基于激光干涉效应的传感器
激光干涉位移传感器回波原理
激光干涉位移传感器回波原理
激光干涉位移传感器是一种非接触式测量设备，可用于测量物体表面的微小位移。
其基本原理是利用激光干涉的原理，将激光束分成两束并照射到被测物体表面，经过反射后再次合并，形成干涉图案。
通过对干涉图案的分析，可以测量出被测物体的位移。
在激光干涉位移传感器中，激光器发出的激光束经过光学元件的调整和分束，形成两束光线，一束直接照射到被测物体表面，另一束经过反射镜反射后再照射到被测物体表面，与第一束光线相交形成干涉图案。
当被测物体发生微小位移时，两束光线的光程差发生变化，干涉图案也会发生变化。
通过对干涉图案的分析，可以得到被测物体的位移大小。
回波原理指的是，激光束照射到被测物体表面后，经过反射后再次回到激光干涉位移传感器中，与另一束光线相交形成干涉图案。
这种干涉图案与直接照射到被测物体表面的光线形成的干涉图案有所
不同，但仍然可以通过分析得到被测物体的位移大小。
总之，激光干涉位移传感器的基本原理是利用激光干涉的原理测量被测物体表面的微小位移，回波原理则是指激光束照射到被测物体表面后反射回来与另一束光线相交形成的干涉图案。
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激光传感器的工作原理
激光传感器的工作原理激光传感器是一种基于激光技术的高精度、高灵敏度的测量设备，广泛应用于工业、环保、医疗、能源等领域。
本文将介绍激光传感器的工作原理及其应用。
一、激光传感器的基本组成激光传感器由三部分组成：发光器、接收器和信号处理器。
其中发光器负责发射激光信号，接收器负责接受反射回来的信号，信号处理器负责处理接收到的信号并输出测量结果。
二、激光传感器的工作原理激光传感器主要利用激光在介质中的传播和反射特性来进行测量。
具体工作原理如下：1.光的传播激光发射器向待测物体发射激光束，激光束在空气中传播时几乎不会发生散射和吸收，因此激光束的能量保持不变，能够远距离传播。
2.光的反射当激光束照射到待测物体表面时，一部分能量会被物体吸收或散射，但大部分能量会被物体表面反射回来。
这些反射光线会被接收器接收到，进而通过信号处理器进行分析。
3.测量距离通过测量激光束从发射器到物体表面的时间差，可以计算出距离。
激光束发射后，经过一段时间后，接收器会接收到反射回来的信号。
利用光速恒定的特性和时间差可以求出物体表面距离。
三、激光传感器的优点和应用激光传感器具有高精度、高灵敏度、广测量范围、快速反应等优点。
它可以被广泛应用于下列领域中：1.工业制造：激光传感器可以被用于精度高、速度快的零件检测、定位和测量。
可以用于测量机床加工时工件的距离和位置，以保证加工精度。
2.环境监测：激光传感器可以快速准确地测量大气、水资源、土壤等环境参数，例如通过测量水位来监测洪水。
3.医疗应用：激光传感器可以被应用于眼科手术、血糖测量和激光治疗等方面，广泛用于临床医学。
4.能源领域：激光传感器可以被用于监测油井的油气流量、井口压力，以及发电站锅炉的水位、流量和压力等。
激光传感器具备高精度、稳定可靠、快速响应等优点，应用范围广泛，是现代传感技术的重要研究方向之一。
四、激光传感器的分类激光传感器可以按照测量方式、应用行业和工作原理等不同标准分类。
光栅位移传感器工作原理
光栅位移传感器工作原理
光栅位移传感器通常使用光栅腔体结构，并根据物体的位移改变光栅干涉图案的特征，从而实现位移测量。
其工作原理可以分为以下几个步骤：
1. 激光发射：传感器通过激光器发射出一束单色、相干的激光光束。
2. 光栅结构：光栅位移传感器的关键部分是光栅，其由许多狭缝或光栅条组成。
光栅的条间距和条宽度具有精确的设计。
3. 干涉：被测物体与光栅之间形成干涉。
当激光光束经过光栅和被测物体后，光束被分成两个或多个光路，这些光路在后续的光程中会发生相位差。
4. 探测器：干涉光束进入光栅位移传感器的光电检测器中，检测器将干涉图案转化为电信号。
5. 信号处理：信号处理电路对传感器输出的电信号进行处理，如放大、滤波和分析。
通过测量干涉光的相对强度和相位差，可以计算出被测物体的位移。
总的来说，光栅位移传感器通过干涉效应实现位移测量，光栅的特殊结构和光栅与被测物体之间的相互作用使得光的干涉图案与物体位移相关联，从而实现对位移的测量。
激光位移传感器的工作原理
激光位移传感器的工作原理激光位移传感器是一种利用激光技术测量目标物体与传感器之间距离或位移的设备。
它广泛应用于工业自动化、机器人导航、三维建模等领域。
激光位移传感器的工作原理可简单概括为发射激光束，接收并分析激光束被目标物体反射后的特性，最后计算出位移值。
激光发射器通常使用激光二极管或激光二极管阵列。
它们能够产生连续波或脉冲激光束。
激光束被发射后，聚焦成一个很小的光斑，射向目标物体。
接收器通常采用光电二极管或光电二极管阵列。
当激光束照射到目标物体上时，一部分光会被目标物体表面反射回来。
接收器接收到反射光，并将其转化为电信号。
信号处理模块对接收到的电信号进行放大和滤波处理。
由于反射光的强度会随着目标物体与传感器的距离变化而变化，信号处理模块需要将这些微弱的信号放大到合适的水平，以便后续处理。
计算模块对处理后的信号进行分析和计算。
首先，它需要将信号转化为距离或位移值，并校准传感器的误差。
通常，该模块会采用时间差法、三角法或干涉法等测量原理来计算出位移值。
然后，它还可以结合其他传感器的数据，进行更精确的位移测量和姿态估计。
1.时间差法：利用激光束从发射到接收的时间差来计算位移。
当激光束照射到目标物体上后，通过测量激光束从发射到接收的时间差，可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
2.三角法：利用三角形的几何关系来计算位移。
激光位移传感器通常采用三角形的基线法或多基线法。
基线法是通过测量激光束在同一平面上的两个不同位置的反射点，根据它们与传感器之间的距离和角度，计算出目标物体到传感器的距离和位移。
多基线法则是在三维空间中使用多个不同位置的激光束测量点，通过测量这些点之间的距离和角度关系，计算出目标物体的三维位置和姿态。
3.干涉法：利用激光束的干涉来计算位移。
激光位移传感器通常使用相干激光束，将其分为参考光和测量光。
参考光是由激光器发出的一束光，经过分束器分成两束，其中一束作为参考光束，另一束经过反射器射向目标物体，被目标物体反射后，再次经过反射器和分束器的合并，并与参考光束相干干涉。
激光干涉位移传感器回波原理
激光干涉位移传感器回波原理
激光干涉位移传感器是一种高精度、高灵敏度的测量仪器。
它广泛应用于机械制造、航空航天、电子半导体、光学等领域。
其测量精度高达亚微米级别，是工程测量领域不可或缺的重要设备。
激光干涉位移传感器的工作原理是基于光的干涉原理。
激光干涉位移传感器的原理是利用激光波的相干性，通过光路中的干涉效应测量被测物体的位移。
传感器由激光源、光路、检测器、计算机等部件组成，其基本工作原理如下：
激光光源发出的激光束经过分束器后被分成两束光线，分别沿两个光路传播到被测物体表面。
其中一束光线直接射向被测物体表面，成为参考光。
另一束光线射向被测物体表面后被反射回来，成为测量光。
经过干涉产生的光路差会导致在检测器中形成不同的光强分布。
通过检测器测量这两束光的干涉条纹，就可以获得被测物体的位移信息。
激光干涉位移传感器与传统的机械式传感器相比，其测量精度更高、更加灵敏。
传感器所测量的是被测物体表面微小的位移变化，因此在测量中需要考虑诸多影响因素。
例如，光电检测器的光敏度、光路长度、光路稳定性、热漂移、机械振动等。
这些因素都可能对传感器的测量精度产生影响。
因此，为了保证测量精度，需要采取一系列措施
来减小这些影响。
总体而言，激光干涉位移传感器是一种高度精确和高灵敏的测量仪器。
其工作原理基于光的干涉原理，通过干涉产生的光路差测量被测物体
的位移。
该传感器在机械制造、航空航天、光学、电子半导体等领域
具有广泛应用，并且随着现代科技的不断发展，其应用范围也在不断
