感器、电容式位移传感器，光电位移传感器、 磁敏位移传感器、图像传感器、磁致伸缩位移传感器等“。”。 1 、电阻式位移传感器 电阻式位移传感器将位移变换成电阻值，其核心转换元件是触头可随被测物 移动的电位器。包括电位器式及应变式。这种传感器历史悠久，在某些自动电位 差计中获得了广泛应用。其缺点是有摩擦阻力，且电阻丝会因磨损、沾污、氧化 而影响使用。 2 、电感式位移传感器 电感式位移传感器是利用电磁感应原理将机械量转换为电感量进行测量。一 般由固定线圈和可动铁芯组成，当铁芯在线圈内沿轴向运动时，通过线圈电感的 变化达到检测位移的目的。虽然普遍较笨重，且有电磁吸力，及线圈发热等问题， 但它能测较大的位移，而且不必用很高频率的电源，阻抗也比较低，抗干扰和避 免寄生参数的影响也较易解决，因此，在被测对象具有足够的定位力、动作又不 十分快、且在有安装空间的情况下，仍然有相当广泛的应用。 3 、电容式位移传感器 电容式位移传感器是是利用电容的改变来反应被测机械量的变化。优点是结 构简单、适应性强、无阻力及惯性、具有较高灵敏度等。但它只适合干净和干燥 的工作环境。 4 、光敏位移传感器 光敏位移传感器是基于光电器件和光线论理，是当i i 发展迅速的一类传感 器。包括光电编码器、光栅、光纤位移传感器、激光传感器等。 光电编码器主要由轴、动静光栅、发光元件及光接受元件等组成，当与主轴 相连的动光栅随主轴一起旋转时，和静光栅形成莫尔条纹，再经过光电转换，输 出与转角一对应的光电位移信息。具有体积小、重量轻、使用方便等特点。 光栅传感器由标尺光栅、指示光栅和光路系统组成。其主要特点是测量精度 高、响应速度快、测量范围广等。在自动控制系统中，光栅位移传感器被广泛地 用来做反馈元件和位移检测元件。但其工作环境要求较高，只能在污染少的环境 中工作。 光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构，光电探测器和信 号处理系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参 数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。光纤 位移传感器传光损耗小、灵敏度和线性度好，体积很小，重量轻，能在恶劣环境 下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。 激光传感器由激光器、光学器件和光电器件所构成，可将位移转换成电信号， 从而获得位移信息。具有精度及分辨率高、量程大等优点。但它对工作环境要求 非常高，因为环境湿度、气流、湿度等均影响其测量稳定性，另外价格也比较昂 贵。 5 、磁敏位移传感器 磁敏位移传感器是基于固体材料磁电效应，包括霍尔传感器、磁阻传感器和 磁敏二极管等，其中霍尔传感器应用较为广泛。霍尔传感器是基于霍尔效应基础 上，其突出优点是灵敏度高，质量轻，反应速度快和频响范围宽，适合作动态位 移测量，特别随着半导体工艺的提高和高性能磁性材料的应用，出现的集成霍尔 传感器由于具有体积小、功耗低、响应快、抗干扰能力强等特点而迅速在许多领 域中得到广泛应用。 6 、图像传感器 图像传感器c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 分为一维的和二维的，前者用于位 移，尺寸的检测，后者用于平面图形、文字的传递。工业生产过程中尺寸的测量， 可利用一维c c d 器件实现。首先借助光学成像法将被测物的未知长度投影到 c c d 器件上，再根据总像素数目和被物像遮掩的像素数目，计算出被测尺寸。 7 、磁致伸缩位移传感器 磁致伸缩位移传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆外的非接触的磁环组 成。