光譜共焦位移傳感器設計技術研究.pdf

1、位移傳感器是實現(xiàn)幾何量精密測量的關鍵技術基礎。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制的非接觸位移傳感器，測量精度可達亞微米級，工作頻率達千赫茲，應用前景廣泛。國外已有工業(yè)級光譜共焦位移傳感器出現(xiàn)。近年來國內部分學者對此有所關注，但公開文獻很少。本文基于光譜共焦測量原理，采用理論分析、仿真模擬和實驗研究的方法，對影響傳感器性能的重要因素以及關鍵設計技術進行了系統(tǒng)研究。
　　為實現(xiàn)光波長位移調制，應用ZEMAX光學設計

2、軟件對核心變換元件色散位移鏡頭進行了仿真設計。為獲得決定傳感器線性度的線性軸向色差，設計過程中依據近軸像差理論為各光學玻璃分配光焦度。為消除傳感器系統(tǒng)各單色光球差對共焦軸向響應展寬所造成的分辨率下降，設計過程中使用ZEMAX的多重結構功能，結合光學追跡的方法計算出軸向球差并對其進行了校正。對鏡頭設計結果進行了像差分析與評價。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系良好，一元線性回

3、歸判定系數R2=0.99;各單色光近軸像面彌散斑均小于相應愛理斑，鏡頭像差已校正至衍射極限。本鏡頭設計方法對傳感器色散位移鏡頭的設計方案選取和優(yōu)化設計有一定參考意義。
　　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的信噪比，對共焦小孔尺寸進行了優(yōu)化設計。依據經典共焦理論對共焦小孔出射光信號光譜分布進行了數值模擬。基于共焦小孔尺寸對出射光信號峰值光強與光譜帶寬的影響規(guī)律，提出了使用峰值光強與光譜帶

4、寬之比作為評價標準的小孔優(yōu)化方法，得到了優(yōu)化設計結果。
　　準確獲得對應調制位移的峰值光譜線，對保證傳感器測量精度至關重要。分析了造成譜峰偏移的因素，提出了在預處理階段從光譜信號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)進行了實驗驗證。使用質心法和高斯擬合兩種譜峰定位算法，對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。實驗結果表明，從原始光譜數據中去除系統(tǒng)光源光譜特性