極端微壓力檢測(cè)是壓力檢測(cè)領(lǐng)域中的難點(diǎn),目前微壓力傳感器的量程最小可低至0.1k Pa左右,很難有微壓力傳感器的量程能低至0.03k Pa以下。如今儀器儀表、工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域均需要進(jìn)行極端微小壓力的測(cè)量。要實(shí)現(xiàn)極端微壓力的測(cè)量,一種途徑是使用比現(xiàn)有材料更高應(yīng)變系數(shù)的壓力敏感材料作為壓敏元件,另一種途徑是使用合適的測(cè)量方法。本文根據(jù)邁克爾遜干涉條紋能隨物體微小位移而變化的特性,設(shè)計(jì)了一種基于邁克爾遜干涉原理的微壓力傳感器,能有效測(cè)量出干涉條紋的位移量,從而計(jì)算出膜片的微位移,然后根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出此膜片所受的壓力大小。本文使用嵌入式系統(tǒng)采集由邁克爾遜干涉裝置產(chǎn)生的干涉條紋圖像,對(duì)膜片受壓時(shí)變化的條紋圖像進(jìn)行分析、處理,計(jì)算出干涉條紋準(zhǔn)確的位移量。通過(guò)建立壓力和位移量的數(shù)學(xué)模型,從而計(jì)算微壓力。本傳感器采用了智能式結(jié)構(gòu),系統(tǒng)硬件電路分為五個(gè)部分:圖像采集模塊、測(cè)溫模塊、LCD顯示模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊和外部SRAM模塊。本文設(shè)計(jì)了各模塊電路,并編寫(xiě)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。圖像處理算法包括圖像灰度化、背景去除、濾波、二值化、條紋細(xì)化等算法。最后,對(duì)微壓力傳感器進(jìn)行了電路焊接,軟件調(diào)試,系統(tǒng)... 

【文章來(lái)源】：南京信息工程大學(xué)江蘇省

【文章頁(yè)數(shù)】：66 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

等傾干涉條紋圖

南京信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文8根據(jù)干涉極值條件[27]，如果光程差為半個(gè)波長(zhǎng)的偶數(shù)倍，形成相長(zhǎng)干涉，將產(chǎn)生亮條紋，如果光程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，形成相消干涉，將產(chǎn)生暗條紋。由式(2-3)可以看出，由于M1和M2垂直，所以M1和M2’平行，因此薄膜厚度d為一個(gè)常量，那么光程差只由入射光的傾角i決定，相同傾角的光線的光程差相等，將處在同一條條紋上，呈軸對(duì)稱分布，構(gòu)成了一個(gè)垂直于等效薄膜的光錐，所以其干涉條紋為一個(gè)圓環(huán)。當(dāng)一條條入射傾角不同的光線同時(shí)發(fā)生干涉時(shí)，其圖像是一圈圈同心圓環(huán)。此現(xiàn)象又將之稱為等傾干涉[28]，當(dāng)M1發(fā)生微小移動(dòng)，各圓條紋會(huì)相應(yīng)地變化，當(dāng)d減小時(shí)，各圓條紋不斷陷入中心，條紋越來(lái)越稀疏，當(dāng)d增大時(shí)，圓條紋不斷從中心出現(xiàn)，如圖2-3所示。圖2-3等傾干涉條紋圖圖2-4等厚干涉條紋圖n1n2SPABCDd圖2-5等厚干涉示意圖當(dāng)M1和M2不完全垂直時(shí)，M1和M2’不完全平行，如圖2-5所示。光源S產(chǎn)生的光經(jīng)過(guò)反射鏡的反射和透射，經(jīng)過(guò)手動(dòng)微調(diào)反射鏡的位置和角度，讓兩路光聚集在B點(diǎn)形成干涉條紋，此時(shí)兩條光路的光程差為：12=n(SACPSDDP)n(ABBC)(2-4)由式(2-3)可知，光程差取決于入射傾角i和薄膜厚度d，當(dāng)使用平行光照射時(shí)，入射傾角i不變，厚度d的變化均勻，光程差相同的光線匯聚形成同條干涉條紋，此現(xiàn)象又將之稱為等厚干涉，如圖2-4所示，當(dāng)M1發(fā)生微小移動(dòng)，各個(gè)條紋會(huì)發(fā)生移動(dòng)，當(dāng)d增大或者減小時(shí)，等厚條紋會(huì)向左或向右發(fā)生移動(dòng)，如圖2-4所示。

第二章邁克爾遜干涉的微壓力測(cè)量原理15光源圖像采集模塊彈性膜片拋光面全反射鍍膜圖2-10立方體分束鏡示意圖圖2-11立方體分束鏡實(shí)物圖為了使設(shè)計(jì)對(duì)象更小巧，更穩(wěn)定，本裝置使用的立方體分束鏡及其對(duì)光路的影響圖如圖2-10所示，圖中的立方體是由兩個(gè)完全相同的直角棱鏡的斜面貼合而成，貼合面鍍上一層半透半反射膜，分光比（反射率和折射率之比）為1:1。由于是兩個(gè)完全相同的直角棱鏡，所以分開(kāi)后的兩束相干光光在棱鏡中所行徑的光程完全相同，因此使用立方體分束鏡能夠取代補(bǔ)償板的作用。又為了避免光線穿越過(guò)多的介質(zhì)（反射鏡和分束鏡之間的介質(zhì)），造成光能量得損失，在立方體分束鏡靠近光源面的另一側(cè)鍍上一層銀質(zhì)反射膜，起到固定鏡的作用。立方體分束鏡實(shí)物如圖2-11所示。通過(guò)此設(shè)計(jì)，讓邁克爾遜干涉組件中的分束鏡、補(bǔ)償板和固定鏡合三為一，實(shí)現(xiàn)了裝置的小型化，降低了整個(gè)設(shè)計(jì)的成本和提高了此設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。2.3.4攝像頭模塊選型攝像頭是將干涉條紋的物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的工具，攝像頭的性能能直接影響處理器的處理效率和處理精度。目前主流攝像頭的感光傳感器分為兩種：CCD和CMOS[33]。CCD和CMOS的成像均靠光電效應(yīng)從光產(chǎn)生電信號(hào)。兩種類(lèi)型的成像元件原理都是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷并將其處理成電信號(hào)，CCD和CMOS的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2-2所示。由表可知，從本設(shè)計(jì)小型化、低成本的目標(biāo)來(lái)看，選擇CMOS為圖像傳感器的攝像頭。根據(jù)處理器的處理能力和處理干涉條紋所需要的幀數(shù)，本設(shè)計(jì)選取OV7725攝像頭模塊作為圖像傳感器模塊[34]。圖2-12為OV7725的功能框圖。

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