（测试计量技术及仪器专业论文）基于dvd光读取头的超低频振动传感器机理的研究.pdf

基于d v d 光读取头的超低频振动传感器机理的研究摘要为了保证精密仪器正常工作和测量精度，对于环境参数如温度、湿度、洁净度和振动等有一定的要求。为了解仪器工作的环境振动情况，一般会采用如振动位移计、振动加速度计等仪器来测量和分析。本文设计了一种适用于测量低频振动的光学式振动传感器。该光学振动传感器利用d v d 光读取头中对位移变化敏感的聚焦误差信号( f e s ) 来检测传感器中拾振器的相对振动，实际测量时只需要将其垂直安装在被测物体表面即可，具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。传感器结构主要由两部分组成：d v d 光读取头和悬臂梁拾振器。悬臂梁的一端固定在金属基座上，另一端自由悬置，并在悬置端的下方粘贴有反射镜。静态时，d v d 光读取头中的出射光照射到反射镜表面并反射回光读取头中，光读取头产生的f e s 信号为0 。当外界发生振动时，金属基座会与外界物体作同步运动，悬臂梁的悬置端在惯性力作用下会产生相对振动，此时光读取头输出与悬置端的位移变化成线性关系的f e s 信号。进一步根据悬臂梁的相对振动和外界振动二者之间的函数关系，通过后续计算处理，即可由f e s 信号求取外界振动量大小。本文首先对设计方案进行了论证，通过分析振动传感器中振动位移计和振动加速度计的设计原理，结合d v d 光读取头的f e s 信号灵敏高、线性范围小的特点，得出利用光读取头测量振动加速度能满足实际测量需要的结论。进一步介绍了传感器机械结构和拾振器结构的参数设计，并详细阐述了悬臂梁拾振器的几何尺寸对传感器性能( 固有频率) 的影响。悬臂梁的固有频率会影响传感器的频率响应范围和灵敏度。因为该光学传感器的传递函数呈现低通响应，增大固有频率会在提高频响高端范围的同时减小灵敏度，反之亦然。所以需要根据实际振动量的特点来确定合适的固有频率，即悬臂梁的几何尺寸。进一步利用a n s y s 软件对悬臂梁进行了模态分析，验证理论推导的正确性。最后设计了以微处理器m s p l 3 0 f 1 4 9 为核心的嵌入式测量系统，实现对信号的预处理、运算以及频率、电压的测量，可将频率和加速度值显示在l c d 屏幕上，使传感器能够实时处理和显示信号，方便了传感器的使用。关键词：超低频振动d v d 光读取头聚焦误差信号悬臂梁传感器t h er e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fu l t r a l o wf r e q u e n c yv i b r a t i o ns e n s o rb a s e do nd v dp i c k u pa b s t r a c ti no r d e rt og u a r a n t e et h en o r m a lw o r ko fp r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，t h er e q u i r e m e n t so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，c l e a n l i n e s sa n dv i b r a t i o np a r a m e t e r sa r es t r i n g e n t ad e s i g no fo p t i c a ls e n s o rf o rl o w f r e q u e n c yv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h es e n s o rm a k e su s eo ff o c u se r r o rs i g n a l ( f e s ) o fd v dp i c k u p ，w h i c hi ss e n s i t i v et od i s p l a c e m e n tv a r i a t i o n ，t od e t e c tr e l a t i v em o v e m e n to fv i b r a t i o n - p i c k u po fs e n s o r i ti sju s tn e c e s s a r yt op u tt h es e n s o rv e r t i c a l l yo nt h es u r f a c eo fv i b r a t i o no b je c tt ob em e a s u r e d ，a n ds on o t e df o rs i m p l es t r u c t u r e ，h i g hs e n s i t i v i t y ，l o wc o s t t h es e n s o r ss t r u c t u r ei sm a i n l ym a d eu po ft w op a r t s ：d v dp i c k u pa n dc a n t i l e v e rb e a mv i b r a t i o n p i c k u p 0 n ee n do fc a n t i l e v e ri sf i x e da tt h em e t a lb a s e ，t h eo t h e re n dh a n g sf r e e l yw i t ham i r r o rm o u n t e do nt h eo p p o s i t es i d e i nt h es t a t i cs t a t e ，d v dp i c k u p 。