基于F-P腔强度解调的微位移传感器

基于一次谐波腔长锁定技术,设计了一种基于法布里-珀罗(F-P)腔干涉的强度解调型微位移传感器。系统对F-P腔的初始腔长进行动态锁定,通过将F-P腔腔长的微小变化转化为强度信号,实现直接快速地对待测目标的微位移进行测量。详细地阐述了位移传感器的理论模型及一次谐波锁定F-P腔腔长的技术方案,实验中采用商用的高精度压电陶瓷平移台(PZT)模拟了实际物体的运动状态,实验结果表明,该系统对峰峰值在λ/4(λ为光波波长)以内、频率不高于400Hz的微位移有很好的测量结果,频率误差小于0.5Hz,测量精度小于1nm。     

基于Sierra Lite抖动算法的散焦投影光栅测量

投影仪散焦技术克服了实时光栅投影三维测量中的投影仪非线性问题,但散焦产生的高次谐波会大大降低散焦光栅的正弦性,带来明显的测量误差。提出了采用"S"形扫描Sierra Lite抖动算法生成二值抖动光栅,较大地改善了散焦后光栅的正弦性,将该抖动技术生成的散焦光栅用于传统的相移算法,基于投影仪散焦投影,得到用于三维测量的绝对相位信息。仿真结果验证了该方法的有效性,改善了散焦光栅的正弦性,提高了相位质量。实际测量实验与仿真结果相一致。与已有的Bayer有序抖动和Floyd-Steinberg抖动生成的光栅相比,所提算法运算速度快,生成光栅正弦性较好,更加适用于散焦投影测量。     

用于精密位移测量的微型光栅传感器开发

基于双光栅干涉扫描原理,通过复用透射光栅实现干涉扫描型光栅位移传感器的小型化开发。开发了适用于精密位移测量的光栅传感器原理样机。传感器的电路系统包括信号转换放大电路模块和置于传感器D-SUB接口外壳内的信号处理电路模块。通过15 pin接口输出四路电平为2.5±0.5 V的模拟差分信号,差分信号接口可用于高倍细分而达到高分辨率,具备RS422接口适配能力,可以提高传感器远距离传输的抗干扰能力。以电容传感器为基准,光栅位移传感器原理样机实现了±30 nm的重复性精度,满足10 mm/s的测量速度需求,10 s短时位移稳定性达到5 nm,6 h的长时间稳定性达到70 nm。     

光栅干涉位移传感器信息解算方法研究

面向光栅干涉式位移传感器信号高精度解算的需求,提出了一种基于椭圆拟合补偿及反正切算法的位移解算改进方法。采用傅里叶变换及标准化椭圆参数拟合法对信号误差估计,通过构建线性误差补偿模型对带误差信号进行正交补偿,结合反正切算法对信号进行线性化处理,实现高精度位移解算读出。Matlab仿真结果表明,该方法对信号正交补偿效果显著,线性化处理算法解算位移最大相对误差小于0.2%。为提高光栅干涉式传感器位移解算精度提供了有效途径和方法。     

光栅衍射多普勒效应位移测量的理论分析和实验结果

本文研究了一种利用光栅衍射的多普勒效应进行位移测量的新方法.文中进行了光路结构和测量原理的理论分析,得出测量公式,证明了用光栅拾取多路差拍信号的相位关系.实验结果表明,它具有高的信号质量,可有效地用于位移的精密测量.     

适用于宽带光的闪耀光栅衍射强度分布规律研究

变栅距光栅线位移传感器是一种新型波长编码位移传感器,为进一步提高传感器波长解调的精度和减小光源的体积,提出适用于全工作波段的恒定闪耀角变栅距光栅结构。首先采用经典光学的方法推导出变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式,从理论上证明该光栅结构可实现在全工作波段提高变栅距光栅线位移传感器衍射光强。此外,制作出变栅距闪耀光栅样件证实了工艺可行性。在相同的条件下,对一组参数相同的闪耀光栅和矩形槽形光栅进行了衍射光强比对实验,得到变栅距闪耀光栅的衍射光强约为矩形变栅距光栅的衍射光强的1.7倍,并与按此衍射光强分布公式计算的结果一致。     

具有温度补偿的高精度FBG微位移传感器的设计、制作及性能研究

为克服现有光纤布拉格光栅传感器设计结构复杂、温补误差大等缺陷,设计并制作了一种基于弹簧与滑块相结合的结构简单且高精度光纤布拉格光栅位移传感器,在一根光纤上获得温度补偿的同时,实现了高精度微位移测量,极大的减小了空间占用。实验结果表明:该传感器具有优良的微位移测量能力,灵敏度为145.08 pm/mm,精度为1.43%,量程为10 mm;静态综合相对误差为2.88%,整体的线性度、重复性和迟滞性误差较小。比较铝合金衬底、石英衬底和无衬底的温补效果,发现石英衬底的传感器温度补偿效果更佳,其延迟时间从6.8 min下降到4.3 min,最大温度补偿误差从44 pm减少至40pm。最终采用石英玻璃作为衬底制成的传感器温度灵敏度为6.34 pm/℃,温补误差为0.26%。本文研制的传感器有望用于机械装备和土木工程等高精度结构位移的在线监测。     