测杆由不导磁的不锈钢管组成，内装有磁致伸缩线( 波导丝) 。i 作时由电 子仓内电子电路产生一个起始脉冲，此起始脉冲在波导丝内传输时，同时产生一 个沿波导丝方向前进的旋转磁场，当这个磁场与磁环中的永久磁场相遇时，产生 磁致伸缩效应，使波导丝发生扭动，这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感 知并转换成相应的电流脉冲，通过电子电路计算两个脉冲之间的时间差，即可精 确的测出被测的位移。磁致伸缩效应位移传感器具有测量速度快、耐高压、抗污 4 染等特点，但易受强磁场干扰 4 8 1 。 1 2 - 3 大量程位移传感器的发展及应用 大位移检测技术是一门在不断发展的技术，寻找基于新原理的位移检测方 法，提高大量程位移传感器实用性和经济性是它发展的基本方向。 当前，大位移检测传感器在我国的研究还不多见，这类传感器的产品也不是 很丰富，大多需要从国外进口。但随着工业发展，我国对此类传感器的需求越来 越大，如浙江震达机械有限公司、济南第二机床厂、上海大众汽车厂、上海宝钢 等每年都要从国外进口一定数量大位移传感器。据统计，全国有许多大型钢厂、 注塑机厂，电梯制造厂都有需求，保守估计每年需要量在数于套以上 8 1 。因此， 如果国内能多研制出这类传感器，替代国外产品，将有可观的经济效益和社会效 益。因此开展偏振光大位移检测技术的研究具有重要的测量方法与工程上的意义 和广阔的应用前景。 大量程位移传感器的应用主要有以下几方面： ( 1 ) 长度测量与显示：如线板材的电动切割与质量控制系统。 ( 2 ) 位移测量：如长行程油缸，自动碰撞实验，自动底盘动力实验。 ( 3 ) 机械限位定位与控制：如升降机械，行车，叉臂提升台，液位控制。 ( 4 ) 连续定位监控：如注塑机械，包装机械，原材料自动化装卸，自动导向车。 ( 5 ) 闭环控制：如原材料自动装卸装置，汽车飞机模拟装置，卷线机，滚筒定 位。 ( 6 ) 同步移动控制：如液压升降台，水闸，压机，模制机，打包机。 需要指出，进入八十年代以来，大位移检测技术水平不断提高，获得了巨大 的进步，涌现出了许多新型的检测技术和手段，但在实用性和经济性上尚没有很 好的结合点。l o r e 以上量程的直线位移传感器应用市场目前被国外少数几家厂家 所垄断。随着国内需求量的扩大，研究具有大量程( o 3 0 m ) 、高精度( 1 ) 且成本低的新原理位移传感器具有重要现实意义【i i 】。 1 - 2 4 绝对位移测量 本文所提到的绝对位移测量是指机械式绝对位移测量，即与平时我们所用手 工测量工具如尺予等相似，传感器本身每个位置对应一个确定的位移信息，是一 一对应关系，不管系统有无供电，被测物体有无移动，该位移信息始终存在，依 赖并体现于自身。 目前市场上能实现绝对位移测量的位移传感器主要有绝对式光电编码器、光 栅传感器、磁致伸缩位移传感器、线性编码器等。现就其中比较典型的绝对式光 5 电编码器作简单的介绍“3 。 卜光源；2 一柱面镜；3 一码盘；4 - 狭缝；5 一形成件 图卜3 绝对式光电编码器工作原理图 绝对式编码器也称光电码盘式传感器，是用光电方法将被测角位移转换成数 字代码形式表示的电信号的转换部件。其工作原理如图1 - 3 所示。由光源l 发 出的光线，经柱面镜2 变成一束平行光或会聚光，照射到码盘3 上，码盘由光 学玻离制成，其上面刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列着的若 干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线经狭缝4 后，形成一束 很窄的光束照射在光电元件5 上，光电元件的排列与码道一一对应。当有光照 射时，对应于亮区和暗区的光电元件输出的信号相反，例如前者为“1 ”，则后者 为“0 ”。