so u t p u tl i g h tr e a c h e st h es u r f a c eo fm i r r o ra n di sr e f l e c t e db a c kt op i c k u p ，t h ev a l u eo fd v dp i c k u p sf e si sz e r o w h e nt h e r ei sv i b r a t i o no u t s i d e ，t h eb a s ew i l lb es y n c h r o n i z e dw i t ht h eo u t s i d ev i b r a t i o n ，a n dt h eo v e r h a n ge n do fc a n t i l e v e rb e a mw i l lv i b r a t e sr e l a t i v e l yu n d e rt h ei n e r t i af o r c e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gf e si sl i n e a rp r o p o r t i o n a lt ot h ed i s p l a c e m e n tv a r i a t i o n f u r t h e ra c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a n t i l e v e rb e a m sr e l a t i v ev i b r a t i o na n de x t e r n a lv i b r a t i o n o u t s i d ev i b r a t i o nv a l u ec o m e so u tf r o mt h ef e ss i g n a lt h r o u g ht h ef o l l o w i n gc a l c u l a t i o n w i t ht h ea n a l y s i so fd e s i g np r i n c i p l eo fv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ts e n s o ra n da c c e l e r o m e t e r ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed v dp i c k u p sf e s ：h i g hs e n s i t i v i t y ，s m a l ll i n e a rr a n g e ，t h ed e s i g ns c h e m ei sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i ti sc o n c l u d e dt h a tu s i n gd v dp i c k u pf o ra c c e l e r o m e t e rc a nm e e tp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s f a t h e r l y ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e so fs e n s o ra n dv i b r a t i o np i c k u ps t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d p a r t i c u l a r l ye l a b o r a t i o no ni n f l u e n c eo fc a n t i l e v e rb e a m sd i m e n s i o nt os e n s o r sp e r f o r m a n c e ( n a t u r a lf r e q u e n c y ) t h en a t u r a lf r e q u e n c yo fc a n t i l e v e rb e a mw i l la f f e c tf r e q u e n c yr e s p o n s er a n g ea n ds e n s i t i v i t y b e c a u s et h eo p t i c a ls e n s o r st r a n s f e rf u n c t i o ni sal o w p a s sf i l t e r ，i n c r e a s i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c