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新型激光扫描共焦测头的设计和研究

作　者: 秦嘉
导　师: 裘祖荣
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 非接触测量共焦测头数学模型结构时间差
分类号: TH744.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来,非接触测头的发展十分迅速,成为探测技术的一个重要的发展方向。新型激光扫描共焦测头的设计和研究基于激光扫描共焦显微检测法原理,运用了动态主动调焦的方法,能够满足非接触测量的要求。只要被测物位于测量光轴上,且在聚光点振动范围内,那么在振动的一个周期内总会有两次光点聚焦于被测靶球表面上。此时光电探测器接收到的光强最大,输出的电信号也最强。机械和光路结构的改进设计和研究是论文介绍的重点。把位移量测量转化成对时间差的测量方案是研究的特色。最后,提出了一种新的信号处理方法,得出了实验结果。关于激光扫描共焦测头的一切工作都是为了提高其测量性能,主要的工作内容如下:1.简要介绍了动态主动调焦检测法原理;2.为了改善光电输出信号,建立了共焦测头的数学模型;对模型函数进行拟合后,得出了光电信号的仿真曲线。提出了改善输出信号的有效方法;3.详细介绍了共焦测头的机械和光路结构,简化了光路设计。阐述了音叉双透镜振动机构是测头的机械和光学机构的重要部分。对激励和感应线圈进行了选定,并测量了光点,鉴定了针孔,确定了针孔的直径尺寸,从而提出了测头的整体结构设计;4.对信号处理电路进行了简要介绍;5.测定了音叉振动的稳定性,借助量块结合微动测量台架的实验证明了共焦测头具有满意的机械和光学性能。根据时间差法得出了测量结果,并证明了测量微靶的可行性。

全文目录

中文摘要  2-3
ABSTRACT  3-7
第一章绪论  7-17
  1.1 课题的目的和意义  7
  1.2 国内外研究现状  7-15
    1.2.1 微型三坐标测量机  9
    1.2.2 三坐标测头  9-15
      1.2.2.1 接触式测头  10
      1.2.2.2 非接触式测头  10-15
      1.2.2.3 三坐标测头主要发展方向  15
  1.3 课题主要研究内容  15-17
第二章测量原理  17-25
  2.1 扫描共焦显微检测法简介  17-18
  2.2 动态主动调焦测量原理  18-19
  2.3 测量方案与振动参数分析  19-23
    2.3.1 振动透镜位移量和物镜聚光点之间的函数关系推导  19-21
    2.3.2 振动透镜轴向位移测量方案  21
    2.3.3 影响测量精度的振动参数分析  21-23
  2.4 测量系统的结构方案  23-25
第三章系统结构设计  25-48
  3.1 建立在共焦原理上的聚焦光点和光电探测器件的数学模型  25-26
  3.2 部分器件选型  26-30
    3.2.1 激光光源  26-28
    3.2.2 透镜选择  28-29
    3.2.3 精密光学滤光片  29-30
  3.3 音叉振动系统  30-39
    3.3.1 音叉固有频率的选择  31
    3.3.2 音叉结构尺寸的确定  31-33
    3.3.3 音叉材料的选择和热处理  33-34
    3.3.4 正反馈音叉自振系统  34-36
    3.3.5 电磁线圈的优化设计  36-39
  3.4 光信号探测结构  39-41
  3.5 针孔选择  41-43
  3.6 总的机械结构  43-48
第四章电路设计  48-53
  4.1 激振和感应电路  48-49
  4.2 信号处理电路的组成  49-53
第五章实验结果  53-62
  5.1 音叉振动稳定性  53-55
  5.2 测头光电信号  55-58
  5.3 测量结果  58-61
    5.3.1 比较器输出结果  58
    5.3.2 在现有条件下的微动台步进实验比较器输出结果  58-59
    5.3.3 重复性实验  59-60
    5.3.4 稳定性实验  60-61
  5.4 小结  61-62
第六章总结与展望  62-64
  6.1 主要工作总结  62-63
  6.2 技术展望  63-64
参考文献  64-67
发表论文和科研情况说明  67-68
致谢  68

新型激光扫描共焦测头的设计和研究

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