以慢变化近似为基础的新型正弦相位调制半导体激光干涉仪

提出并在实验上实现了一种以慢变化近似为基础的新型正弦相位调制半导体激光干涉仪。原理上它不要求相位解调一次和二次谐波分量振幅在实验中必须保持相等，从而将动态范围提高了３－４个数量级且不损失精度。用压电陶瓷和微电机驱动位移。     

弱谐波情况下透射光栅衍射效率标定方法

同步辐射光源中的高次谐波会使透射光栅衍射效率标定精度变差。为了校正光源中的高次谐波对透射光栅衍射效率标定的影响,提出了一种光源存在弱谐波情况下的透射光栅衍射效率标定方法,通过使用谐波X射线的衍射效率修正基波衍射效率标定中谐波的影响,从而得到更为准确的透射光栅衍射效率。使用该标定方法在北京同步辐射光源上开展了透射光栅相对衍射效率标定工作。实验结果表明:在100~800eV存在高次谐波能段,修正后透射光栅一级与零级的相对衍射效率与理论模拟结果吻合较好,修正后光栅二级与一级的相对衍射效率更接近理论模拟结果,但与理论模拟结果仍有较大偏差,该偏差主要来源光栅较弱的二级衍射。     

一种用于变压器局部放电在线监测的光纤声发射传感器实验研究

提出了一种光纤声发射传感器并构建传感系统实现变压器局部放电在线监测,利用传感光栅体积小,重量轻,灵敏度高和抗电磁干扰的特点,将传感器置于变压器内部实现局部放电声发射信号的测量。研究了传感光栅实现声发射应力波测量的机理,声发射信号引起传感光栅反射光谱发生漂移,导致特定频点处反射光强发生变化,通过反射光强的变化实现声发射信号的测量。构建声发射传感系统实验模型并提出了一种系统性能优化策略,使系统工作在传感光栅反射光谱上升或下降沿的半峰值频点处,从而保障传感系统具有良好的线性输出特性;研究传感系统工作点稳定技术,设计信号反馈回路自动跟踪反射光谱的漂移,保证系统稳定工作在传感光栅半峰值频点处,消除温度变化对传感系统测量精度的影响。将封装好的传感器用于变压器局部放电现场检测,结果表明,光纤光栅声发射传感器与压电传感器相比具有灵敏度高、动态范围宽等优点,可以实现变压器局部放电在线监测。     

应用于增量式光电编码器的相关自适应滤波方法

为了改善增量式光电编码器的莫尔条纹光电信号质量,降低主计数信号中高次谐频的影响,提高信噪比达到输出稳定的正弦波形,本文深入地研究了莫尔条纹光电信号中的高频信号和噪音信号产生的原因及其相关自适应滤除方法,从宏观和微观两个方案分析光栅副的屏函数,研究莫尔条纹光电信号输出波形的不确定原因,并且提出采用相关自适应滤波方法将高频...     

基于微机电系统技术的投影型微光学编码器

对投影型微光学编码器的原理进行了分析，结合微机电系统集成技术，提出并实现了投影型微光学编码器。它是利用微机电系统集成技术将标尺光栅、指示光栅、光电二极管集成化构成投影型光栅微编码器。它具有体积小、光路调整容易的特点。实验结果表明，利用微细加工制作微光学编码器是完全可行的。该器件较之传统的光学编码器在经济性及小型化等方面具有非常明显的优势。     

应用于增量式光电编码器的相关自适应滤波方法

为了改善增量式光电编码器的莫尔条纹光电信号质量,降低主计数信号中高次谐频的影响,提高信噪比达到输出稳定的正弦波形,本文深入地研究了莫尔条纹光电信号中的高频信号和噪音信号产生的原因及其相关自适应滤除方法.从宏观和微观两个方案分析光栅副的屏函数,研究莫尔条纹光电信号输出波形的不确定原因,并且提出采用相关自适应滤波方法将高频信号滤除保留原有基频信号.从相关自适应滤波的数学模型论证和推导该相关自适应滤波过程并讨论其自适应性.指出在设计该自适应滤波电路时需要重视的几个关键指标及其影响效果,完成相关自适应滤波的有效性分析.相关自适应滤波效果等价于一个中心频率为基频的窄带带通滤波器,当基频随机变化时其通带也会随之改变.通过相关自适应滤波技术较好地滤除计数信号中除基频外所有高频分量和放大电路所引入的加性高斯白噪音.实验证明：莫尔条纹光电信号的失真度被降低8倍相关自适应滤波方法能使莫尔条纹光电输出波形趋近于标准正弦波,获得更高的信噪比.     