扩大。
基于迈克尔逊干涉 原理的光纤传感器研究
共用一个双 面反射镜
由于传输光偏 振态对于相干 光通信和光纤 干涉仪以及干 涉型光纤传感 器的影响非常 明显，所以要 对光的偏振态 实施控制
光纤Michelson 干涉传感器的特点
1) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、 使用安全
2) 灵敏度高 3) 重量轻、体积小、可挠曲 4) 测量对象广泛 5) 传输损耗小 6) 传输容量大 7) 成本低
光纤Michelson 干涉传感器的应用
1） 应用于教学 2） 测量微位移 3） 测量折射率 4） 测量微应变、应力 5） 测量磁场的强弱 6） 测量压力
基于迈克尔逊干涉 原理的
光纤传感器研究
物类一班 李晓宁
200731020090
迈克尔逊干涉仪
迈克尔逊干涉仪,是1883年美国物理学家迈克尔逊和 莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的 精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实 现干涉。通过调整该干涉仪，可以产生等厚干涉条 纹，也可以产生等倾干涉条纹。主要用于长度和折 够引起测量臂的长度、折射率、直径的
本
变化，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振 等方面发生变化，测量臂传输的光与参考臂的参考光互相干
原
涉（比较），使输出的光的相位(或振幅)发生变化
理
光纤Michelson 干涉仪系统原理
He- Ne 激光通过耦合透镜 L 进入单模光纤后被一个称 为FDC的装置分成强度相 的两束，分别进入参考臂 和测量臂中传播。 两干涉 臂中传播的光线经各自光 纤端面的反射镜M1、M2 反射重新返回光纤中，当 干涉仪两个臂间的光程差 小于光源的相干长度时， 两束光在FDC 的另一输出 端将发生干涉。输出的干 涉信号进入光电探测器D。 这样光电探测器D 就给出 了干涉强度和两束光光程 差之间的函数关系。
激光位移传感器的原理
激光位移传感器的原理
首先，激光位移传感器由激光发射器、光路系统、光电探测器和信号处理电路组成。
激光发射器发射出稳定的激光光束，光路系统将激光光束引导到目标物体表面，并经过反射后返回到光电探测器。
光电探测器接收到反射光信号后，将其转换为电信号并传送给信号处理电路进行处理。
其次，激光位移传感器的原理是基于激光干涉原理。
当激光光束照射到目标物体表面时，部分光束被反射回来并与原始光束发生干涉。
由于目标物体表面的微小位移会导致反射光束的相位发生变化，因此通过测量干涉光束的相位变化就可以得到目标物体的位移信息。
另外，激光位移传感器还利用光电检测技术来实现对干涉光束的精确测量。
光电探测器能够将光信号转换为电信号，并且具有高灵敏度和快速响应的特点，可以实现对干涉光束相位变化的高精度测量。
总的来说，激光位移传感器通过激光干涉原理和光电检测技术实现了对目标物体位移的精确测量。
它具有测量精度高、响应速度快、非接触测量等优点，广泛应用于工业自动化、机器人技术、精密加工等领域。
随着激光技术和光电检测技术的不断进步，激光位移传感器的测量精度和稳定性将得到进一步提升，为工业生产和科学研究提供更加可靠的测量手段。
激光位移传感器的工作原理
激光位移传感器的工作原理
激光位移传感器是一种使用激光技术测量物体位移的传感器。
其工作原理基于光的干涉原理和三角测量原理。
激光位移传感器一般由激光发射器和接收器组成。
激光发射器发出一束激光，激光束被物体反射后经过光学透镜汇聚到接收器上。
接收器接收到的激光信号被转换为电信号，并通过电路处理得到位移信息。
在测量中，激光束照射在被测物体上的某一点上。
被测物体表面上的点作为光的反射面，反射回来的光会与发射的光发生干涉。
干涉产生的光程差与物体与传感器的距离成正比。
通过测量这个光程差的变化，可以求得物体与传感器之间的距离变化，即位移。
具体测量时，利用三角函数的关系，将物体与传感器之间的距离变化转化为光程差的变化。
通过测量光程差的变化，再经过一系列的信号处理，可以得到物体的位移信息。
激光位移传感器的工作原理可以用来测量微小的位移，具有高精度、高灵敏度、非接触和快速响应等特点。
在许多工业和科学领域，激光位移传感器都被广泛地应用于位移测量、振动分析、材料力学测试等。
振动传感器：振动传感器分类和原理
振动传感器：振动传感器分类和原理振动传感器是一种用于检测、测量和分析物体振动的设备。
根据其原理和结构的不同，振动传感器可以分为多种类型，下面将对常见的几种振动传感器进行介绍。
1. 压电式振动传感器压电式振动传感器是一种最常见的振动传感器，包括压电陶瓷传感器和压电电容传感器两种类型。
其工作原理是通过借助于具有压电效应的材料来检测物体的振动，并将其转换为电信号进行采集和处理。
压电陶瓷传感器的传感元件使用压电陶瓷材料，其特点是稳定性好、寿命长、灵敏度较高。
压电电容传感器的传感元件使用压电薄膜技术，相比陶瓷材料，其特点是体积小、重量轻、灵敏度较高。
压电式振动传感器在机械结构和工业设备的振动监测、故障诊断和状态评估中广泛应用。
2. 激光干涉式振动传感器激光干涉式振动传感器是利用激光的干涉效应来实现振动测量的设备。
其工作原理是将激光通过激光干涉仪进行干涉，利用干涉信号的相位差变化来检测物体振动。
相较于传统的机械式振动传感器，激光干涉式振动传感器具有非常高的灵敏度和分辨率，广泛应用于微型机器人、半导体工业、航空航天等领域。
3. 电磁式振动传感器电磁式振动传感器是利用感应电动势检测物体振动的设备。
其传感元件由一对线圈和一块铁芯组成，当物体振动时，铁芯就会发生形变，从而改变线圈内的电场分布，产生感应电动势，进而实现振动的检测。
电磁式振动传感器可以实现高频率的振动测量，广泛用于汽车、飞机和列车的振动监测以及其他高频率振动检测领域。
4. 压阻式振动传感器压阻式振动传感器使用压阻传感元件实现振动测量，其原理是当元件受到外力作用时，电阻值发生变化，从而实现振动的测量。
压阻式振动传感器具有简单、体积小、价格低廉等优点，广泛应用于家用电器、智能设备等领域。
以上是常见的几种振动传感器的分类和原理介绍。
不同类型的振动传感器有着自己不同的优势和不足，需要根据具体的应用场景来选择合适的振动传感器。
光栅传感器的原理
光栅传感器的原理光栅传感器是一种常用于测量位置、速度、加速度等物理量的传感器。
它通过利用光线的衍射和干涉现象，将物理量转换为光信号，并通过光电转换器将其转化为电信号，最终达到测量和检测的目的。
下面将详细介绍光栅传感器的原理及其工作过程。
光栅传感器的构成主要包括光源、光栅、光电转换器以及信号处理器。
光源通常是一种高亮度的光源，如激光器或发光二极管，它发出的光束经过透镜或反射偏转器件后形成一条狭窄的射线。
光栅是光学栅片，它是一种由等间距的透光和不透光线条组成的平面透镜。
它的作用是将光束分成多个等间距的小光斑。
光电转换器是将光信号转化为电信号的设备，常用的光电转换器有光电二极管、光电三极管、光敏电阻等。
信号处理器是对光电转换器输出的电信号进行放大和处理的部件，用于提取和分析所需的信息。
光栅传感器的工作原理基于光的衍射和干涉效应。
当光束照射到光栅上时，由于光栅的周期性结构，光将通过光栅的透光和不透光部分发生衍射和干涉现象。
在衍射中，光线通过光栅时会在光栅各个透光部分之间发生干涉，形成一系列更亮或更暗的衍射条纹。
在干涉中，光线通过不同透光部分的光程差会造成相位差，当相位差满足一定条件时，会发生干涉现象。
1.位置测量原理：在位置测量中，光栅传感器通过测量光栅上衍射条纹的位置来确定物体相对于传感器的位置。
当物体沿着传感器光线方向移动时，光栅上的衍射条纹会相应地发生移动。
通过测量衍射条纹的位置，就可以计算出物体的位置。
位置测量的精度主要取决于光栅的周期和衍射条纹的分辨率。
2.速度测量原理：在速度测量中，光栅传感器通过测量光栅上衍射条纹的速度来确定物体的速度。