yw i l li m p r o v et h ef r e q u e n c yr e s p o n s ea th i g h - e n dw h i l es i m u l t a n e o u s l yr e d u c et h es e n s i t i v i t y ，a n dv i c ev e r s a t h ea p p r o p r i a t en a t u r a lf r e q u e n c y ，n a m e l y ，c a n t i l e v e rb e a mg e o m e t r ys h o u l dl i eo na c t u a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s m o d a la n a l y s i so fc a n t i l e v e rb e a mu s i n ga n s y ss o f t w a r eh a sv e r i f i e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s f i n a l l y ，t h ed e s i g no fa ne m b e d d e dm e a s u r e m e n ts y s t e m sb a s e do nm i c r o p r o c e s s o rm s p l 3 0 f 1 4 9i si m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gs i g n a lp r e p r o c e s s i n g ，c o m p u t i n g ，a sw e l la sf r e q u e n c y ，v o l t a g em e a s u r e m e n t t h er e s u l to ff r e q u e n c ya n da c c e l e r a t i o nc a nb ed i s p l a y e do nt h el c d ，s ot h a tt h es e n s o rc a nh a n d l ea n dd is p l a ys i g n a lr e a lt i m et of a c i l i t a t et h eo p e r a t i o no ft h es e n s or k e y w o r d s ：u l t r a 。l o wf r e q u e n c y ；v i b r a t i o n ；d v dp i c k u p ；f o c u se r r o rs i g n a l ；c a n t i l e v e rb e a m ；s e n s o r插图清单图1 1m k c 系统1图1 2 磁电式振动传感器振动模型2图1 3 磁电式振动传感器输出端并联电容电路3图1 4 并联不同容值电容后幅频曲线4图1 5 传递函数补偿前后幅频曲线5图1 6 压电式振动加速传感器的结构模型5图1 7 压电加速度计的机械运动模型5图1 8 马赫一曾德型振动传感器结构图一7图1 9 光弹振动传感器光路原理图7图1 1o 光纤光栅加速度计的结构图8图1 1 1 光读取头一p z t 振动测量原理图9图2 1d v d 光盘表面形状1 1图2 2h o p 1 1 6 0 型d v d 光读取头实物图1 2图2 3d v d 激光读取头结构示意图1 2图2 。4 激光二极管的温度特性曲线1 3图2 5 激光源的内部结构图1 3图2 - 6 四象限光电二极管传感器结构示意图1 4图2 7 不同失焦下的光斑产生的f e s 信号1 4图2 8 像散原理1 5图2 - 9a p c 电路示意图1 5图2 1 0a p c 电路15图2 1 1a p c 电路稳定实验结果1 6图2 一1 2 聚焦误差曲线测量实验装置1 7图2 1 3f e s 曲线1 7图3 1 惯性振动传感器结构模型示意图1 8图3 2 惯性质量块的受力关系图19图3 3 振动位移计幅频特性曲线2 l图3 4 振动位移计相频特性曲线2 1图3 5 振动加速度计幅频特性曲线2 2图3 6 传感器光路示意图2 4图3 7 传感器实物图2 4图3 8 拆除v c m 后的d v d 光读取头2 4图3 - 9d v d 光读取头的z i f 2 4 接口图2 5图3 1 0 悬臂梁几何参数图2 6图3 1 1 悬臂梁受力图2 6图3 12 悬臂梁固有频率与臂长关系2 8图3 13 悬臂梁固有频率与臂宽关系l 2 9图3 。