電氣工程自動化-微位移檢測的現狀

目前以美國德國所生產的位移傳感器走在前列,具有壽命長、適用范圍廣、適于高溫高壓和強振動等一系列極其惡劣的情況下還能夠高準確測量等特點,且各種位移傳感器都在向著高速度、高精度、多功能、多參數、小尺寸的方向發展,已被各軍事、工業、農業市場所接受,廣泛應用于機械、電力、發電廠、航空航天、冶金、煤炭、石油、鐵路、交通、輕工、紡織、建材、水利等行業的工礦企業、科研院所、大專院校、軍工單位產品開發與應用的自動測量與自動控制。本文列舉里自2010年至今的一些微位移檢測技術的成果，具體如下
1.一種基于激光干涉的微位移測量儀，具有分辨率高、結構簡單、成本低的特點。該微位移測量儀由基于邁克爾遜激光干涉原理的微位移測量裝置、工作臺、光電陣列、信號處理電路、計算機及數據處理軟件等組成。該測量儀位移測量理論分辨力可以達到0.01nm，特別適合范圍在微米及微米以下的位移測量，可用于MEMS器件的位移檢測，壓電器件位移檢測等。
2.一種基于LPFG微彎特性的高精度位移檢測系統，傳感系統輸出的光功率與微位移呈良好的線性關系，位移靈敏度為2μW/mm，分辨力為0.5×10^-2mm.所設計的系統結構簡單、靈敏度高、線性度好，不受外界溫度干。
3.一種基于雙波長激光的集成光柵干涉位移檢測方法，利用該方法對硅-玻璃鍵合工藝制作的集成光柵位移敏感芯片進行了測試實驗。實驗系統主要由敏感芯片、波長為640 nm 和660 nm 的雙波長半導體激光器、雙光電二極管及檢測電路組成，敏感芯片則由帶反射面的可動部件和透明基底上的金屬光柵組成。入射激光照射到光柵上產生衍射光斑，衍射光的光強隨可動部件與光柵之間的距離變化，通過分別測量兩個波長的衍射光強信號并交替切換選取靈敏度較高的輸出信號，實現了一定范圍內的擴量程位移測量，并得到絕對位置。實驗結果表明，利用雙波長集成光柵干涉位移檢測方法測得敏感芯片可動部件與基底光柵的初始間隙為7.522m，并實現了間隙從7.522um 到6.904m區間的高靈敏度位移測量，其噪聲等效位移為0.2nm。
4.一種基于石英晶體旋光效應分析和研究了線偏振光通過晶體后偏振態的變化情況，得出旋光角度與位移的線性關系，進而提出一種新的微位移檢測方法。并利用瓊斯矩陣法分析旋光現象以及整個檢測原理，得出了理論計算公式，完成了實驗檢測系統的設計，并進行了實驗測試，并對測試系統進行了誤差分析。
5.一種位置敏感器件(PSD)激光微位移測量系統，能夠滿足工業現場微位移測量的精密性、實時性和可靠性要求。系統將調制、帶通濾波、峰值檢測等信號處理技術運用于激光三角法中，并利用PSD信號單通道處理方式，提高了系統的抗干擾能力．同時，系統采用自適應控制方法改變激光的調制頻率，從而調整電信號的增益系數以適應各種測量對象．在沒有濾光片的情況下，系統有效地消除了背景光和暗電流的影響，測量頻率最高可達2kHz，分辨率達到0.035%，穩定性誤差小于0.090%，線性度好于1.2%，大大降低了溫漂的影響。
6.一種基于線陣CCD的微位移檢測系統，將檢測對象的微位移信息轉換為線陣CCD上的成像光斑的位移，在上位機中通過對由USB接口傳送來的CCD成像信息進行分析、處理，獲得成像光斑的相對位移，根據系統檢測模型進行換算最終實現對檢測對象的微位移測量。
7.一種基于3ｘ3耦合器的小型化單光柵納米位移測量方法。基于激光多普勒效應與光纖耦合器散射矩陣理論，首次將3ｘ3耦合器與計量光柵相結合，設計了一種對稱式光路結構，利用所提出的新型相位解調算法實現納米級精度的位移測量。方法具有結構簡單、調節方便、對波長變化不敏感和能有效抑制空氣擾動等特點，從而使得系統具有良好的穩定性。實驗結果顯示，3ｘ3耦合器三路輸出信號兩－兩產生的李薩育圖形平滑清晰，相位差保持在120°左右，說明本方法具有較好的測量穩定性。數值仿真與理論分析具有較好的一致性，在同時存在相位和幅值誤差的情況下可以實現8nm的測量精度。