当物体沿着传感器光线方向移动时，衍射条纹随之移动。
通过测量衍射条纹的速度，就可以计算出物体的速度。
速度测量的精度主要取决于光栅的周期和衍射条纹的频率。
除了位置和速度测量外，光栅传感器还可以用于加速度和位移等物理量的测量。
在加速度测量中，通过测量衍射条纹的加速度来确定物体的加速度。
基于半导体激光器自混合干涉的光纤温度传感模型
关键词 ： 纤传感器； 光 自混 合 干 涉 ； 度 测 量 ； 真 分 析 温 仿 中 图分 类 号 ： ４ ９ 文 献 标 识 码 ： 文章 编 号 ：０ ２—１４ （０ ０ ０ ００ ０ ０３ Ａ １０ ８ １ ２ １ ）９— ０ ４— ３
Ｆｉ ｅ － ｐ ｉ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｅ ｓ ｒＭ ｏ ｅ ｓ ｄ ｏ ｔ ａ ｂ ｒ ｏ ｔ Ｔｅ ｅ ａｕ ｅ Ｓ ｎ ｏ ｄ ｌＢａ ｅ ｎ Ｏｐ ｉ ｌ ｃ ｃ
摘 要 ： 计 了将 半 导 体 激 光 器 自混 合 干 涉技 术 应 用 到 光 纤 温 度 传 感 的 方 法 ， 立 了理 想 的 理 论 模 型 。通 过 ＭＡ Ｌ Ｂ 设 建 ＴＡ
仿真分析 ， 明此 方法具有过程 简便 ， 证 干扰 小和精度 高等特点。通过测量激光器输 出功率的拍 波频 率测量温度值 ， 精度 达 到 ０７ ／ ｚ 同时可以监测温度 变化的趋势和快慢 。 ． ８ｏ Ｈ ， Ｃ
图 １ 光 纤 温 度 传 感器 模 型
式 中： ２ｘａ为光 波在 光纤 中 的传播 常数 ； 为光 线膨 胀 系 ＝ ａ ／
数 ； 为折射率温 度系 数 ； ｎ为光 纤芯 折射 率 ； ｒ为温度 变化 Ａ ，
ｏ ｊ
量。
激光窃听原理及应用实例
激光窃听原理及应用实例激光窃听是一种高级窃听技术，使用激光作为传感器，通过捕捉物体表面振动产生的声音波来窃取机密信息。
其原理基于光学的干涉效应和物体表面的运动机制。
激光窃听的原理主要包括以下几个步骤：首先，激光器发射激光束照射在窃听目标物体表面，激光束会因物体表面的微小振动而发生频率和幅度的变化；其次，通过光干涉技术，可以将这种微小的光强变化转换为声音信号；最后，接收器收集这些光波信号，并通过电信号转化为可听的声音信号。
这样就实现了对窃听目标物体表面振动引起的声音的窃听。
激光窃听技术在军事和安全领域具有重要的意义。
应用实例包括以下几个方面：1. 情报收集：激光窃听可以用于窃取敌方军队的指挥通信、情报交流以及机密会议等信息。
通过对敌方装备、设施等进行激光窃听，可以获取潜在敌方的军事意图和战略计划等敏感信息。
2. 商业竞争：激光窃听可以应用于窃取竞争对手的商业机密、商业谈判和机密会议等信息。
通过获取竞争对手的商业计划、技术研发进展以及市场策略等信息，可以为企业在竞争中获取优势提供重要参考。
3. 犯罪侦查：激光窃听也可以在刑侦领域得到应用，用于追踪和侦查犯罪嫌疑人的活动。
通过对嫌疑人窃听，可以获取他们的交流信息和计划，从而为追捕和侦查工作提供关键线索。
4. 环境监测：激光窃听可以用于对环境的监测和分析。
例如，通过对建筑物或桥梁等结构的激光窃听，可以监测并预测其可能出现的结构问题，从而采取预防措施。
此外，激光窃听还可以用于地震监测、空气和水质监测等环境保护领域。
5. 寻找隐藏设备：激光窃听可以应用于寻找隐藏设备，例如间谍设备、窃听器以及其他违规的传感器。
通过对潜在窃听设备的激光窃听，可以检测并剔除这些窃听设备，保护机密信息的安全。
总结来说，激光窃听是一种高级窃听技术，利用激光作为传感器，通过捕捉物体表面振动产生的声音波来窃取机密信息。
其应用范围广泛，包括情报收集、商业竞争、犯罪侦查、环境监测和寻找隐藏设备等方面。
激光位移传感器的原理
激光位移传感器的原理激光位移传感器是一种高精度、非接触型的测量仪器，广泛应用于工业制造、工艺研究、生物医药等领域。
它具有灵敏度高、测量范围广、可靠性好等优点，因此备受青睐。
下面将介绍激光位移传感器的工作原理及其应用。
工作原理激光位移传感器的工作原理基于光学干涉现象，其测量原理分为两种：干涉型和三角测量型。
干涉型干涉型激光位移传感器将激光光束分成两路，一路照射到被测物体上，一路被反射回来后，两路光在光路中重合，形成干涉条纹。
当被测物体发生位移时，干涉条纹的间距发生变化，通过计算干涉条纹的位移量，即可得到被测物体的位移量。
三角测量型三角测量型激光位移传感器是利用激光束在空间中传播的特性，通过反射回来的光束和原始光束的夹角来计算被测物体的位移量。
具体来说，它通过采用光电二极管的接收器接收反射回来的激光光束，然后通过计算光电二极管接收到激光光束的位置来得到被测物体的位置。
应用激光位移传感器的应用非常广泛，可以应用于机床、机器人、自动化生产线等众多的工业领域。
下面是其应用的具体举例：测量机器人末端执行器的位置在机器人的运动控制中，常使用激光位移传感器来测量机器人末端执行器的位置。
模具测量在模具制造中，利用激光位移传感器可以对模具的尺寸进行精准的测量，从而保证模具制造的质量和精度。
超精密定位在微电子加工领域中，使用激光位移传感器可以实现纳米级别的超精密定位，能够满足微型加工设备的高精度需求。
测量液位的高度利用激光位移传感器可以将其应用于测量液位的高度，保证液位的准确性和稳定性。
总结激光位移传感器以其高精度、非接触型的测量方式、广泛应用于各种工业制造、工艺研究、生物医药等领域。
其工作原理基于光学干涉现象，主要有干涉型和三角测量型两种。
激光位移传感器的应用也非常广泛，可以应用于机器人位置测量、模具测量、超精密定位以及液位高度的测量等领域。
光纤干涉传感器原理
光纤干涉传感器原理引言：随着科技的不断发展，传感技术已经成为现代工程领域中不可或缺的一部分。
光纤干涉传感器作为一种重要的传感器技术，具有高灵敏度、高分辨率和免受电磁干扰等优势，在工业、医疗、环境监测等领域得到了广泛的应用。
本文将介绍光纤干涉传感器的原理和应用。
一、光纤干涉传感器的基本原理光纤干涉传感器是利用光的干涉现象进行测量的一种传感器。
其基本原理是通过光纤中的光的传输来感知被测量的物理量。
光纤干涉传感器主要由光源、光纤、光纤连接器、光纤分束器和光纤接收器等组成。
1. 光源：光源是光纤干涉传感器的核心部件之一，可以是激光器、LED等。
其作用是提供稳定的光源，保证传感器的测量精度和稳定性。
2. 光纤：光纤是信息传输的通道，可以将光信号传输到被测物体或环境中。
光纤通常由光纤芯、光纤包层和光纤外皮组成，其中光纤芯是光信号传输的核心部件。
3. 光纤连接器：光纤连接器用于连接光纤，保证光信号的传输质量。
光纤连接器通常采用FC、SC等标准接口。
4. 光纤分束器：光纤分束器将光信号分为两束，一束经过光纤传输到被测物体，另一束直接到达光纤接收器。
被测物体的影响会导致两束光信号的干涉现象发生变化。
5. 光纤接收器：光纤接收器用于接收经过干涉后的光信号，并将其转换为电信号进行处理和分析。
二、光纤干涉传感器的工作原理光纤干涉传感器的工作原理是基于干涉仪的原理。
当光信号通过光纤分束器后，分为两束光线，其中一束光线经过光纤传输到被测物体，另一束光线直接到达光纤接收器。
被测物体的影响会导致两束光信号的光程差发生变化，从而引起光信号的干涉现象。
通过检测干涉现象的变化，可以得到被测物体的相关信息。
光纤干涉传感器可以根据测量的物理量的不同分为多种类型，如温度传感器、压力传感器、位移传感器等。
以温度传感器为例，被测物体的温度会导致光纤的长度发生变化，从而改变光信号的光程差，通过检测光信号的干涉现象的变化，可以计算出被测物体的温度。
传感器心得体会
传感器心得体会在当今科技飞速发展的时代，传感器已经成为了各种系统和设备中不可或缺的组成部分。
从智能手机到汽车，从医疗设备到工业自动化，传感器的应用无处不在，深刻地改变着我们的生活和工作方式。
通过对传感器的学习和实践，我积累了不少宝贵的经验和体会。
传感器就像是设备的“眼睛”和“耳朵”，能够感知周围环境的各种物理量，并将其转化为电信号或其他易于处理和传输的形式。
