基于數(shù)字式波長編碼光柵的光學(xué)位移傳感器研制.pdf

1、本論文研究了一種新型數(shù)字式波長編碼光柵光學(xué)位移傳感器，作為關(guān)鍵硬件，用于飛行器光傳操縱系統(tǒng)中，取得了以下研究成果。
　　1、提出了一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)位移傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　該傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，由讀碼系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)兩部分組成。讀碼系統(tǒng)的核心元件是一個由若干種等間距光柵單元編碼組成的編碼光柵，該編碼光柵上攜帶著與位移信息一一對應(yīng)的圖形編碼，通過編碼光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以調(diào)整光學(xué)位移傳感器的分辨率和量程。圖形編碼信息

2、通過光柵的自準(zhǔn)直衍射轉(zhuǎn)化為波長信息，傳輸至后續(xù)的解調(diào)系統(tǒng)中并輸出數(shù)字編碼，從而完成位移的測量。并通過編碼光柵的獨(dú)特設(shè)計，從源頭上提高了傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力。
　　2、開發(fā)了兩種結(jié)構(gòu)的組合編碼光柵，并形成了成熟的編碼解碼算法。
　　組合編碼光柵采用單通道循環(huán)、多通道組合的方式，在不增加光柵種類的情況下，大幅度提高了編碼光柵的總編碼量;并通過錯位結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，不減小光柵單元格的尺寸，進(jìn)一步提高分辨率。編制了三套編碼算法程序，能快速

3、有效的將組合編碼光柵的概念結(jié)構(gòu)具體化、數(shù)字化，并針對不同的參數(shù)要求，提供優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)。根據(jù)大量計算結(jié)果，針對飛行器用光學(xué)位移傳感器的設(shè)計要求，本文優(yōu)先選擇擁有千級編碼量的“五位三分”或“六位二分”組合編碼光柵結(jié)構(gòu)。通過組合編碼光柵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以獲得十萬級的編碼量，顛覆了傳統(tǒng)光學(xué)編碼盤主導(dǎo)的編碼方式，為大量程應(yīng)用領(lǐng)域的器件設(shè)計提供了新的有效思路。
　　3、建立了成熟的組合編碼光柵制作工藝。
　　設(shè)計了一套制作精度高、可

4、重復(fù)性好的組合編碼光柵制作工藝，完成了量程100 mm，分辨率100μm的“五位三分”錯位組合編碼光柵的設(shè)計和制作，并利用光柵的復(fù)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了組合編碼光柵的標(biāo)準(zhǔn)化小批量產(chǎn)出。
　　4、對光學(xué)位移傳感器整體搭建的系統(tǒng)性研究。
　　通過對傳感器系統(tǒng)所有部件的制作、選型和匹配原則的研究，形成了理論與實(shí)踐結(jié)合的系統(tǒng)搭建思路。并從實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)闡述了信號強(qiáng)度參考線的標(biāo)定方法和意義，提出了動態(tài)信號強(qiáng)度參考線的標(biāo)定原則，為全面提高傳感器

5、的穩(wěn)定性提供了技術(shù)支持。
　　5、搭建了光學(xué)位移傳感器的臺架系統(tǒng)并完成其性能評估。
　　搭建了傳感器的臺架系統(tǒng)，并進(jìn)行信號響應(yīng)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明“五位三分”錯位組合編碼光柵的制作精度和系統(tǒng)各元件的選型與配合很好的滿足了傳感器光譜響應(yīng)的要求。同時在-55℃～70℃的溫度范圍內(nèi)，測試了解調(diào)系統(tǒng)的輸出信號，結(jié)果顯示光敏元件的信號幅值隨著溫度的升高而降低，呈近似線性變化，變化后的曲線依然在預(yù)先標(biāo)定的參考線之上，數(shù)字信號可以準(zhǔn)確輸出，