1 4 悬臂梁固有频率与臂宽关系2 2 9图3 15 悬臂梁固有频率与臂厚关系2 9图3 1 6 悬臂梁固有频率与质量块质量关系3 0图3 1 7 悬臂梁a n s y s 模型3 l图3 1 8 悬臂梁有限元划分3 1图3 1 9 悬臂梁静力分析3 2图3 2 0 悬臂梁模态分析结果图3 4图4 1f e s 信号处理电路原理图3 5图4 2t 型放大电路3 5图4 3 滤波和电压跟随器电路3 6图4 4m p y 6 3 4 引脚图3 7图4 5m p y 6 3 4 内部结构图3 7图4 6 除法电路3 8图4 7 周期测量原理示意图3 8图4 8 周期测量原理电路3 9图4 - 9 电压极性变化及范围调整原理图4 0图4 1 0 采集主程序框图4 l图4 1 1 传感器测量显示电路4 1图4 1 2 传感器系统模块图4 2图5 1 固有频率测量实验结构原理图4 4图5 2 振动激励器和功率放大器4 4图5 3 加速度计固有频率测量4 5图5 4 加速度计频响范围测量4 5图5 5 加速度计灵敏度测量4 6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- 卜i 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诩 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，也不包含为获得盒巴工些态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谓 意。学位论文作者签名：铂、不7 - -签字日期：砩牟月印日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盒g 曼王些太堂有关保留、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。本人授权金g 里工些太堂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)学位论文作者签名：荪杠签字日期：加邵年牛月- j 1 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：邮编：致谢本论文是在导师张辉教授的悉心指导下完成的。导师高度的敬业精神，渊博的知识、敏锐的洞察力和严谨的治学态度，宽厚待人的行为让我终生受益。论文从选题到完成实验，每一阶段都是在张老师的指导下完成的，每当遇到难题的时候，张老师总是耐心地帮助分析问题，并指导解决问题的办法。在此，谨向张老师表示崇高的敬意和衷心的感谢，感谢张老师在学业和生活中给予我的无私关心和帮助!本论文的顺利完成，离不开仪器科学及光电工程学院的各位老师、同学和朋友的关心和帮助。他们在我实验时，给了很多正确的建议，并指明正确的方向，使我们少走了很多弯路，感谢这些老师悉心的指导和帮助；另外还要感谢我的师兄弟们王凤伟博士，牛学虎、李武建、倪勇等，我们在一起度过美好的三年时光，同时感谢学院提供的良好的学习气氛和友善的生活环境，我很怀念在这里度过的将近三年愉快而有收获的时光。感谢我的父母，在我的求学道路上默默得奉献着，时刻给予我鼓励和支持，帮助我顺利完成学业。谨以此文献给所有关心、帮助过我的父母、家人、老师和朋友们!作者：孙承文2 0 0 9 年4 月8 日第一章绪论一里：k专1 1 振动传感器根据振动信号检测原理，目前振动传感器可分为：磁电式、压电式、光电式、电容式、电感式、涡流式、压阻式、扩散硅式等【5j 。其中磁电式、压电式、光电式较为常见，实际中应用范围也较广，下面将介绍这三种传感器的原理和技术发展情况。1 1 1 磁电式振动速度传感器磁电式振动传感器是利用洛伦兹效应，当金属元件在外界振动惯性力作用下做切割磁感应线的运动时，金属元件的两端会产生与外界振动速度成正比关系的感应电动势，通过外部电路测量出感应电动势大小，实现对振动速度信号量的测量。由于磁电式振动传感器的输出信号直接反映的是振动速度量情况，所以又可以将其归纳为振动速度式传感器【6 】磁电式振动传感器的机械模型可简化为二阶阻尼振荡系统，其振动模型如图1 2 所示：x e图1 2 磁电式振动传感器振动模型图1 2 中k 为系统的弹性系数，m 为质量块质量，c 为振动元件受到的阻尼系数，x 。为外部振动的位移量，x ，为质量块惯性振动的位移量。当外部产生振动时，质量块受到的力有：惯性力、阻尼力和弹性力。通过受力分析，可得三者关系式：c 掣电( t ) 一昙( 掣)- ，式( 1 - ，) 中c 掣d t 为阻尼力、k x r ( t ) 为弹性力、m 杀( 掣 为惯0 【a i性力。运动的金属质量块会切割磁感应线，输出的电磁感应电动势u ( t ) 为：u “) ：b n l 垫盟：0 c 旦型( 1 2 )d td t式( 1 - 2 ) 中b 为磁感应强度，n 为感应线圈的匝数，l 为每匝线圈的平均长度，o c 为磁电信号转换灵敏度。结合式( 1 1 ) 、( 1 2 ) ，可得在频率范围内系统输出电压u ( s ) 和外部振动速度s x e ( s ) 之间的函数关系式为【7 】h ( s ) = 为= 焘3 ，式( 1 - 3 ) 中号o = c 2 m 、0 3 0 = k m 。观察式( 1 - 3 ) 可发现，磁电式振动传感器的传递函数呈现为二阶高通型，固有频率c o 。决定了系统频率响应的低端范围。因此扩展频率的低端范围时，就需要降低系统固有频率。但是由于受到系统机械结构特性的限制，系统固有频率不可能降到很低。根据弹簧的静伸长和固有频率的关系式峭j 1 0 = g c 0 2可知当固有频率为1h z 时，静伸长可达2 5 c m 。由于弹簧的静伸长过大，运行的稳定性也得不到保证，系统实现困难。考虑到磁电式振动传感器的稳定性和性能，一般将固有频率设计在10 h z 左右，此时弹簧静伸长约为2 5 r a m ，保证系统在一定频率范围正常工作。