光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表 了码盘轴的转角大小。 码盘在传感器中是将轴的转角转换成代码输出的主要元件，按码制分为二进 制、循环码、十进制等，如图1 - 4 ，1 - 5 。现以二进制码盘说明传感器编码特点。 码盘中涂黑部分为暗区，输出0 ，空白部分为亮区，输出为l ，如图卜4 所示。 共有四圈码道，最内圈为c 4 码道，分为2 1 = 2 个黑白间隔，最外圈为c l 码道， 分为2 4 = 1 6 个黑白间隔。每一个编码代表一个角度方位，它们之间为一一对应 关系，如表卜1 。 图l - 4 四位二进制码盘图i - 5 四位循环码盘 绝对式光电编码器由于没有接触磨损，因而具有允许转速高，频率响应快， 稳定可靠，精度高等优点。但同时也存在结构较复杂，成本较高等弱点。 6 表i - ! 转角于编码对应表 角度对应位输出数对于十角度对于位输出数对应十 置码进制置 码 进制 o a 0 0 0 008 q t 1 0 0 08 1nb 0 0 0 1 l 9 a j 1 0 0 l9 2ac 0 0 1 0 21 0 dk1 0 1 01 0 3 qd0 0 1 l3l lall o l l 1 1 4 q e 0 1 0 0 4 1 2 am l l o o 1 2 5 a f o l o l 5 1 3 a nl 1 0 11 3 6 a g 0 1 l o61 4 qo1 1 1 01 4 7ah0 1 1 l71 5 a p l l l l1 5 1 3 课题研究意义及研究内容 传感器技术作为一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，与 通信技术，计算机技术构成信息产业的三大支柱，备受世界各个技术发达国家的 重视。国外一些著名专家评论说：“征服了传感器技术就等于征服了科学技术”； “如果没有传感器检测各种信息，那么支撑现代文明的科学技术，就不可能发 展”；“惟有模仿人脑的计算机和传感器的协调发展，才能决定技术的将来”【2 】。 可见传感器的重要性，也预示了传感器的研究是一个长期而不衰落的探索过程。 1 8 0 9 年马吕斯定理的发现，揭示了偏振光的获取和检测方法。此后，人们不 断尝试通过将各种物理量和偏振光系统检测原理相联系，寻求相应物理量的测 试，以较好地实现测量的高精度和测量成本的最小化。1 9 9 8 年，巴西的a b a l b i n v i l l a v e r d e 等提出了基于法拉第效应的线性位移传感器。同年，本人导师李伟 教授等提出了偏振光大量程直线位移传感器测量方法，在此基础上的方案改进和 拓展，将进一步开拓研究领域，加速传感器的实用化进程。 因此，研究偏振光直线位移传感器的意义在于： 第一，开展基于新原理的具有绝对位移检测能力的传感器研究具有重要的 现实意义。其原因在于：一，由于直线位移作为一个基本物理量经常出现在实际 工业生产和科学实验中，所以基于新原理的位移传感器的探索和研究一直备受重 视；二，随着工业技术的发展，在工程应用中，进行绝对位移检测的需求越来越 大，而目前能进行绝对位移测量的传感器，要么系统结构复杂、成本过高，要么 实现的量程过于有限，有明显的局限性；另外，国内在大位移传感器的研究起步 较晚，此类传感器大多依赖进口。因此，开发基于新原理的具有绝对位移检测能 力的大量程、低成本的传感器，具有重要的现实意义。 7 第二，目前量程在l m 以上的传感器( 称为大量程直线位移传感器) 并不多 见，常见的有威德曼效应传感器、容栅式传感器等。这些传感器存在系统复杂， 制作成本高的缺点。在要求数十米或更大量程的直线位移测量应用场合，比如大 行程执行器( 油缸、直线电机等) 、机器人定位系统、电梯、建筑机械、钢丝绳 或线材检测等，一般传感器无能为力。