光譜共焦位移傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、位移傳感器是實(shí)現(xiàn)幾何量精密測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。光譜共焦位移傳感器是近年來出現(xiàn)的一種基于光波長位移調(diào)制的非接觸位移傳感器，測(cè)量精度可達(dá)亞微米級(jí)，工作頻率達(dá)千赫茲，應(yīng)用前景廣泛。國外已有工業(yè)級(jí)光譜共焦位移傳感器出現(xiàn)。近年來國內(nèi)部分學(xué)者對(duì)此有所關(guān)注，但公開文獻(xiàn)很少。本文基于光譜共焦測(cè)量原理，采用理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)影響傳感器性能的重要因素以及關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　為實(shí)現(xiàn)光波長位移調(diào)制，應(yīng)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)

2、軟件對(duì)核心變換元件色散位移鏡頭進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。為獲得決定傳感器線性度的線性軸向色差，設(shè)計(jì)過程中依據(jù)近軸像差理論為各光學(xué)玻璃分配光焦度。為消除傳感器系統(tǒng)各單色光球差對(duì)共焦軸向響應(yīng)展寬所造成的分辨率下降，設(shè)計(jì)過程中使用ZEMAX的多重結(jié)構(gòu)功能，結(jié)合光學(xué)追跡的方法計(jì)算出軸向球差并對(duì)其進(jìn)行了校正。對(duì)鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了像差分析與評(píng)價(jià)。色散位移鏡頭工作光譜區(qū)486nm-656nm，軸向色散位移范圍約91μm，軸向色差與波長間線性關(guān)系良好，一元線性回

3、歸判定系數(shù)R2=0.99;各單色光近軸像面彌散斑均小于相應(yīng)愛理斑，鏡頭像差已校正至衍射極限。本鏡頭設(shè)計(jì)方法對(duì)傳感器色散位移鏡頭的設(shè)計(jì)方案選取和優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定參考意義。
　　共焦小孔尺寸是影響傳感器系統(tǒng)分辨率與信噪比的重要因素。為提高共焦小孔出射光信號(hào)的信噪比，對(duì)共焦小孔尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)經(jīng)典共焦理論對(duì)共焦小孔出射光信號(hào)光譜分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。基于共焦小孔尺寸對(duì)出射光信號(hào)峰值光強(qiáng)與光譜帶寬的影響規(guī)律，提出了使用峰值光強(qiáng)與光譜帶

4、寬之比作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的小孔優(yōu)化方法，得到了優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
　　準(zhǔn)確獲得對(duì)應(yīng)調(diào)制位移的峰值光譜線，對(duì)保證傳感器測(cè)量精度至關(guān)重要。分析了造成譜峰偏移的因素，提出了在預(yù)處理階段從光譜信號(hào)中去除光源特性以減小譜峰定位偏差的處理思路，并利用OPTO-NCDT2401傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用質(zhì)心法和高斯擬合兩種譜峰定位算法，對(duì)比了去除和未去除光源光譜特性兩種情況下傳感器系統(tǒng)的位移輸出偏差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從原始光譜數(shù)據(jù)中去除系統(tǒng)光源光譜特性