可知，当固有频率为1 0 h z ，假设被测信号为频率l h z ，幅值1 0 u m ，由信号的输出公式u 。= k ( o o , o o ) x 。( t )输出电压u 。仅2 5 微伏。显然当外界振动的频率低于固有频率10 h z 时，系统输出的信号量幅值微弱，甚至与噪声处于同一量级水平，容易受到噪声的干扰，从而分辨不出有效信号。通过以上分析可知，磁电式振动传感器测量低频振动信号时，要求系统固有频率低于外部振动频率，以保证信号量幅值。但由于实际加工组装等因素，为保障系统运行的稳定性，限制了系统固有频率的降低。为了弥补这一缺陷，研究人员从其他方面入手寻找方法来拓展频响范围的低端。19 9 8 年，杨学志等介绍了在磁电式振动传感器的后续电路输出端并联电容，通过对输出信号的处理，实现对更低频率振动的测量1 9 】。图1 3 显示了输出端并联电容后的系统电学模型：图1 3 磁l 乜式振动传感器输出端并联电容电路在图1 3 中，u s 为感生电压，l 为绕线圈电感，r s 为绕线圈电阻，c 为输出端并联电容，r 为负载电阻，u o 为输出电压。根据机械和电路方程可得，输出电压和外部振动速度之间的频域函数关系可近似用式表示：h ( s ) = 器一其中m s 2rm s 2 + c l s + kr + rs( 1 4 )m ：m + o c 2 r c + c l + r s r c c + l r c k( 1 5 )r + r sc - - c + 竿蒜竽3( 1 6 )由式( 1 5 ) 、( 1 6 ) 可见后续电路输出端并联电容后，公式中m m 、c l c ，相当于增加惯性质量块的质量和阻尼系数。在输出端并联容后改变系统原来的传递函数形式，由前面介绍可知增加质量块的质量可以降低系统的固有频率。通过调整并联电容的容值实现对系统频率响应低端范围的拓展。图1 4 显示了并联不同容值大小的电容后，输出电压和外部振动速度之间传递函数特性曲线：囊龌图卜4 并联不同容值电容后幅频曲线图1 4 中幅频曲线从上到下分别对应电容分别为0uf ，101 tf ，10 0t tf ，l0 0 0l af 。可见随着并联电容容量的增大，传递函数的截止频率( 固有频率)也同样降低。磁电式振动传感器的二阶传递函数是描述系统性能的重要方式，传递函数中固有频率参数是决定系统性能的参数之一。在此基础上，19 9 9 年，杨学山、余水宝等人提出通过对传递函数进行补偿的方法来优化系统传递函数的特性。通过传递函数的补偿不仅可以降低固有频率，还可以调整阻尼系数提高频率范围平坦度来扩大频率响应范围 1 0 - 1 3 】。具体分析如下：将磁电式振动传感器系统的传递函数概括用下式表示：h ( s ) = 再s 嘉0 3 蕊s+ z 。+ ( o ：毛。，0 3 。分别为系统的阻尼比和固有频率。通过后续信号处理电路或程序添加补偿函数c ( s ) ，其表达式如下式所示：c ( s ) ：；望塑生錾s + 2 弓n 0 3 n s + ( o ：传递函数h ( s ) 和补偿函数c ( s ) 的串联，改变了系统传递函数的形式，最后得到系统的传递函数为：，、q 2h c 【s ) = h ( s ) c ( s ) = 了_ 导l 1s + z 专n ( 1 ) n s + ( 1 ) ：可见补偿函数的分子抵销了原传递函数的分母，并产生新的阻尼比毛。和固有频率。由于补偿函数c ( s ) 容易实现，对于芎。和。的调整可以根据实际需要通过调节电路元件的参数或程序中参数来修改。图1 5 显示了传递函数补偿4前后固有频率的变化情况：锻军，m o图1 5 传递函数补偿前后幅频曲线由图1 5 可见，补偿后的系统固有频率大大降低。传递函数补偿法具有原理简单、实现方便的特点，但并不意味着就能通过传递函数固有频率的修正来满足对极低频率振动量的测量。由前面的介绍，磁电振动传感器的输出与固有频率的平方成反比，前端输出信号过小会受到噪声的严重干扰，此时即使后面信号处理部分可以扩大信号的线性范围，也无法从噪声中分辨出信号，所以设计磁电式振动速度传感器要综合考虑机械系统的固有频率和函数补偿l l 引。1 1 2 压电式振动加速度传感器压电效应是由p i e r r e 和j a c q u e sc u r i e 在18 8 0 年发现的，直到2 0 世纪5 0年代静电计晶体管出现，压电效应才被实用化【l5 1 。随着信号调理技术的进一步发展，压电传感器迅速发展并得到广泛应用。压电测量系统是有源系统，负载作用时，压电晶体受力会产生电荷。因为静止情况下无电荷产生，压电传感器只能用于动态量的测量1 1 6 。不同于磁电式振动速度传感器，压电晶体输出电荷量的大小与受力大小即与外界振动的加速度相关，压电式振动传感器直接感受的是外界振动的加速度，因此它是一种振动加速度式传感器。压电式振动加速传感器的结构模型如图1 6 所示：图1 - 6 压电式振动加速传感器的结构模型在图1 6 中，压电晶体和惯性质量块通过预紧弹簧和螺丝固定在基座上面。测量时基座用螺丝或粘合剂固定在振动物体表面。当外界产生振动时，会带动传感器作同步运动，压电晶体受到质量块惯性力的作用，并输出与外界振动加速度成比例的电荷量。压电式振动加速传感器的机械运动模型【l7 j 如图1 7 所示：图1 7 压电加速度计的机械运动模型5其函数关系式如下式所示d 2 ( x ，+ x 。)