因此，开发新型位移捡测器件具有重要的 工程应用意义。 第三，偏振光直线位移传感器具有检测和结构原理特性带来的一系列优点， 如非接触式，抗干扰能力强，拥有较大量程，可实现绝对位移测量，光机电一体 化、易于集成、结构简单，对加工精度要求不苛刻，可以在实现优良性能的前提 下，降低系统成本。 综上所述，作为一种全新原理的检测系统，大量程绝对式偏振光位移传感器 具有测量方法上的先进性、技术实现上的可行性和工程应用上的实用性，具有广 阔的前景。本项目得到国家自然科学基金，8 6 3 计划，浙江省自然科学基金重点 项目资助。 将马吕斯定理应用于位移检测，本课题组之前已进行了一系列的研究。叶志 伟进行了偏振光大量程直线位移传感器研究，马加兴进行了位移一电流比较仪研 究，王耀军进行了基于d s p 的偏振光位移传感器研制，卢圣进行了大量程伺服式 偏振光位移传感器研究。 位移一电流比较仪，是利用马吕斯定理和法拉第旋光效应，建立磁致旋角和 机械输入位移的线性对应关系，通过对磁场调制电流的检测，实现位移的间接测 量，如图1 6 。初始时，检偏器与起偏器的透光轴处于某一相对角度，磁场电 流处于初始值，当输入的机械位移引起起偏器的旋转，必使得检偏器与起偏器间 的透光轴夹角发生变化，从而使光电二极管获得的光强发生变化，通过调制磁场 电流，令检偏器与起偏器间的透光轴相对角度回到初始值，检测磁场电流的变化 量，从而获得机械位移的变化量，达到位移检测的目的。 图l - 6 位移一电流比较仪原理 比较式位移传感器则是依据马吕斯定理，驱动步进电机带动检偏器跟踪起偏 器的转动，通过对步进电机脉冲数的检测，实现位移的间接测量，如图1 7 。 8 在这个系统中，起偏器及检偏器均可绕轴旋转，即它们的透光轴方向都可以偏离 原始位置，当输入机械位移引起起偏器转动，从而使起偏器与检偏器间的透光轴 夹角偏离初始设置位置，通过光电二极管检测到的信息，软件系统不断地控制步 进电机带动检偏器转动，跟踪起偏器转过的角度，壹到两者相等，记录步进电机 转过的脉冲数，就可以获得起偏器所转过的角度，从而达到机械位移检测的目的 “”，详细原理见文献。 械位豫光轴透光骥萁管 i，、午 奎虹鼓幸 l e d 起磕器检谲器甲 j j 面介绍的两种偏振光位移传感器均可以实现大量程的位移测量，但是都不 具有大量程绝对位移测量的能力。两种传感器中，位移一电流比较仪可以实现小 量程内的绝对位移测量，但这个量程相对比较小，只是该系统的一个光学周期； 而伺服比较式位移传感器则完全没有绝对位移测量的能力。因此，当系统掉电然 后重新上电，伺服比较式位移传感器将完全丢失掉电前的位移信息，而对于位移 一电流比较仪，如果位移量超过初始的一个光学周期所代表的位移量，也会丢失 部分位移信息。解决上述问题，可以在系统中增加f r a i i i ( 铁电存储器) 模块进 行失电保护。但是系统掉电后，如果被测位移量继续发生变化，又会出现上述类 似的问题，即伺服式位移传感器将丢失这部分位移信息，而对于位移一电流比较 仪，如果该变化超出它的一个光学周期，也会丢失部分位移信息。这些在许多工 程应用中是不允许的，因此需要研究基于马吕斯定律的大量程绝对式偏振光位移 本文作者的主要研究内容以及工作就是运用马吕斯定律等相关原理，研究大 量程绝对式偏振光位移传感器的实现原理、实现方案，并从机械结构、硬件电路 系统、软件系统等方面设计一套完整的绝对式偏振光位移传感器，并测试它的部 分特性指标。 1 _ 4 本章小结 本章首先简单介绍了传感器的重要性、组成、分类及评价标准；然后介绍位 移传感器的发展，研究现状、需要解决的问题以及传感器的分类及各自的优缺点； 最后引出本课题的研究意义及研究内容，并与课题组前面研究内容进行了比较。 9 第2 章偏振光位移传感器基本理论 2 - 1 光的偏振现象及偏振态描述 在麦克斯韦的电磁理论中，电场和磁场紧密结合，在空间任意一点电场的变 化都要在附近产生磁场的变化，而磁场的变化也要在较远的区域里引起新的电场 的变化。