基于激光多普勒效应的回转体直径测量技术研究

论文摘要

基于激光多普勒效应的测量技术在近几年取得了较大发展,被广泛的应用于气体、液体等流体的测量以及固体运动表面参数的测量。针对目前回转体直径测量水平不能满足工业生产的现状,本文提出了一种基于激光多普勒效应的回转体直径测量系统,选用双光束外差检测法和计数式频率测量方法进行信号解调。首先,根据激光多普勒效应的测量原理,本文推导了在双光束-双散射光路下的激光多普勒表达式,验证了系统可行性。设计了本系统的光学结构,并且对光学器件参数进行了计算。依据光外差检测原理,详细推导出了激光多普勒双光束-双散射测量结构中光外差检测相位条件的表达式,并据此建立了以小孔光阑来保证检测条件的光外差检测结构。其次,本文设计了激光多普勒测量信号的解调电路并对其进行了软件仿真与实际调试,主要包括I/V转换、放大、波形转换、分频、频率测量和显示等部分。通过对本系统进行实验研究及分析可得,本测量系统能够实现对回转体直径的精密测量,并获得了5～800mm的测量范围和0.08mm的测量精度。最后对测量结果进行了误差分析,给出了本测量系统中主要的误差来源及其大小;详细分析了激光多普勒固体表面测量系统中多普勒信号频谱展宽的影响因素,引入了激光多普勒非平面固体表面测量时所特有的展宽因子——固体表面形状展宽因子,并且给出了本系统的改进措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 目前回转体参数测量方法概述
• 1.2.1 接触式测量法
• 1.2.2 非接触测量法
• 1.3 激光多普勒测量技术概况
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 激光多普勒回转体直径测量系统设计
• 2.1 激光多普勒测量原理
• 2.2 激光多普勒基本测量光路
• 2.2.1 参考光外差法测量光路结构
• 2.2.2 单光束-双散射外差法光路结构
• 2.2.3 双光束-双散射外差法光路结构
• 2.3 固体散射表面测量的结构
• 2.4 系统光学结构设计
• 2.5 光学结构器件参数的选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 信号检测与处理
• 3.1 多普勒信号处理流程
• 3.2 多普勒频移信号检测
• 3.2.1 光外差检测原理
• 3.2.2 光外差检测条件
• 3.3 光电检测器件的选择
• 3.4 多普勒信号的处理
• 3.4.1 信号放大电路
• 3.4.2 滤波电路
• 3.5 频率测量方案设计
• 3.5.1 频率测量方法概述
• 3.5.2 模/数转换
• 3.5.3 分频
• 3.5.4 频率测量
• 3.6 串口通信电路
• 3.7 系统供电电源设计
• 3.8 电路中的抗干扰措施
• 3.8.1 从系统的整体布局来考虑
• 3.8.2 从各器件的电源供给来考虑
• 3.8.3 从接地来考虑
• 3.8.4 从信号传输方式上考虑
• 3.9 本章小结
• 第四章 激光多普勒回转体直径测量系统实验研究
• 4.1 实验系统的建立
• 4.2 测量对象的选取
• 4.3 测量结果
• 4.4 误差分析
• 4.4.1 多普勒信号展宽对测量结果的影响
• 4.4.2 光学结构中参数所带来的误差
• 4.4.3 信号处理时所形成的误差
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 系统改进
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文