这一特性使得我们能够获取到大量的信息，从而实现对系统的精确控制和优化。
在学习传感器的过程中，我首先了解到了传感器的分类。
按照被测量的物理量，传感器可以分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、位移传感器、速度传感器等等。
每一种传感器都有其独特的工作原理和适用场景。
例如，温度传感器可以基于热敏电阻、热电偶或半导体等原理来工作，适用于从环境监测到工业生产中的温度测量；压力传感器则常用于汽车轮胎压力监测、液压系统压力测量等领域。
在实际应用中，选择合适的传感器至关重要。
这需要综合考虑测量范围、精度要求、响应时间、稳定性、环境适应性等多个因素。
曾经在一个项目中，我们需要测量一个微小的位移变化，最初选择了一款普通的位移传感器，但由于其精度不够，无法满足要求。
经过反复研究和比较，最终选用了一款基于激光干涉原理的位移传感器，成功解决了问题。
这让我深刻体会到，在选择传感器时，必须要对项目的需求有清晰的认识，不能盲目选择。
传感器的安装和调试也是一个需要特别注意的环节。
不正确的安装方式可能会导致测量误差，甚至损坏传感器。
比如，在安装压力传感器时，要确保传感器与被测介质之间的密封良好，避免泄漏影响测量结果；在调试温度传感器时，要根据传感器的特性进行校准，以保证测量的准确性。
此外，传感器的信号处理也是一个关键环节。
传感器输出的信号往往比较微弱，需要经过放大、滤波、模数转换等处理才能被后续的系统所使用。
在这个过程中，需要掌握一定的电子电路知识和信号处理技术，以确保信号的质量和可靠性。
光学传感器分类及应用
光学传感器分类及应用光学传感器是一种将光信号变成电信号的装置。
它通过感受光的强度、频率、波长、相位、偏振等参数的变化，将光信号转换成电信号，进而实现光信号的检测和测量。
根据其工作原理和应用领域的不同，光学传感器可以分为多种类型。
一、基于光吸收的光学传感器基于光吸收的光学传感器是通过物质吸收光能产生的电信号来实现光信号检测的。
常见的基于光吸收的光学传感器有紫外吸收光谱仪、红外吸收光谱仪等。
它们主要应用于分析化学领域，在环境监测、食品安全检测、医药研究等方面发挥着重要作用。
二、基于光散射的光学传感器基于光散射的光学传感器是通过物质对光的散射来实现光信号检测的。
常见的基于光散射的光学传感器有散射光谱仪、激光散射血液分析仪等。
它们主要应用于材料科学、大气科学、生命科学等领域，在颗粒物检测、气溶胶测量、生物体内成分分析等方面具有广泛应用。
三、基于光干涉的光学传感器基于光干涉的光学传感器是通过光的干涉效应来实现光信号检测的。
常见的基于光干涉的光学传感器有光纤干涉传感器、干涉滤光片传感器等。
它们主要应用于光学测量、光学通信、光学显微镜等领域，在位移测量、压力测量、温度测量等方面发挥着重要作用。
四、基于光电效应的光学传感器基于光电效应的光学传感器是通过光的电流或电压来实现光信号检测的。
常见的基于光电效应的光学传感器有光电二极管、光电倍增管、光电管、光电晶体三极管等。
它们主要应用于光电检测、光电通信、光电转换等领域，在光电控制、光电切换、光电转换等方面具有广泛应用。
五、基于光谱分析的光学传感器基于光谱分析的光学传感器是通过对光信号的频率和波长特征进行分析来实现光信号检测的。
常见的基于光谱分析的光学传感器有光栅光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪等。
它们主要应用于光谱分析、光谱成像、光谱表征等领域，在材料研究、化学分析、光学通信等方面起着重要作用。
总结起来，光学传感器的分类包括基于光吸收、光散射、光干涉、光电效应和光谱分析等几类。
基于马赫曾德干涉仪的传感器应用
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y基于马赫曾德干涉仪的传感器应用课程名称：近代光学创新实验院系：航天学院专业：电子科学与技术姓名：学号：哈尔滨工业大学1 马赫曾德干涉仪的原理马赫曾德干涉仪原理图如图1所示。
结构上，马赫曾德干涉仪主要由2个3dB耦合器和2段光纤L1和L2组成，其中L1称为信号臂，L2称为参考臂。
光源发出的光经耦合器1时被分成2束，一束经过信号臂L1，一束经过参考臂L2，然后在耦合器2处发生干涉，在输出端观察干涉图样。
经过传输矩阵法分析可得输出端的光强为))(cos1(21taIIϕ+=，))(cos1(22taIIϕ-=[1]。
图1 马赫曾德干涉仪的结构2 非平衡马赫曾德光纤干涉仪传感器的原理来自激光器的光束经透镜准直后在耦合器1上分成光强相同的两束光，两光分别经信号臂和参考臂在耦合器2相遇产生干涉光，并出现干涉条纹。
当信号臂光纤因温度、应力等原因相对另一条参考臂光纤发生变化，引起传感臂光纤的长度、折射率变化，从而使传感臂传输光的相位发生变化，产生干涉条纹移动。
由于干涉条纹的数量可以反映出被测量,通过光探测器接收到干涉条纹的变化信息，并输入到数据处理系统，即可得到测量被测量的目的。
3 马赫曾德干涉仪传感器的应用光纤传感器是伴随着光导纤维及光通信技术的发展而逐步形成的，与传统的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。
光纤传感器就是利用光纤将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测。
光纤传感器就调制方式来分有波长调制型、相位调制型、偏振态调制型等，其中马赫曾德干涉仪传感器属于相位调制型传感器[1]。
各种光纤传感器中，马赫曾德干涉仪由于有抑制光源噪声和模式噪声的特点，在高精度测量中越来越受到重视[2]。
马赫曾德干涉仪传感器主要是应用于温度和应力传感，由于温度变化可有电流、电压的变化引起，应力的变化可由磁场、电场引起，故马赫曾德干涉仪传感器也可以应用于磁场、电流、电压等领域的传感。
基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置
㊀２０２１年㊀第４期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．４㊀基金项目：国防科工局技术基础项目（ＪＳＪＬ２０１７２１２Ｂ００１）收稿日期：２０２０－０４－１０基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置陈㊀爽，彭希锋（中国工程物理研究院计量测试中心，四川绵阳㊀６２１９００）㊀㊀摘要：为提高位移传感器的校准准确度及效率，通过硬件系统组建及软件系统编制，研制了位移传感器自动校准装置㊂采用激光干涉仪作为长度基准，通过两级驱动的定位控制方式，可实现ｎｍ量级的高分辨力准确定位；综合考虑固有因素㊁环境因素及安装因素，进行了测量不确定度分析，分析结果表明其测量不确定度为Ｕ＝（０．