这种变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远的过程我们称为电磁 波。电磁波的电场强度e 和磁场强度h 不但相互垂直，而且都和传播方向r 垂直， 如图2 - 1 。 l 图2 1 电磁波的横向性 我们知道，振动方向和波的传播方向相同的波称为纵波，而振动方向和波的 传播方向垂直的波称为横波。在纵波的情况下，通过波的传播方向所作的所有平 面内，波的运动情况都是相同的，具有对称性。而对横波来说，通过波的传播方 向且包含振动矢量的那个平面和不包含振动矢量的平面有区别，说明波的振动方 向对传播方向不具有对称性。这种振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振 【删 0 光波是横波，光矢量在垂直于波传动方向的平面上作二维振动，呈现为不同 的振动方式。光矢量的振动方式，称为光波的偏振态。经实验证明，对人眼、底 片及光电探测器起作用的是光波中的电场强度e ，因此常把电矢量e 称为光矢量， 把e 的振动称为光振动。所以在讨论光振动的性质时，一般只讨论电矢量e 。 下面，我们从平面波( 利用光学器件很容易产生类似于平面波的光波) 开始 研究光的偏振现象。平面电磁波是横波，电场和磁场彼此正交。因此当光沿z 轴方向传输时，电场只有x ，y 方向的分量。不失一般性，平面波取如下形式： 丘2 丘o 。0 8 ( f + s o ) ，式中，f = t o 一舷。其中：e 是电场强度，b 是振幅， l o 是角频率，k = u 为玻尔兹曼常数，6 。是初相位嘲。 写成矢量形式为： i e = e o x c o s ( f + 4 ) b = e o y c o s ( r + 8 2 ) 【最= 0 e 。，b ，e z 分别为电场矢量在x ，y ，z 轴上的分量； y 轴上的初相位。把上式中参变矢量t 消去，可得； 2 - 1 6 。，6 。为电场矢量在x ， ( 爿2 霹+ 刳2 即告苦删“而 z z 式中6 = 62 - 6 。为相位差，上式为一椭圆方程。这说明一般情况下光矢量的 端点所描绘的轨迹是一个椭圆，称椭圆偏振。 当相位差6 = 62 - 6 。= m 丌( m = 0 ，1 ，2 ，) 时，椭圆就会退化成一条直线， 这时： 笔斗矿苦 2 - 3 此时的光矢量称为线偏振光。线偏振光也可以用传播方向相同、相位相同或 相差、振动相互垂直的两列光波的叠加描述。本文的偏振光位移传感器所讨论 的都是线偏振光。 假定光强稳定的光源发出各向电场振幅都为定值a 的非偏振光，电场矢量总 数为n ，则光源强度为i o = n a 2 。照射到起偏器上，起偏器只容许和透光轴方向一 致的光矢量和投影到这个方向的所有振动分量通过，透过起偏器后的光是线性偏 振光。线性偏振光光强为i = i 。2 = n a 2 2 ，它可用琼斯矢量表示。 用一个列矩阵即琼斯矢量用来表示偏振光： 象 = 乏： ，它表示一般的 椭圆偏振光。对于线偏振光， 琼斯矢量为 卧阱靠 若e 在第一、三象限，则有6 i - 6 ：= 6 。，相应的 通常光波的绝对相位不常使用，重要的是相对相位。 中光频率和绝对相位项，使用相位差可以写成以下形式 2 4 因此，省略式( 2 4 ) e = 阱酬 对各分量的振幅进行归一化后可以写一成 e =2 6 一个普通光源包含大量辐射原子和分子，所以通常光源在同一时间发出具有 不同初相位和振动方向的光波。平均看来，在任何方向上都具有相同的振动能量， 表现为非偏振性，这种光称为非偏振光。例如，平常所见的自然光是各种特性在 各个方向都完全相同的均匀的光，自然光的电振动在振动平面的各个方向也都是 完全均匀的溉明。 