光谱共焦位移传感器研究与设计

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1、硕士学位论文光谱共焦位移传感器研究与设计RESEARCHANDDESIGNOFCHROMATICCONFOCALDISPLACEMENTSENSOR王津楠哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TH741.2学校代码：10213国际图书分类号：681.2密级：公开工程硕士学位论文光谱共焦位移传感器研究与设计硕士研究生：王津楠导师：刘国栋教授申请学位：工程硕士学科：仪器仪表工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741.2M.D.

2、C:681.2DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHANDDESIGNOFCHROMATICCONFOCALDISPLACEMENTSENSORCandidate：WangJinnanSupervisor：Prof.LiuGuodongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentandMeterEngineeringAffiliation：SchoolofElect

3、ricalEngineeringandAutomationDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要光谱共焦位移传感器是一种新型的具有超高精度和超高稳定性的光电位移传感器，代表了先进位移传感器的发展方向，并在工业、医疗等许多领域得到了广泛应用。但是目前国内还没有相应的产品出现，相关文献也较少。本课题从光谱共焦位移传感器的原理出发，设计并搭建了一套完整的基于白光LE

4、D和光纤耦合器式的光谱共焦位移测量系统，可以满足一定的位移测量需求。在光学系统的设计过程中，分析了色散物镜、光纤耦合器和光谱仪中各参数对系统性能造成的影响，并通过ZEMAX光学仿真软件确定了较优的色散物镜和光谱仪的分光系统结构。同时根据色散物镜的成像情况，对不同光纤纤芯直径下的共焦曲线进行了计算，为光纤耦合器的选择提供了依据。在处理光谱信息的过程中，分析了暗信号、光源光谱光强分布不均匀、随机噪声和峰值波长提取算法等因素对谱峰定位精度造成的影响，对相应的数据处理算法进行了比较，确定了较优的谱峰定位方法。并通过多项式

5、拟合算法得到了准确、稳定的峰值波长与被测物位置间的对应关系。通过双频激光干涉仪对设计的系统进行标定和测量，实验结果表明系统在1.2mm的测量范围内，最大测量误差9μm。关键词：位移传感器；光谱共焦；色散物镜；光纤耦合器-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractChromaticconfocaldisplacementsensorisanewkindofphotoelectricdisplacementsensorwithsuperhighprecisionandstability,onbehalfoft

6、hedevelopmentdirectionofadvanceddisplacementsensor,andhasbeenwidelyappliedintheindustrial,medicalandmanyotherfields.Butthereislackofcorrespondingdomesticproductsandliteraturecurrently.Thetopicstartingfromtheprincipleofchromaticconfocaldisplacementsensor,desig

7、nedandbuiltasetofchromaticconfocaldisplacementsensorsystembasedonwhiteLEDandopticalfibercoupler,meetingcertainmeasurementrequirements.Intheprocessofopticalsystemdesign,analysedtheinfluenceofdispersiveobjective,opticalfibercouplerandspectrometeronthesystemperf

8、ormance,andthroughtheZEMAXopticalsimulationsoftwaredeterminedtheoptimalstructureofdispersiveobjectiveandspectrometer.Atthesametime,confocalcurveunderdifferentopticalfibercorediameterwasca