１＋２Ｌ）μｍ；通过选用不同类型的位移传感器，依据校准规范进行了试验分析，验证了校准装置的合理性及有效性㊂关键词：位移传感器；激光干涉；校准；不确定度；自动化；纳米中图分类号：ＴＨ９２１㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０４－００２８－０６ＡｕｔｏｍａｔｉｃＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅｆｏｒＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＳｅｎｓｏｒＢａｓｅｄｏｎＬａｓｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒＣＨＥＮＳｈｕａｎｇ，ＰＥＮＧＸｉ－ｆｅｎｇ（ＭｅｔｒｏｌｏｇｙａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１９００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｆｏｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｌａｓｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒａｓｌｉｎｅａｒｒｅｆｅｒ⁃ｅｎｃｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｍａｎｎｅｒｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｔｗｏｓｔｅｐｄｒｉｖｉｎｇ，ａｃｃｕｒａｔｅｈｉｇｈ⁃ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｔｈａｔｉｓｏｆｎａｎｏｍｅｔｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｌｅｖｅｌｃｏｕｌｄｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｆａｃｔｏｒｏｆｉｎｈｅｒｅｎｃｅ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｗａｓＵ＝（０．１＋２Ｌ）μｍ．Ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙａｎｄｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｕ⁃ｓｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｔｈａｔｉｓｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｅｎｓｏｒ；ｌａｓｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ；ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；ｎｍ０㊀引言随着测控技术的发展，越来越多的位移传感器应用到基础科研生产中㊂根据ＪＪＦ１３０５ ２０１１‘线位移传感器校准规范“，其校准过程复杂，测量准确度要求较高［１］㊂因此，针对位移传感器校准技术，中国一航的韩清华等利用光栅尺㊁导轨等建立了校准装置，装置的不确定度为（０．０１＋０．１Ｌ）ｍｍ［２］㊂南京航空航天大学的曾建华等利用测长仪㊁数字多用表及数采装置搭建了校准系统，编制了校准软件［３］；北京３０４所的唐志峰等研制了位移传感器全自动校准装置，并进行了实验验证，测量不确定度为（０．５＋２Ｌ）μｍ［４］；荷兰艾恩霍芬科技大学的Ｗｅｔｚｅｌｓ基于法布里－珀罗干涉仪，研制了高准确度校准装置，该装置在３００μｍ的测量范围内的不确定度达到了０．５ｎｍ，分辨力达到了０．１ｎｍ［５］㊂但以上装置或方法，在测量效率㊁测量范围㊁测量准确度及不确定度分析的科学性上依然存在一定的局限性㊂因此，本文基于激光干涉仪研制了一种位移传感器自动校准装置㊂基于校准方案㊁环境条件等因素，对其测量不确定度进行了分析，提高了校准效率及准确度，同时保证了测量不确定度分析过程更加合理㊂１㊀硬件组成１．１㊀组成及原理位移传感器校准装置的结构组成主要包括：激光干涉仪㊁驱动及定位单元㊁控制及数据采集单元等㊂激光干涉仪提供高准确度的位置反馈信号，通过驱动及定位控制单元实现全自动准确定位，最终通过数据采集系统单元，实现位移传感器输出信号的自动采集及处理㊂其硬件的组成如图１所示㊂图１㊀校准装置组成示意图㊀㊀㊀㊀㊀第４期陈爽等：基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置２９㊀㊀１．２㊀激光干涉仪选用双频激光干涉仪作为长度基准，以氦氖激光器作为光源，具有相干长度大㊁测量范围广等特点㊂通过配装的实时补偿系统，对波长以较高的数据更新速度进行补偿［６］㊂其结构组成如图２所示，主要包括：激光器㊁干涉镜㊁反射镜㊁接收器㊁环境传感器等㊂图２㊀双频激光干涉仪结构图１．３㊀驱动及定位单元驱动形式上主要采用两种方式，即工作台在步进电机的驱动上实现粗进给和快速定位，选用滚珠丝杠和高准确度的直线运动导轨进行驱动导向，满足传动平稳㊁阻力小等要求；微动台在压电陶瓷电机驱动控制下实现高分辨力定位㊂二者可以二级联动或根据校准需要单独定位㊂驱动及定位单元的结构如图３所示㊂图３㊀驱动及定位单元结构组成１．４㊀控制及数据采集单元位移传感器校准装置控制及数据采集单元的结构组成如图４所示，主要包括：直流稳压电源㊁数字多用表㊁滚珠丝杠运动平台控制器㊁线性压电运动平台控制器㊁环境传感器数据采集器㊁激光干涉仪位移数据采集器等㊂其中直流稳压电源主要用于不同类型传感器的供电；数字多用表选用Ａｇｉｌｅｎｔ３４４０１Ａ，用于传感器输出模拟信号采集；环境传感器主要用于大气温度㊁相对湿度及大气压力的实时监测，从而实现激光干涉仪波长的自动补偿，保证长度基准的高准确性㊂１．５㊀硬件安装实物图５为位移传感器校准装置的安装实物㊂为防止空气气流扰动造成激光干涉仪示值稳定性降低，同时避免外界温度变化带来的热冲击，将装置置于ＰＶＣ材质隔离罩内㊂为避免环境随机振动对校准结果的影响，整个装置安装在被动式隔振平台上㊂图４㊀控制及数据采集单元结构组成图５㊀校准装置安装实物２㊀校准软件２．１㊀流程及功能校准软件采用ＬａｂＶＩＥＷ编程语言进行模块化设计，其流程如图６所示㊂可实现传感器信息的录入㊁校准控制参数的设置㊁校准过程数据的自动采集及处理㊁报表的自动生成等功能㊂主要包括：数据采集模块㊁控制模块㊁数据处理模块及报表生成模块，软件界面如图７所示㊂２．２㊀驱动及定位控制驱动及定位控制模块是校准软件最重要的部分，其驱动及定位控制逻辑如图８所示㊂通过上位机及运动控制器，控制滚珠丝杠运动平台进行粗进给㊂等待其到达目标位置并停止后，再根据残余位移量，循环控制线性压电平台进行精进给㊂待激光干涉仪的相对位移读数与目标位置的差值达到设计的容差要求（６ｎｍ）后，运动停止㊂㊀㊀㊀㊀㊀３０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０２１㊀图６㊀校准流程图７㊀软件界面图８㊀驱动及定位控制逻辑３㊀不确定度分析３．１㊀总体分析根据文献［７］，位移传感器校准装置不确定度来源的组成部分及一般分布情况如图９所示㊂主要包括固有因素㊁环境因素㊁安装因素所引入的不确定度分量㊂图９㊀不确定度组成及分布情况３．２㊀固有因素引入的不确定度３．２．１㊀波长误差波长的准确度是以真空环境下作为参考的，其准确度为ʃ０．０２ˑ１０－６Ｌ，取Ｌ为测量范围的上限，即０．２ｍ，属于均匀分布，则：ｕｇ１＝０．０２ˑ１０－６Ｌ／３＝２．３ｎｍ（１）３．２．２㊀电子量化误差电子误差是由于电子或光学手段进行扩展细分所带来的不确定性，属于量化误差，其值等于数字分辨力，即１ｎｍ，属于均匀分布，则：ｕｇ２＝１／３＝０．６ｎｍ（２）３．２．３㊀非线性误差干涉镜的非线性误差是周期性的，对于不同的干涉镜，误差各不相同，周期变化规律如图１０所示㊂从图１０可以看出相位误差的峰谷值为５．４ʎ，相当于４．２ｎｍ的位移误差，属于均匀分布，则：ｕｇ３＝４．２／３＝２．４ｎｍ（３）图１０㊀光程差变化引起的非线性误差㊀㊀㊀㊀㊀第４期陈爽等：基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置３１㊀㊀３．３㊀环境因素引入的不确定度３．３．１㊀波长补偿误差大气中的实际波长λＡ受大气折射率的影响㊂同时大气的折射率将随着空气的温度㊁湿度㊁压力及大气的气氛组成的变化而发生改变㊂因此，本文利用修正后的Ｅｄｌｅｎ方程进行补偿，如式（４），式（５）所示［８］：Ｃ＝１０６Ｎ＋１０６（４）Ｎ＝５１．１４７５３ｐˑ［１＋１０－６（０．８１７－０．０１３３Ｔ）１＋０．００３６６１０Ｔ］－３．０３３ˑ１０－３ˑＨˑｅ０．