d t2+ 2 芎。( o 。百d xr + 。x ，= 。式中x 。为外界振动位移，x ，为惯性质量块的相对振动位移，亏。为阻尼系数，( o 。为系统固有频率，专 为外界振动的加速度a o 由式推导得系统传递函数为峥等= 志可见传递函数呈现低通特性，当0 ) ( o 。时，传递函数的幅值与固有频率的关系如式所示：l h ( s ) i 兰之0即在固有频率低端范围内( 0v d j 。v co 诡珍f e s = 0v d = , - - j 。0vc轸fes0va。、j刊广v d j 。图2 7 不同失焦。f = 的光斑产生的f e s 信号2 1 3 光栅入射光透过光栅会分成零阶和4 - 1 阶三束光。零阶光束产生聚焦误差信号，供光盘表面信息检测使用。4 - 1 阶光束分布在光盘径向通道两侧，产生径向寻迹信号，保证系统顺序找到信号轨道。2 1 4 九4 波片九4 波片的作用是改变入射光的相位特性，结合偏振分光镜，可以从入射光中选择需要的光通过，其它的光将会被反射出去。2 1 5 偏振分光镜偏振分光镜只能让与偏振方向平行的光通过，与偏振方向垂直的光则完全被反射。当光源出射的线偏振光通过k 4 波片后相位发生4 5 0 的改变，变为圆偏振光，当由光盘反射回来再次通过k 4 波片相位又改变4 5 0 ，由圆偏振光变回为线偏振光，但相位相对于原先改变9 0 0 ，此时从光盘反射回的光可以顺利通过偏振分光镜，而不会进入激光源，避免由于发生激光源和反射光发生的相互干扰，对光源的稳定性产生影响。2 1 6 柱面像散透镜在目前已有的d v d 光读取头中离焦信号的检测方法有：像散法、刀口法和光斑法【46 i 。本文采用的光读取头采用的是像散法，利用柱面镜的横向和垂直两个方向的焦距不同，使得入射光束发生像散，在四象限光电探测器上形成的像散光斑形状。像散成像原理【4 7 】如图2 8 所示：】4图2 8 像散原理由图2 8 可见，平行光入射透过柱面镜时，透过光会聚焦成像。随着透过光前进距离的增大，在光路方向上各处所成的像会逐渐变化。观察所成像的长短轴，假设在近焦处的长轴为y 轴，短轴为x 轴。随着与柱面镜的距离增加，光斑的长、短轴会慢慢接近，直到相等变成圆形，之后进一步的长短轴会反转，纵向椭圆变化为横向椭圆。经过以上聚焦过程，产生了可供四象限光电探测器检测的光斑信号，通过数学运算( a + b c d ) 获得聚焦误差信号。实验测量表明，在聚焦点附近将会有微米量级范围的线性段。2 2 自动光功率控制a p c 电路激光二极管作为光源使用时，当环境温度发生变化时，激光二极管输出的光功率会随之改变。受到温度的影响，而造成光强不稳定。通过给激光源添加自动光功率控制a p c ( a u t op o w e rc o n t r 0 1 ) 电路，可以保证出射光功率稳定 4 8 - 5 0 1 。a p c 电路原理如图2 9 所示。a p c 电路通过p d 和i v 转换电路获取激光二极管光功率输出情况，将i v 电路输出电压与参考电压相比较，产生调整电压供给驱动电路，从而实时对激光源l d 进行调整，整个系统构成闭环反馈驱动。图2 - 9a p c 电路示意图最终制作完成的a p c 驱动电路如图2 1 0 所示：由于在h o p 1 1 6 0 型d v d光读取头中已集成了将激光二极管p d 端输出的电流变换为电压的电路部分，p d 端输出的是电压信号，简化了a p c 电路的设计。图2 10a p c 电路15j 必如图2 10 所示：在运算放大器的负输入端的参考电压v r 由外部电源p o w e r 、电阻r 1 、r 2 、稳压管d l 和可变电阻v r 提供。v r 通过运算放大器o p a m p 的放大和电流放大器件p n p 管q 1 提供给激光二极管光源稳定工作时所需要的电流。当由于温度等因素变化时，引起激光源l d 输出功率增大，光功率监测二极管p d 的端电压随之升高，p d 和v r 通过运算放大器作差压运算，使得三极管p n p 的输出电流变小，从而减小激光源输出光功率，反之亦然。电路中二极管d 2 起到保护作用，防止电压过高，冲击激光二极管造成损坏。光功率监测二极管p d 作为半导体器件，同样受到温度的影响。其输出电流会随着温度的变化而变化，不过与激光源l d 相比较，温度对于光功率监测二极管p d 影响较小，在保证环境温度波动不是太大的情况下，可以忽略温度对p d 的影响。为了检验该电路工作的稳定性，将实验室环境温度从2 0 0 c 每隔一小时增加一度，直到为2 5 0 c 时，并每隔1 分钟测量p d 输出电压，连续测量5 个小时，获得的数据如图2 1 1 所示：。4 翟如3 2 e茵2 0 0脚1 5 01 0 05 0005 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0时间( 分钟)图2 一1 1a p c 电路稳定实验结果由图2 1 1 可知，p d 的电压波动变化不是很大，在温度变化5 0 c 情况下，激光源能够长时间运行保持光功率的稳定输出。2 3 聚焦误差曲线测量d v d 光读取头利用四象限光电传感器来获得聚焦误差信号，检测物面的位置变化。根据前面介绍的理论，现对h o p 1 1 6 0 型d v d 光读取头的聚焦误差信号曲线进行测量，记录对应物面位移变化的聚焦误差信号电压。