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基于DVD光读取头的超低频振动传感器机理的研究

作　者: 孙承文
导　师: 张辉
学　校: 合肥工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 超低频 振动 DVD光读取头 聚焦误差信号 悬臂梁 传感器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 104次
引　用: 2次
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内容摘要


为了保证精密仪器正常工作和测量精度,对于环境参数如温度、湿度、洁净度和振动等有一定的要求。为了解仪器工作的环境振动情况,一般会采用如振动位移计、振动加速度计等仪器来测量和分析。本文设计了一种适用于测量低频振动的光学式振动传感器。该光学振动传感器利用DVD光读取头中对位移变化敏感的聚焦误差信号(FES)来检测传感器中拾振器的相对振动,实际测量时只需要将其垂直安装在被测物体表面即可,具有结构简单、灵敏度高、成本低等优点。传感器结构主要由两部分组成:DVD光读取头和悬臂梁拾振器。悬臂梁的一端固定在金属基座上,另一端自由悬置,并在悬置端的下方粘贴有反射镜。静态时,DVD光读取头中的出射光照射到反射镜表面并反射回光读取头中,光读取头产生的FES信号为0。当外界发生振动时,金属基座会与外界物体作同步运动,悬臂梁的悬置端在惯性力作用下会产生相对振动,此时光读取头输出与悬置端的位移变化成线性关系的FES信号。进一步根据悬臂梁的相对振动和外界振动二者之间的函数关系,通过后续计算处理,即可由FES信号求取外界振动量大小。本文首先对设计方案进行了论证,通过分析振动传感器中振动位移计和振动加速度计的设计原理,结合DVD光读取头的FES信号灵敏高、线性范围小的特点,得出利用光读取头测量振动加速度能满足实际测量需要的结论。进一步介绍了传感器机械结构和拾振器结构的参数设计,并详细阐述了悬臂梁拾振器的几何尺寸对传感器性能(固有频率)的影响。悬臂梁的固有频率会影响传感器的频率响应范围和灵敏度。因为该光学传感器的传递函数呈现低通响应,增大固有频率会在提高频响高端范围的同时减小灵敏度,反之亦然。所以需要根据实际振动量的特点来确定合适的固有频率,即悬臂梁的几何尺寸。进一步利用ANSYS软件对悬臂梁进行了模态分析,验证理论推导的正确性。最后设计了以微处理器MSP130F149为核心的嵌入式测量系统,实现对信号的预处理、运算以及频率、电压的测量,可将频率和加速度值显示在LCD屏幕上,使传感器能够实时处理和显示信号,方便了传感器的使用。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
致谢  8-13
第一章 绪论  13-23
  1.1 振动传感器  14-20
    1.1.1 磁电式振动速度传感器  14-17
    1.1.2 压电式振动加速度传感器  17-19
    1.1.3 光学式振动传感器  19-20
  1.2 光学读取头的应用  20-22
  1.3 本文研究的主要内容  22-23
第二章 DVD 光读取头  23-30
  2.1 DVD 光读取头简介  23-27
    2.1.1 激光二极管  25
    2.1.2 四象限光电二极管传感器  25-26
    2.1.3 光栅  26
    2.1.4 λ/4 波片  26
    2.1.5 偏振分光镜  26
    2.1.6 柱面像散透镜  26-27
  2.2 自动光功率控制APC 电路  27-28
  2.3 聚焦误差曲线测量  28-30
第三章 光学振动传感器的设计  30-47
  3.1 惯性式振动传感器的数学模型  30-36
    3.1.1 振动位移计的设计原理  32-34
    3.1.2 振动加速度计的设计原理  34-35
    3.1.3 设计方案选择  35-36
  3.2 传感器的结构设计  36-37
    3.2.1 传感器光路系统  36
    3.2.2 传感器机械结构  36-37
  3.3 拾振器结构设计  37-47
    3.3.1 悬臂梁的固有频率  38-42
    3.3.2 悬臂梁结构的有限元分析  42-47
第四章 传感器电路设计  47-56
  4.1 信号的预处理  47-50
  4.2 信号周期测量  50-51
  4.3 信号幅度测量  51-52
  4.4 采集程序软件设计  52-54
  4.5 抗干扰设计  54-56
第五章 光学振动传感器实验  56-59
  5.1 传感器固有频率的测量  56-57
  5.2 传感器频率响应范围测量实验  57-58
  5.3 传感器灵敏度测量实验  58-59
第六章 工作总结和展望  59-61
  6.1 工作总结  59
  6.2 展望  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士学位期间发表的论文  65-66

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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