０５７６２Ｔ（５）式中：Ｃ为波长补偿系数；Ｎ为空气折射率；ｐ为空气压力，Ｐａ；Ｔ为大气温度，ħ；Ｈ为相对湿度，％；由于本装置采用空气传感器进行环境参数测量，将引入传感器误差，传感器的技术指标如表１所示㊂表１㊀空气传感器技术指标温度参数湿度参数压力参数测量范围０ ４０ħ１０％ ９０％７０ １１０ｋＰａ误差限ʃ０．１ħʃ５％ʃ８０Ｐａ㊀㊀采用蒙特卡洛法（ＭＣＭ）进行标准不确定度的评定㊂样本容量为２ˑ１０６次，采用均匀分布的抽样方式进行数值模拟㊂最终得到波长补偿系数的试验标准偏差为０．１３７ˑ１０－６，其波长补偿系数的分布情况如图１１所示㊂图１１㊀波长补偿系数分布同时Ｅｄｌｅｎ方程是经验公式，其带来的补偿不确定度约为０．０５ˑ１０－６Ｌ，因此波长补偿所引入的不确定度分量为ｕｈ１＝０．１３７２＋０．０５２ˑ１０－６Ｌ＝０．１５ˑ１０－６Ｌ（６）式中：Ｌ为测量范围，单位为ｍ㊂３．３．２㊀材料温度补偿误差由于位移传感器不带温度补偿功能，同时热稳定性本身就是衡量传感器优劣的重要技术指标㊂因此，只需校准传感器在实际环境条件下的准确度，无需进行材料温度补偿㊂３．３．３㊀热漂移误差光学元件的热漂移误差是由于温度的变化，光程发生变化所引起的㊂本校准装置的光路如图１２所示㊂从图中可知，光路ｆａ和光路ｆｂ光程相同㊂但由于相同类型的光学镜片存在材料㊁尺寸等细微差异，依然会存在热漂移误差，约为１０ｎｍ／ħ，属于均匀分布，即２．９ｎｍ㊂图１２㊀线性干涉光路图３．４㊀安装因素引入的不确定度３．４．１㊀死程误差死程误差是由于测量过程中，环境参数发生变化，测量路径区间Ｌ和死程区间Ｄ采用了不同的补偿系数，而导致零位发生变化所产生的误差㊂其误差产生的原理如图１３所示㊂图１３㊀死程误差原理图对于死程误差可利用波长补偿系数通过软件进行自动修正㊂但由于计算得到的大气波长补偿的重复性，修正死程误差后所引入的标准不确定度分量为ｕａ１＝（０．２５－Ｌ）ˑ０．１５ˑ１０－６（７）式中：Ｌ为传感器测量范围，ｍ㊂３．４．２㊀阿贝误差阿贝误差是由于位移传感器与激光干涉仪测量轴线存在偏距ｅ及角度串扰所造成的㊂角锥反射镜的角度串扰是由滚珠丝杠线性平台及压电线性平台在俯仰及偏摆自由度上所引起的角度变化，所使用的运动平台的技术指标如表２所示㊂表２㊀运动平台技术指标运动平台俯仰角窜动／μｒａｄ偏摆角窜动／μｒａｄ压电线性位移平台ʃ８０ʃ８０滚珠丝杠位移平台ʃ１００ʃ１００则阿贝误差引入的不确定度分量为：ｕａ２１＝ｅｔａｎ（１８０μｒａｄ）／３（８）假设在水平方向上的偏摆角度串扰与偏距相同，则整个校准装置阿贝误差所引入的不确定度分量ｕａ２如式㊀㊀㊀㊀㊀３２㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＡｐｒ．２０２１㊀（９）所示，其中偏距ｅ通过工艺参数控制可小于０．２ｍｍ㊂ｕａ２＝２ｕａ２１＝３０ｎｍ（９）３．４．３㊀余弦误差余弦误差产生的原因主要包括：光路准直调整后激光干涉仪与平台运动轴线依然不平行；位移传感器的测量轴线与平台运动轴线的不平行㊂通过多次往返运动进行光路准直的调整，可以有效减小余弦误差，但由于角锥镜的固有特性，其依然存在，则：ｕａ３１＝０．０３１２５０ˑ１０－１２Ｌ／Ｈ２＝０．２ˑ１０－６Ｌ（１０）式中：Ｈ为光路准直调整范围，即０．３ｍ；Ｌ为测量范围，ｍ㊂图１４为垂直方向余弦误差分析图㊂图１４㊀垂直方向余弦误差分析图１４中Ｏ１Ｅ为反射镜测量面，Ｏ２Ｆ为位移传感器测量面，ＡＢ为激光测量轴线，ＣＤ为位移传感器测量轴线，α为Ｏ１Ｅ与平台运动轴线的夹角，β为ＣＤ与平台运动轴线的夹角，Δ１为激光干涉仪的位移变化量，Δ２为位移传感器的位移变化量，则垂直方向余弦误差引入的不确定度为ｕａ３２＝Δ２－Δ１Δ１＝ｓｉｎαｓｉｎ（α－β）－１（１１）通过工艺控制，夹角α为８９．８９ʎ，β为０．０３１３ʎ㊂同时，假设在水平方向上的夹角仍为α和β，则整个校准装置余弦误差引入的标准不确定度分量ｕａ３为：ｕａ３＝ｕ２ａ３１＋２ｕ２ａ３２ˑＬ＝２ˑ１０－６Ｌ（１２）式中：Ｌ为测量范围，ｍ㊂３．５㊀校准装置扩展不确定度根据不确定度理论及各不确定度分量的相关性，位移传感器校准装置的不确定度计算如式（１３）所示，即：Ｕ＝（０．１＋２Ｌ）μｍ，Ｌ单位为ｍ㊂Ｕ＝２（ｕ２ｇ１＋ｕ２ｇ２＋ｕ２ｇ３＋ｕ２ｈ２＋ｕ２ｈ３＋ｕ２ａ２＋（ｕｈ１＋ｕａ１）２＋ｕａ３）（１３）４㊀４．１㊀不同反射面校准性能验证根据文献［９］表明，被测物体反射面的反光强度对激光位移传感器的技术指标有较为明显的影响㊂因此，选用编号为１３５１１０３３Ｈ，线性度为ʃ０．０２％，编号为１２０８９３７２，线性度为ʃ０．１％的激光位移传感器，分别对黑色反射面及白色反射面进行了２组对比试验，试验结果如表３所示㊂表３㊀不同颜色反射面传感器校准结果比较％传感器编号反射面颜色传感器基本误差１２３４５６均值１３５１１０３３Ｈ黑色０．０３０．０３０．０３０．０２０．０３０．０３０．０２８白色０．０１０．０１０．０２０．０１０．０１０．０１０．０１２１２０８９３７２黑色０．１００．１１０．１００．１１０．１１０．１００．１０７白色０．０７０．０７０．０７０．０７０．０６０．０７０．０６９㊀㊀从表３可以看出反光性强的白色反射面校准结果优于反光性弱的黑色反色面㊂因此，以平面度及平行度都较好的白色陶瓷量块作为激光位移传感器校准的反射物㊂同时，可根据实际使用工况，更换不同反光强度目标物作为反射面㊂４．２㊀定位准确度验证为验证位移传感器校准装置在实际工况下目标位置的定位准确度及重复性，对校准装置在０ ２００ｍｍ的量程范围内１０个位置点进行了往返３次测量，其测量结果如图１５所示㊂由图１５可以看出校准装置在每个目标位置定位偏差的最大值为－６ｎｍ㊂单点目标位置定位的重复性为３．５ｎｍ㊂图１５㊀各目标位置定位误差４．３㊀校准结果比对验证以线性度为０．０２％，测量范围为－１７ １７ｍｍ的激光位移传感器为对象，试验原始数据如表４所示㊂表４㊀激光位移传感器试验数据ｍｍ位移位移输出值进程１回程１进程２回程２进程３回程３－１７－１７．０２１０－１７．０２１０－１７．０２１５－１７．０２１５－１７．０２１２－１７．０２１３－１３．６－１３．６１４９－１３．６１４９－１３．６１５４－１３．６１５３－１３．６１５２－１３．６１５２－１０．２－１０．２１１８－１０．２１１８－１０．２１２３－１０．２１２０－１０．２１２０－１０．２１２０－６．８－６．８０７７－６．８０７５－６．８０８１－６．８０８２－６．８０７７－６．８０８０－３．４－３．４０２９－３．４０３０－３．４０３３－３．４０３４－３．４０３２－３．４０３１００．０００００．０００１０．００００－０．０００２－０．０００２－０．０００２３．４３．４０２９３．４０３０３．４０２８３．４０２６３．４０２６３．４０２６６．８６．８０５０６．８０５０６．８０５０６．８０４８６．８０４６６．８０４７１０．２１０．２０５８１０．２０５８１０．２０５７１０．２０５６１０．２０５５１０．２０５５１３．６１３．６０５４１３．６０５３１３．６０５３１３．６０５１１３．６０５１１３．６０４９１７１７．００５６１７．００５５１７．００５４１７．００５３１７．００５２１７．００５２㊀㊀㊀㊀㊀第４期陈爽等：基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置３３㊀㊀㊀㊀以线性度为０．５％，测量范围为－２．５ ２．５ｍｍ的ＬＶＤＴ位移传感器为试验对象，试验原始数据如表５所示㊂表５㊀ＬＶＤＴ位移传感器试验数据位移／ｍｍ电压输出值／Ｖ进程１回程１进程２回程２进程３回程３－２．５４．０９５３４．０９５１４．０９５３４．０９５１４．０９５１４．０９５０－２．０３．３０１６３．３００３３．３０１６３．３００５３．３０１６３．３００４－１．５２．４９１０２．４８９３２．４９１１２．４８９６２．４９１０２．４８９６－１．０１．６６７８１．６６６２１．６６７８１．６６６６１．６６７８１．６６６７－０．５０．８３６３０．８３４７０．８３６５０．８３５２０．８３６３０．８３５３００．００００－０．０００８０．０００８－０．０００２０．０００９０．０００００．５－０．８３５６－０．８３６２－０．