实验装置如图2 12 所示。如图2 12 所示，利用粘合剂将d v d 光读取头中的驱动机构音圈马达固定住，此时安装在音圈马达上的物镜将静止不动。实验中采用的微动台的移动步距为0 2 u m ，为避免机械机构的回程误差的影响，在测量时微动台将只沿着一个方向移动，带动反射镜逐渐靠近光读取头。记录微动台每个移动步距下四象限光电二极管传感器输出的聚焦误差信号f e s 。f e s 将由16 位的模数采集卡采】6集，数据的预处理可通过软件对采集卡的设置来实现，最后利用m a t l a b 软件将记录的数据显示出来。绘制曲线如图2 13 所示。r固定：iil图2 1 2 聚焦误差曲线测量实验装置由图2 13 可以看出，聚焦误差信号与失焦距离之间的关系呈现为s 曲线。从波峰到波谷间距离约为15 u m ，取中间线形范围供测量使用，线形范围约为1 0 u m 。llfi、，、，￥圹u02 c 14 06 01 0 01 加单位( u r n )图2 13f e s 曲线l7姗伽| 喜抛伽。彻舢础罗邑日脚出第三章光学振动传感器的设计3 1 惯性式振动传感器的数学模型根据外界实际振动量的特点，振动传感器在设计时主要分为：相对式接收和绝对惯性式接收两种1 5 。相对式接收振动传感器主要应用在有参考点可以利用的情况下。测量时将振动传感器的探头与外界振动的表面相接触，当发生振动时，探头与外界振动作同步运动，探头的另外一端连接记录仪，记录外界振动的变化曲线，由该曲线可以反映出振动信号量的参数，如位移、频率、速度和加速度等。相对式接收振动传感器测量的是外界振动与参考点之间的相对位置关系，所以必须要求参考点位置固定不变。但在实际环境中，如大地、行驶中的车辆、飞行中的飞机等，很少能找到这样一个可以利用的绝对参考点，所以限制了相对式接收振动传感器的应用。针对上述情况，需要从原理上寻找新的测量方法。惯性式接收振动传感器能够满足无绝对参考点可以利用情况下对振动信号的测量。惯性式接收振动传感器结构模型如示意图3 1 所示。在实际测量时，将传感器固定于外界振动物体的表面，保持传感器中的拾振器( 惯性质量块) 的振动方向与外界振动的方向一致。当外界物体振动时，带动传感器基座一起振动，传感器内部的惯性质量块将产生相对于外界振动的相对振动，该相对振动信号曲线由传感器记录部分记录下来。因为相对振动和外界振动量之间存在固定的函数关系，通过该相对振动的曲线的后续处理，即可获得外界振动量。图3 1 惯性振动传感器结构模型不意图下面部分详细阐述惯性振动传感器的工作原理”2 1 ，以了解传感器惯性质量块相对振动与外界振动之间的函数关系。在惯性式振动传感器中，惯性质量块m 的受力情况如图3 2 所示。静坐标系o x 与地面相连接，惯性坐标系o 。一x 。以距离外壳顶端弹簧在质量块m重力作用下的静伸长处为参考点。设外界振动的绝对位移量为x ( t ) ( 相对于静坐标系) ，惯性质量块m 的相对振动位移量为x ，( t ) ( 相对于惯性坐标系) ；l 。为弹簧在本身重力作用下的静伸长度，6 为弹簧在质量块m 重力作用下的静伸长度，k 为弹簧的弹性系数，c 为系统受到的阻尼大小。当质量块m 受到惯性力作用产生振动时，质量块m 受到的弹性力f 为：18f = 一k ( x ，+ 6 )考虑到阻尼因素，质量块m 还受到阻尼力的作用。阻尼主要包括物体与其他面接触时受到的库尼阻尼和在流体介质中运动受到的粘性阻尼，对于本系统可简化阻尼因素，只考虑粘性阻尼的影响。上x ，x 。图3 2 惯性质量块的受力关系图当质量块m 运动速度较低情况下，阻尼力大小近似与质量块运动的速度成正比关系，阻尼力e 表示为：f z = 一c x ，式中x ：为质量块在惯性坐标系的速度量。从静坐标系来看，质量块m 运动的加速度为x ”，所以还受到外部的惯性力f t ，其大小与静坐标系中加速度量x ”成正比关系：f i = m x ”通过以上对当质量块m 的受力分析关系，可得m 的受力方程为：m x ：。= m g + f i + f + f = m g + m x ”一k ( x ，+ 6 ) 一c x ：式中m g 为质量块m 受到的重力，又因为6 为弹簧在质量块m 重力作用下的静伸长度，所以可得m g k 6 = 0公式简化为：m x ：+ c x ：+ l ( x ，= m x “即：+三：+一kxxx ，：x ”( 3 1 )，+ 一，+ 一，=( 3 - 1 )mr i l令0 ) ：= 兰，n = _ c ，分别为惯性式振动传感器的固有频率和衰减系数，得惯性运动微分方程x ：+ 2 n x ：+ ( o ：x ，= x ”( 3 - 2 )式( 3 2 ) 表达了在惯性坐标系中，传感器中惯性质量块m 与外界振动量之间位移量的函数关系。为了简化计算，将外界振动量视作简谐振动，运动方程为19x = x 。s i nc o t( 3 - 3 )其中x 。，c o 分别外界振动的振幅和角频率。由式( 3 - 2 ) 、( 3 。3 ) 解得x ，= e m ( c lc o s ( , 0 。t + c 2s i nc o 。t ) + x 。s i n ( c o t 一( p )( 3 - 4 )观察式( 3 - 4 ) ，可发现相对振动量由两部分组成，分别为稳态响应x n ns i n ( o ) t 一( p ) 和暂态响应e - n t ( c lc o s ( t ) 。