Simultaneous strain and temperature measurement with long-period gratings

The differential modulation of the attenuation bands in a long-period grating is used for simultaneous sensing of axial strain and temperature. A grating fabricated in a conventional optical fiber is demonstrated for concurrent measurements of strain over a range of 2100 micro? and temperature over a range of 125 degrees C, with maximum errors of 58 micro? and 1 degrees C, respectively.     

拼接式编码器测角误差分析及试验

根据望远镜测角系统的精度需求,分析了影响拼接式编码器测角精度的误差源,以及多读数头测角消差原理,确定了采用相位相差90°的4读数头的测角方式。在某望远镜方位轴系转台进行了逆时针和顺时针方向的测角试验,通过对测角数据进行谐波分析并补偿后,得到两组实验测角误差RMS分别为0.34"、0.38"。实验表明,相位相差90°的均布4读数头的测角方式消除了由轴系误差、编码器安装位置误差和钢带安装盘部分圆度误差对测角精度的影响,实现了亚角秒级测角的目的。研究结果可用于大口径望远镜设计阶段的误差分析与分配、预估测角精度,为降低设计和加工误差提供参考。     

Optical encoder based on Fractional-Talbot effect using two-dimensional phase grating

This work presents an optical encoder that uses a two-dimensional phase grating. Rather than using a four-windowed scanning grating, this design with a special two-dimensional phase index grating generates two sinusoidal signals that are mutually phase-shifted by 180°. Afterwards, two large-areas, specially structured index grating generates the four 90° electrically phase-shifted scanning signals. The special design of the two-dimensional phase index grating provides more accuracy of phase-shift by using the fact that the  + 1 and −1 diffraction orders are intrinsically phase-shifted from one another by 180°. The gap between the phase index grating and mail scale was increased to three quarters of Talbot distance. The tolerance of gap between the index and main grating is 0.1 mm. The tolerance of yaw motion is ± 0.25°.     

Magneto-Optic Fiber Gratings Useful for Dynamic Dispersion Management and Tunable Comb Filtering

Intelligent control of dispersion management and tunable comb filtering in optical network appfications can be performed by using magneto-optic fiber Bragg gratings （MFBGs）. When a nonuniform magnetic field is applied to the MFBG with a constant grating period, the resulting grating response is equivalent to that of a conventional chirped grating. Under a linearly nonuniform magnetic field along the grating, a linear dispersion is achieved in the grating bandgap and the maximal dispersion slope can come to 1260ps/nm2 for a l0-mm-long fiber grating at 1550nm window. Similarly, a Gaussian-apodizing sarnpled MFBG is also useful for magnetically tunable comb filtering, with potential application to clock recovery from return-to-zero optical signals and optical carrier tracking.     

基于光纤参量环形镜的光毫米波副载波产生

提出并验证了一种基于光纤参量环形镜(OPLM)和光纤光栅(FBG)的60GHz光毫米波副载波产生方案。理论上分析了OPLM的原理特性,发现可以利用OPLM同时完成光子微波信号的高次谐波产生和抽运滤波,直接获得光毫米波副载波信号。在实验验证中,从5GHz的基频信号出发,通过调制非线性和OPLM中的四波混频和滤波过程,完成高次谐波产生和抽运分离,成功得到60GHz的光毫米波副载波信号,表现出良好的性能。     

正弦锥光纤光栅的数值计算分析

本文利用耦合模方程对正弦锥光纤光栅的反射谱进行了较为详细的计算和分析,发现,这种光纤光栅的反射谱与普通均匀周期光栅的反射谱有着很大的不同,通过控制光栅锥的形状,可得到类似于梳状滤波器的功能,对这种新型光栅在光纤激光器等方面的应用有指导意义。     

Complementary Walsh–Hadamard coded optical CDMA coder/decoders structured over arrayed-waveguide grating routers

In this paper, an optical code-division multiple-access (OCDMA) system with complementary Walsh–Hadamard coded optical encoder/decoder configuration structured over arrayed-waveguide grating (AWG) routers is examined. In the proposed system, each network user requires only two AWG routers to accomplish spectral encoding and decoding for complementary keying, thus, resulting a simpler and low cost system. Performance of the proposed system is analyzed by taking the effect of phase-induced intensity noise into account. The result indicates that the established system not only preserves the capability of suppressing multiple-access interference (MAI), but also improves bit-error-rate performance as compared to the conventional coders employing simple on-off keying.