８３５０－０．８３５６－０．８３４８－０．８３５５１．０－１．６６８２－１．６６８５－１．６６７５－１．６６７８－１．６６７４－１．６６７６１．５－２．４９３８－２．４９４１－２．４９３２－２．４９３４－２．４９２７－２．４９３１２．０－３．３０８０－３．３０８１－３．３０７４－３．３０７０－３．３０７０－３．３０７１２．５－４．１０４１－４．１０４６－４．１０３５－４．１０４０－４．１０３３－４．１０３９㊀㊀对以上校准数据进行分析计算，根据计量比对的方式，采用Ｅｎ值比对的方法进行验证［１０］㊂表６为本校准装置与上级计量机构校准结果的比对结果㊂从表６可以看出，比对结果的Ｅｎ值＜１，验证了本校准装置的可靠及校准方法的合理性㊂表６㊀位移传感器校准比对结果直流差动式激光式基本误差测量不确定度Ｅｎ值基本误差测量不确定度Ｅｎ值本装置０．３３％０．０９％０．１０．０１％０．０１％０．４上级机构０．３４％０．１０％０．０２％０．０２％５㊀结束语针对位移传感器校准的准确度及效率问题，基于激光干涉仪研制了具有ｎｍ分辨力定位功能的位移传感器自动化校准装置㊂介绍了其硬件结构组成及工作原理，校准软件的功能流程及定位控制逻辑㊂综合考虑固有因素㊁环境因素及安装因素，对校准装置进行了系统性的不确定度分析㊂并通过试验分析，验证了校准装置的性能及有效性㊂参考文献：［１］㊀全国几何量工程参量计量技术委员会．线位移传感器校准规范：ＪＪＦ１３０５－２０１１［Ｓ］．北京：中国质检出版社，２０１１．［２］㊀韩清华，王海英，董延军，等．线位移传感器校准的一种新装置［Ｊ］．计测技术，２００８，２８（５）：２０－２２．［３］㊀曾建华，卢普杰，窦松柏，等．位移传感器自动化校准技术研究与应用［Ｊ］．测控技术，２０１０（２９）：３０１－３０４．［４］㊀唐志峰，何小妹，王晓梅．位移传感器校准技术研究［Ｊ］．计测技术，２０１１，３１（６）：１５－１７．［５］㊀ＷＥＴＺＥＬＳＳＦＣＬ，ＳＣＨＥＬＬＥＫＥＮＳＰＨＪ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｔｒａｃｅａｂｌｅｌａｓｅｒ⁃ｂａｓｅｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｎａｎｏｍｅｔｅｒａｃｃｕｒａｃｙ［Ｒ］．ＥｉｎｄｈｏｖｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｃｔｉｏｎ，１９９７．［６］㊀所睿，范志军，李岩．双频激光干涉仪技术现状与发展［Ｊ］．激光与红外，２００４，３４（４）：２５１－２５３．［７］㊀程维明，葛轶君．精密定位中的激光干涉测量误差分析［Ｊ］．上海工程技术大学学报，２００６，２０（４）：２８７－２９０．［８］㊀ＥＤＬＥＮＢ．Ｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｆａｉｒ［Ｊ］．Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，１９６６，２，７１－８０．［９］㊀李演楷．激光位移传感器输出特性分析及应用［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１１．［１０］㊀中国人民解放军总装备部电子信息基础部．军事计量测量标准建立与保持通用要求：ＧＪＢ２７４９Ａ－２００９［Ｓ］．北京：中国质检出版社，２００９．作者简介：陈爽（１９８８ ），工程师，工学硕士，主要研究领域为几何量精密测量技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：１５１８３１４４１＠ｑｑ．ｃｏｍ彭希锋（１９８７ ），工程师，工学硕士，主要研究领域为几何量精密测量技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｐｘｆ３３＠１６３．ｃｏｍ（上接第７页）［１２］㊀刘勇，陈昌明，高睿．基于基片集成波导的湿度传感器设计［Ｊ］．传感器与微系统，２０１８，３７（２）：８９－９１．［１３］㊀ＣＨＡＮＧＫ，ＫＩＭＹＨ，ＫｉｍＹＪ，ｅｔａｌ．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌａｎｔｅｎｎａｉｎ⁃ｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈｒｅｌａｔｉｖｅｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｕｓｉｎｇｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｐｏｌｙｉｍｉｄｅｆｏｒｐａｓｓｉｖｅＲＦＩＤｓｅｎｓｉｎｇ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００７，４３（５）：２５９．［１４］㊀ＶＩＲＴＡＮＥＮＪ，ＵＫＫＯＮＥＮＬ，ＢＪＯＲＮＩＮＥＮＴ，ｅｔａｌ．Ｉｎｋｊｅｔ⁃ｐｒｉｎｔｅｄｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｆｏｒｐａｓｓｉｖｅＵＨＦＲＦＩＤｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１１，６０（８）：２７６８－２７７７．［１５］㊀ＣＨＥＮＣＭ，ＸＵＪ，ＹＡＯＹ．ＳＩＷｒｅｓｏｎａｔｏｒｈｕｍｉｄｉｔｙｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｌａｙｅｒｅｄｂｌａｃｋｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１７，５３（４）：２４９－２５１．作者简介：熊荣（１９９４ ），硕士研究生，主要研究方向为射频与微波电路设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：５７６２４５９０３＠ｑｑ．ｃｏｍ通信作者：陈昌明（１９７１ ），教授，硕士生导师，主要研究方向为射频㊁微波／毫米波电路与系统以及天线设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃｃｍｌ＿ｍｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ。
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目录
一、激光干涉的基本原理 (2)
二、激光干涉传感器的类型 (3)
2.1单频激光干涉传感器 (3)
2.2 双频激光干涉传感器 (3)
三、常用激光干涉传感器及介绍 (4)
3.1CO2激光干涉仪 (4)
3.2Ne-Xe激光干涉仪 (4)
3.3 He-Ne激光干涉仪 (5)
3.4 变波长激光干涉仪 (5)
3.5线性调频半导体激光干涉仪 (5)
四、激光干涉传感器的应用 (5)
五、激光干涉传感器的功能特点 (6)
六、参考文献 (7)
基于激光干涉效应的传感器
摘要：以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。
激光干涉传感器有单频的和双频的两种。
单频的是在20世纪60年代中期出现的,最初用于检定基准线纹尺,后又用于在计量室中精密测长。
双频激光干涉仪是1970年出现的，它适宜在车间中使用。
激光干涉传感器在极接近标准状态下的测量精确度很高，可达1×10-7。
关键词：激光干涉；传感器；精密测长
一、激光干涉的基本原理
两频率相同，振动方向相同的光波叠加
I=I 1+I 2+221I I COS δ =δλπ∆2
λ为光波波长，Δ为光程差。
Δ =n 1l 1- n 2l 2 n 1,n 2为两光波所通过介质的折射率；
l 1，l 2为两光波传播的距离。