2 2 马吕斯定理 在研究偏振光时，马吕斯发现：稳定的强度为i o 的非偏振光，通过起偏器 和检偏器后，不考虑被吸收的光强部分，则透射光强i 与入射光强i o 满足以下 关系： ，= i oc o s 2 口 2 - 7 等式中。是起偏器和检偏器的透光轴夹角。上述现象称为马吕斯定理，如图 2 - 1 。这里的起偏器和检偏器都为偏振器，都有一个透光轴，不同的是起偏器能 把自然光变为线偏振光，起到产生偏振光的功能，而检偏器的功能则是检测偏振 光强度，从而知道光的偏振状态。起偏器和检偏器透光轴夹角为e ，各个方向都 有振动分量的自然光( n a t u r a ll i g h t ) 经过起偏器( p o l a r i z e r ) 后变成振动方 向和起偏器透光轴方向相同的线偏振光，设为e ；再通过检偏器( a n a l y z e r ) 后， 垂直于检偏器透光轴方向的光振动分量都被吸收，而和检偏器透光轴方向相同的 振动分量全部通过，透过的光为：e c o se 。表现为光振动能量，即如式( 2 7 ) 所示。 1 2 除除螨 晗时譬测 闰2 - 2 马吕斯定理 图2 - 3 偏振光光强变化 偏振光光强变化见图2 - 3 ，经过检偏器后的光强最大值为i 。，按余弦平方规 律变化。 下面我们来推导马吕斯定理。 假设通过起偏器的直线偏振光与x 轴重合，那么光源发出的光经过起偏器后 琼斯矢量为：晶= 胡；检偏器光轴和x 轴成e 角，那么检偏器的琼斯矩阵可 表示为 p = c o s 2pl _ s i n 2 0 2 三s i n 2 口s i n 2 口 2 计算经过检偏器后的出射光 2 - 8 c o s 2 p ! s i n 2 0 2 1 s i n 船s i n 2 口 2 因此，输出光强的表达式为 i j = 睦口 z 一9 蚵= 鹾+ e - - - - c o s 4 0 + s i n 2 0 c o s 2 0 = c o s 2 0 2 一1 0 式( 2 1 0 ) 表明输出光强随着透光轴夹角0 变化而成余弦平方变化，这是 本传感器位移检测理论基础，早在1 8 0 9 年就被科学家马吕斯( m a l u s ) 实验验证， 并提出了马吕斯定律2 力。 2 3 绝对式偏振光位移传感器测量原理 如图2 3 所示，依据马吕斯定律，检偏器相对于起偏器沿圆周某一方向变化 时，检测到的光强呈周期规律变化，一个光强值可以对应无数个点，只依靠一个 独立的偏振光系统，即一个起偏器、一个检偏器及其他辅助部件所组成的系统， 难以实现上述大量程绝对位移测量。因此，我们考虑使用多偏振光系统实现。 总的来说，本位移传感器是利用两个相对独立的偏振光系统，通过一定的结 合方式，一个测量一个光学周期内的绝对位移信息，一个测量周期信息，组合成 一个可以测量大量程绝对位移信息的偏振光系统。其原理如图2 - 4 所示，由于偏 振光光强的变化是周向变化，要测量直线位移，首先必须将直线位移转换成角位 移，图中部件1 就起到这种作用( 转换机构的具体结构后面章节介绍) 。l e d 4 、 起偏器5 、检偏器6 、光电接收管组7 组成第一个偏振光系统，被测位移量经转 换后直接引入该系统，实现单周期内绝对位移信息的检测，称为单周期位移信息 检测系统。l e d 8 、起偏器9 、检偏器l o 、光电接收管组1 1 组成第二个偏振光系 统，检测周期信息，称为周期信息检测系统，与前一个系统通过具有一定传动比 的圆轮2 和3 的啮合或摩擦耦合作用联结。这样两者均与输入位移成某一种正比 关系，对从两个系统中所获得的所有光强信号进行后续的电路处理及软件处理， 即可以获得所测的位移信息。 下面先分别讨论这两个偏振光系统，再进行总的测量系统具体实现原理的阐 述。 