t + c 2s i nc o 。t ) 。暂态响应由于阻尼作用很快消失，只剩下稳态部分x 。s i n ( c o t 一( p ) ，此时系统作有阻尼受迫振动，即x ，= x 。s i n ( o ) t 一( p )( 3 - 5 )其中x 。为惯性质量块m 作有阻尼受迫振动的振幅，( p 为惯性振动相对振动源的相位延迟。将式( 3 - 6 ) 化为：x m 。2 n o )q d 柚百了，、4 c 22l 一_+，( 1 ) ：r 2 k m 、2 !( 3 6 )( 3 7 )令频率比九：一c o ，阻尼比 1 ， ：三 i ，乙= ll ) 一ljn。c c公式( 3 8 ) 可近似简化为x ，= x 。s i n ( c o t 一兀)( 3 12 )2 1由式( 3 12 ) 可发现传感器的惯性质量块与外界物体的简谐振动规律基本相同，只是在相位上落后1 8 0 0 。当待测外界振动频率与传感器固有频率以及系统阻尼特性满足以上两个条件时，可设计成振动位移计【5 3 】。进一步分析，振动位移计要求外界振动频率应该显著地大于传感器的固有频率( 1 ) 。，所以传感器的固有频率决定了传感器的频率响应范围。为了扩展振动位移计频率响应范围的下端，应该降低振动位移计的固有频率c o 。由公式( o 。= k m 可知，可通过增加惯性质量块的质量m ，降低弹簧的刚度系数k 来降低固有频率( d 。由振动位移计设计的第二个条件 = c c 。= c 2 h n 1 及图3 3 中函数曲线，可知当确定k 和m 后，确定即固有频率后，适当的增加阻尼c ，能够使振动位移计的幅频响应曲线变得平坦，从而扩大频率响应范围的下端。当阻尼比为最佳值o 7 0 7 时，频率响应范围下端得到最大扩展。3 2 2 振动加速度计的设计原理对式( 3 3 ) 求导可得外部振动加速度a 为：a = 0 3 2 x ms i nc o t由上式易知加速度的幅值a 。= ( 0 2 x 。，代入式( 3 8 ) 得：竺i 兰婴：一( 3 13 )一一：= = = = = = = = = = = = = = ：= = = = = =一) 。i 一，a m( 1 一好) 2 + 4 _芎l图4 - 3 滤波和电压跟随器电路如图4 3 所示：在低频时，c 1 、c 2 相当于开路，放大器a 5 组成电压跟随器形式，信号直接通过；在高频时，c l 、c 2 相当于短路，信号在放大器输入端短路到地，没有信号出现在放大器输出端。电路具体分析如下，由图4 3 可得：v 2 = v ov ，：l + s r2 c 2式中v 。为运放a 5 的输出电压，在3 处应用k c l 方程得半悄- v o ) s c 。一半一o得旦：!v ：r l r 2 c 1 c 2 s 2 + ( r l + r 2 ) c 2 s + 1化为标准式得3 6除法电路的连接如下图4 - 6 所示：图4 - 6 除法电路由图4 1 所示，m p y 6 3 4 的输出信号反馈到乘法输入端y 2 ，所以m p y 6 3 4内部结构图显示的输出放大器的有效增益a 会随分母的电压值变化而变化。因此，该除法电路的带宽与分母电压值成比例关系。4 2 信号周期测量信号频率测量可以采用两种方法：一是对采集的信号做傅立叶变换，在频域分析信号的频谱；二可以通过对信号波形的周期进行计时得到信号频率。第一种方式数据处理量大，此处采用第二种方法。周期测量的原理如示意图4 7 所示。利用磁滞比较电路将外界波形信号转换为矩形波信号，该信号送入单片机的信号捕获端口。当矩形波信号发生跳变时会触发单片机内计时电路，对矩形波的周期进行计时，计算计时脉冲个数从而获得外界波形的周期。图4 7 周期测量原理不意图利用分立元件搭建的磁滞比较电路会因为元件精度等因素影响测量的结果，此处选用m a x i m 公司生产的单路、低电压比较器m a x 9 2 1 6 7 】。m a x 9 2 1具有以下特点：1 ) 具有超低功耗的优点，在整个温度范围内，消耗的电源电流小于4 9 a ；2 ) 在其内部包含一个1 18 2 v4 - 1 的带隙基准电压源，可提供编程滞回功能；3 ) 供电电压范围宽：+ 2 5 v 至+ 1 1 v 单电源，1 2 5 v 至5 5 v 双电源，每路比较器的输入电压摆幅从负电源到低于正电源电压1 3 v ；4 ) 供了一个简单独特的方法来增大迟滞，无需借助反馈及复杂的关系式，3 8只利用h y s t 引脚和两个电阻即可；5 ) 独特输出级设计可以持续提供高达4 0 m a 的电流。由于消除了比较器改变逻辑状态时的电源扰动，m a x 9 2 1 - m a x 9 2 4 还使寄生反馈减至最小，因而更易使用。周期测量原理电路如图4 8 所示：图4 8 周期测量原理电路输入信号a i n ( 即经过预处理的f e s 信号) 通过的隔直电容c 8 0 1 ，滤除直流部分，电容c 8 0 1 容值选为1u f ，减小对信号的衰减。电阻r 8 0 l 、r 8 0 2 将输入电压分压，以防止电压过大，损坏芯片的输入口。通过r 8 0 5 、r 8 0 6 和芯片内部的起到带隙基准电压源设置了关于0 v 电压对称的磁滞带，在该处约为2 0 m v 。电路输出的方波送入单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 1 2 t a