计算光程差时要注意从光疏媒质到光密媒质，光反射时（近于垂直入射）的“半波损失”，反射光振动方向与入射光相反，光程附加λ/2（相位为π）。
①=δ2πm 即 Δ= m λ （m 为整数）
当光程差为波长的整数倍，干涉条纹为亮条纹 （极大值）
②=δ（2m+1）π 即 Δ= （2m+1）λ/2
当光程差为半波长的奇数倍，干涉条纹为暗条纹 （极小值）。
COS δ
δ 2π π 0
二、激光干涉传感器的类型
2.1单频激光干涉传感器
如图2.1所示，从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。
当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。
使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。
图2.1 单频激光干涉传感器原理图
2.2 双频激光干涉传感器
如图2.2所示，在全内腔He-Ne激光器上加约0.03T的轴向磁场，由于塞曼效应和牵引效应，发出一束含有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，它们的频率差大约是1.5MHz左右。
这束光经1/4波片之后成为两个互相垂直的线偏振光，再经平行光管准直和扩束。
从平行光管出来的这束光经过析光镜反射出一小部分作为参考光束通过45°放置的检偏器。
并由马吕斯定律可知，两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影，形成新的线偏振光并产生拍频。
这个拍频频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f1-f2），约为1.5MHz。
经光电元件接受进入前置放大器和计算机。
另一部分透过析光镜沿院方向射向偏振分光棱镜。
互相垂直的线偏振光f1和f2被分开。
f2射向参考立体直角锥棱镜后返回，f1透过偏振分光棱镜到立体直角锥棱镜——测量棱镜，这时如果它以速度v运动，那么f1的返回光便有了变化成为（f1±Δf）。
这束光返回后重新通过偏振分光棱镜并与f2的返回光会合，然后到45°放置的检偏器上产生拍频被光电元件接收，进入前置放大器和计算机。
计算机对两路信号进行比较，计算它们之间的差值±Δf（即多普勒频差）。
进而可以根据立体直角棱镜移动度数和时间求得被测长度。
图2.2 双频激光干涉传感器原理图
三、常用激光干涉传感器及介绍
3.1 C O2激光干涉仪
CO2激光器是一种非常适合无导轨激光测量的光源，它在10.6μm波段具有丰富的谱线，相邻谱线的波长差分布也比较均匀，构成的“合成波长链”的波长可从10.6μm到25m，因此，CO2激光干涉仪一直是无导轨激光干涉仪的研究重点。
从1979年开始，由直流干涉系统到各种形式的光外差系统，CO2激光干涉仪历经多次改进，其中一种典型方案是上世纪九十年代澳大利亚研制的外差干涉仪，它通过激光器的腔长控制，顺序输出6种波长，用声光调制器的零级衍射作为本振光，构成外差系统，测量精度可达4×10-8。
3.2 N e-Xe激光干涉仪
Ne-Xe激光器可以输出3.53μm和3.37μm两个波长，合成波长为84.2μm。
从“合成波长链”的角度考虑，波长过短难以保证测量结果的唯一性，为此，系统加入了He-Ne激光器的3.39μm谱线，将“合成波长链”延伸到464μm。
Ne-Xe激光干涉仪的最大优点是结构简单，测量精度可达1.8×10-7。
3.3He-Ne激光干涉仪
中国计量科学研究院研制的纵向塞曼He-Ne激光干涉仪，与成都工具研究所开发的双频激光干涉仪不同，其稳频点选在两条激光增益曲线之间，产生一对频差为1080MHz的左、右旋偏振光（这两个偏振光不在同一增益曲线上），合成波长为278mm。
利用光栅测量干涉的剩余相位。
系统测量长度可达100m，测量精度为±（40+1.5×10-6）。
3.4变波长激光干涉仪
变波长激光干涉仪采用两个激光器，利用谐振腔长与输出频率的关系，构成“无级”的波长系列，在理想的环境下，13m长度范围的测量精度为70μm。
3.5线性调频半导体激光干涉仪
近年来，半导体激光器线性调频技术的发展，为无导轨激光干涉仪提供了一个理想的光源，成为无导轨激光干涉技术研究的热点。
1995年，德国采用了外腔可调谐式半导体激光器，其外腔由全息光栅组成，通过改变光栅的角度进行频率选择，相干长度可达100m，40m 长度范围的分辨率可达40μm。
四、激光干涉传感器的应用
1、几何精度检测可用于检测直线度、垂直度、俯仰与偏摆、平面度、平行度等。
2、位置精度的检测及其自动补偿可检测数控机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度等。
利用雷尼绍ML10激光干涉仪不仅能自动测量机器的误差，而且还能通过RS232接口自动对其线性误差进行补偿，比通常的补偿方法节省了大量时间，并且避免了手工计算和手动数控键入而引起的操作者误差，同时可最大限度地选用被测轴上的补偿点数，使机床达到最佳精度，另外操作者无需具有机床参数及补偿方法的知识。
3、数控转台分度精度的检测及其自动补偿现在，利用ML10激光干涉仪加上RX10转台基准还能进行回转轴的自动测量。
它可对任意角度位置，以任意角度间隔进行全自动测量，
其精度达±1。
新的国际标准已推荐使用该项新技术。
它比传统用自准直仪和多面体的方法不仅节约了大量的测量时间，而且还得到完整的回转轴精度曲线，知晓其精度的每一细节，并给出按相关标准处理的统计结果。
4、双轴定位精度的检测及其自动补偿雷尼绍双激光干涉仪系统可同步测量大型龙门移动式数控机床，由双伺服驱动某一轴向运动的定位精度，而且还能通过RS232接口，自动对两轴线性误差分别进行补偿。
5、数控机床动态性能检测利用RENISHAW动态特性测量与评估软件，可用激光干涉仪进行机床振动测试与分析（FFT），滚珠丝杠的动态特性分析，伺服驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性（低速爬行）分析等。
五、激光干涉传感器的功能特点
1、激光干涉仪可以同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)、偏摆角、俯仰角和滚动角等，以及测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性等。
2、激光干涉仪的光源——激光，具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。
3、激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。
4、仪器应放置在干燥、清洁以及无振动的环境中应用。
5、在移动仪器时，为防止导轨变形，应托住底座再进行移动。
6、仪器的光学零件在不用时，应在清洁干燥的器皿中进行存放，以防止发霉。
7、尽量不要去擦拭仪器的反光镜、分光镜等，如必须擦拭则应当小心擦拭，利用科学的方法进行清洁。
8、导轨、丝杆、螺母与轴孔部分等传动部件，应当保持良好的润滑。
因此必要时要使用精密仪表油润滑。
9、在使用时应避免强旋、硬扳等情况，合理恰当的调整部件。
10、避免划伤或腐蚀导轨面丝杆，保持其不失油。
六、参考文献
[1] Renishaw公司.激光干涉仪原理及应用概述
[2] /view/1264056.htm
[3] /z/a/index_1395_1.html
[4]薛实福,李庆祥,王伯雄,徐毓娴,于水. 新型单频激光干涉技术[J]. 清华大学学报(自然科学版),1993,02:39-45.
[5]田清政. 激光干涉技术在测速中的应用[J]. 火炸药,1980,04:12-22.
[6]茅振华,孙鲁涌,慎励进. 数控机床精度的激光干涉法测试与补偿[J]. 机电工
程,1999,04:52-53.
[7]刘合伟,钱梦騄. 激光干涉法测量微小振动[J]. 声学技术,2001,02:75-77.。