基于偏振光检测的转速计.doc

序号： 湖北省大学生物理实验创新设计竞赛申报书 项目名称： 基于偏振光检测的转速计 院校名称： 华中农业大学 申报者姓名： 指导教师： 谭佐军 湖北省大学生物理实验创新设计竞赛组委会制二0一二年九月申报者情况 申报者情况姓 名性别出生年月院系专业本科/专科年 级 入学时间通讯地址联系电话Email手机合作者情况姓 名性别年龄学历所在单位联系方式指导教师姓名职称单位联系方式（电话、邮箱）作品设计的物理思想、实验原理、方法和技术的描述（500字以内说明：必须由申报者按要求填写，申报者情况栏内必须填写第一作者（承担申报项目主要工作），项目全部内容必须是项目组成员独立完成。提供作品的实验数据、技术参数和技术性分析。说明作品的科学性、先进性。列出参考文献和资料1 测量原理强度为 的平面偏振光通过检偏器后的光强 为 （1）上式中，为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角，该式称为马吕斯（Malus）定律，它表示改变角度可以改变透过检偏器的光强。当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量极大时，称它们为平行（此时= 0度）。当二者的取向使系统射出的光量极小时，称它们为正交（此时= 90度）。根据马吕斯定律，如果在一束线偏振光的传播的路径上插入一片偏振片，并绕传播方向转动它，就可以发现透射光的强度随着偏振片取向的不同而发生变化，其关系为。转动检偏器一周，若光强出现两次消光，两次极大，则这束光为线偏振光。实验结果如1：图1 检验线偏振光的实验结果显然，保持不变，通过检测光强，即可获知转角的变化。2 具体方法由于基于偏振光检测主要通过光强的变化进行测速，因此光源的漂移对测试结果有一定的影响，为了抑制这种影响，我们采用同光源双光路的结构进行检测，如图2所示，衰减片半导体激光器发出的激光进行衰减，避免CCD饱和，检偏器安装到待测转动的电机上，衰减后的激光经过检偏器成为线偏振光，通过分束镜（半透半反镜）分为两束光，两束光分别经过检偏器后用面阵CCD探测，通过计算面阵CCD上光斑灰度值的变化检测光强变化，从而进行测速计算，在CCD上加装滤光片，防止杂散光的干扰，保证光强的准确测量。其中检偏器1和检偏器2的透光轴正交，由马吕斯定律可知，某一时刻CCD1检测到的光强信号为，CCD2检测到的光强信号为，如图3所示。为待测电机或其他转动物体转过的角度，由于两个检偏器的透光轴正交，两路信号的相位依次相差，显然，当光源偏移或不稳定时，信号将同比例的发生变化，信号相等点所对应的角位移不会变化，转动方向也可通过2路信号的大小关系变化来确定。图2 如果转速较高（），可采用频率法进行测量，即在一定的检测时间内，对脉冲进行计数，如果秒内脉冲数为，而每周脉冲数为，则所测转速（）为 （2）如果转速较低（），可以选取2路信号中线性度较好的区段，使一个区段内的光强信号和转过的角位移成线性关系，将多个区段连续起来，如图3所示，连续选取图中红色区段，即可实现角位移的连续测量，在短时间内完成转速的精确测量。如在t秒内，通过比较2路光强变化的结果，我们确定系统由A点到达B点，则所测转速（）为 （2）4 技术参数1 精度（包括线性度、滞后、重复性）0.56；2 每28环境温度对精度的影响：0.50；3 一年稳定性为：0.56；4 适用管道直径为：50-2000mm；5 流速测量范围为：0.1-60m/s；6 工作湿度为：0-95%相对湿度，无冷凝；7 环境温度为：-40-75，介质温度为：-40-100；8 测量介质为：气体；5 实验数据采用高精度步进电机（鸿博？）产生标准转速。5.1 低转速测试步进电机每转500步（）后，记录相应区段内CCD采集的灰度值，计算相应的角位移，如表1所示。由表1可见，测试数据线性度很好，最大误差为，若以一周为满量程，则相对误差小于，误差主要来源于图像采集卡采样精度有限，CCD的噪声等因素。由于光强信号周期性变化，在连续多个周期的测量过程中，误差不会积累。重复性精度均在3.7之内。5.2 高转速测试采用频率法对步进电机进行测试，步进电机最高转速为100，分别在？时进行测量，如表2所示，相对误差？。重复性精度均在3.7之内。作品的特色和创新点特色：基于偏振光检测的转速计具有较宽的测量范围，对于高转速和低转速的测量都具有较好的性能，尤其是对低转速的测量，弥补了光电编码器和霍尔效应型转速计低速性能的不足。该转速计可以实现结构相对简单，易于缩小尺寸，实现微型化，成本低廉，推广应用前景十分广阔。创新点：1. 基于偏振光检测转速，采用同光源双光路的结构有效的抑制了光源漂移的影响以及噪声的影响，同时增加了倍频，提高了测量精度；2. 对低转速采用线性法，对高转速采用频率法，拓宽了测量范围。作品是否曾在国内外竞赛中获奖否项目组成员的分工和作用作品的意义、适用范围、造价、推广前景混合气体流量测量是工业过程中经常遇到的问题，在测控领域处于非常重要的地位。混合气体，例如煤气、天然气等一般都具有脏污严重、组分变化、温度和压力变化以及流量变化大等不利于流量检测的特点。基于换热原理测量气体流动速度的热式流速计能测量极低流速的微小流量，无可动部件，可靠性高，压力损失非常小、几乎可以忽略，量程比极高（1000:1），价格与管径关系不大，复现性能好。该气体流速计可广泛用于各种工业领域的气体流速测量，如天然气流量测量、煤气流量测量、空气流量测量、火炬气流量测量、气象、汽车工业(测量汽车尾气流量)、CEMS(Continuous Emission Monitoring System)、医疗卫生事业(测量氧气和麻醉剂流量)、能源工业(燃烧配风)、采暖通风、公共事业(测量氯气、臭氧等气体流量)等场合，推广应用前景十分广阔。8推荐者情况及对作品的评述推荐者情况姓 名性别年龄职 称工作单位通讯地址电位电话Email手 机对作品的意 义、 技术水平、适用范围、推广前景作出评价 推荐人签