1 4 旷芒 _ 卜直线位移一角位移转换机构； 2 、3 - 圆轮；4 、8 - l e d ；5 、9 - 起偏器 6 ，l o - 检偏器；7 、1 1 一光电接收管组 图2 - 4 绝对式偏振光位移传感器原理图 2 - 3 1 单周期位移信息检测系统 在整个检测系统中，首先要确定单周期位移信息检测的方式，才能由此与所 需量程一起确定圆轮2 、3 的传动比以及周期信息检测系统中检偏器各个偏振片 透光轴间的相位关系。 虽然可以将前面曾介绍的位移一电流比较仪或伺服式偏振光位移检测原理 经过改进，作为单周期位移信息检测系统。譬如在伺服式偏振光位移检测中，加 上一个固定的可检测的初始位置点，每次系统上电时，都驱动步进电机带动检偏 器回到该位置后，再进行跟踪、比较、计数。但本着在能获得相近参数指标的前 提下，尽可能简化系统结构的原则，进行新的尝试。 本系统中，起偏器由一个偏振片组成，可随轴一起转动；检偏器则由两个透 1 光轴互成三万的偏振片组成，固定安装。光电接收管组有三个光电接收管，设为 2 l 、2 ，3 分别接收通过检偏器的两个偏振片到达的光强信息以及从光源直接到达 的光强信息。如图2 - 4 所示，由l e d 光源发出的光经过起偏，检偏，形成不同的 两路到达光电接收管，另外还有一路不经起偏、检偏直接到达光电接收管，调整 初始安装位置使光电接收管1 所接收到的光强信号处于最大值，光电接收管2 接所收到的光强信号处于最小值，当有位移量输入，起偏器发生偏转，三个光电 接收管所接收到的光强信号变换规律如图2 - 5 所示，其中i 。由第3 光路获得。 图2 - 5 单周期位移信息检测系统光路信号变化规律 由马吕斯定律，= 厶c o s 2 0 可知，1 、2 两路光的光学周期均为n 。但从图中 可以看到，这两路光一个周期内，任取某一光强比值( 除了三个特殊位置0 、0 5 、 1 ) ，譬如0 6 ，都是四个点与一个光强比值相对应，即不是一一对应关系。为了 达到一一对应的目的，可以进行如下处理。将一个光学周期分为均等的两部分i 、 ，每一部分为鲁。对于i 区，取光路l 的值进行计算；对于i i 区，取光路2 角位移，e ( r a d ) 图2 - 6 单周期信号图 的值进行计算。这样，形成一个区问为三的单调减函数，如图2 6 。 将传感器的周期设定为三，图2 6 即为传感器期一周期内的信号图。这样， 1 6 假如将单周期位移信息检测系统安装轴处的圆周空间分为均等的四区间，即每一 区间为三，且其中某一区间的始位对应于该系统的安装始位即信号1 处于最大 值，如图2 7 ，那么图2 - 6 中信号曲线上的每一点均与每一区间上的某一点成一 一对应关系，而且不管系统有无上电，该关系始终存在，从而也就具有了单周期 内的绝对位移检测能力。 ， 、 区间2匮缈l f7 区间3区间4 ，：、。 、 ； 。 、 、 。)、 v b v d v e 2 v b 、，a v e v d 3 v b v c v a v d 4 v c v b v d v a 5 v c v d v b v a 6v d v c v a v b 7v d v a v c v b sv a v d v b v c 当传动比为8 ：1 时，单周期位移信息检测系统中的起偏器转过一个周期 ( 詈) ，则周期检测系统中的起偏器转过鲁，可以通过八个透光轴方向相位依次 上i u 相差姜的偏振片形成八路相对应相位差的光信号实现，如图2 9 。因此整个系统 葛 可以实现1 6 个周期的测量，转换为直线位移量程是3 2 n k ，每个周期的判别见 表2 1 。 1 0 9 0 b 0 7 06 采o 5 桑o 4 0 3 0 ，2 0 1 占r r h 3 r r 4 3 n - 8 w t 2 5 w 83 r r 47 r r 8t 9 n 8 角位移e ( r a e 3 图2 - 9 整传动比八光路周期信息图 表2 - 2 整传动比八光路周期信息表 周期序号判别条件 1 v a v b 一 v