Оптико-электронные датчики на базе позиционно-чувствительных полупроводниковых фотоприемников : высокоточные весы, измерители угловой скорости

• Автор: Богатырева, Валерия Владимировна
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

1. ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Обозначения и сокращения

Введение
Глава 1. Обзор современных позиционно-чувствительных фотоприемников и оптических измерителей угловых скоростей вращения
1.1. Принципы построения, характеристики и области применения современных позиционно-чувствительных фотоприемников

1.1.1. Однокоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники

1.1.2. Двухкоординатные позиционно-чувствительные фотоприемники

1.2. Принцип работы и технические характеристики позиционночувствительного фотоприемника мультискана; предельные характеристики его чувствительности

1.2.1. Устройство мультискана

1.2.2. Основные параметры мультискана

1.2.3. Области применения мультискана

1.2.4. Чувствительность мультискана и погрешность его координатоуказания
1.3. Измерители параметров движения (угловой скорости вращения, углового перемещения)
1.3.1. Оптико-механические датчики угловой скорости и угла поворота
1.3.2. Оптические гироскопы
Выводы к главе
Глава 2. Теоретические основы построения оптико-электронных датчиков
массы и угловой скорости
2.1. Факторы, определяющие точность координатоуказания мультискана

2.2. Устройство оптико-электронного динамического измерителя массы на базе позиционно-чувствительного фотоприемника мультискана.
2.3. Принцип работы датчика угловой скорости вращения
2.4. Датчик угловой скорости вращения с жидкостным демпфером
2.4.1. Принцип действия.жидкостного демпфера
2.4.2. Расчет смещения лазерного луча по поверхности мультискана
Выводы к главе
Глава 3. Методика и приборное обеспечение измерений
3.1. Методика проведения экспериментов по исследованию действия факторов, оказывающих влияние на точность координатоуказания мультискана
3.2. Метод элонгаций
3.3. Методика проведения экспериментов по измерению массы на оптико-электронных аналитических весах
3.3.1. Описание конструкции оптико-электронных аналитических весов
3.3.2. Предельная чувствительность оптико-электронных аналитических весов
3.4. Методика проведения эксперимента по измерению угловой скорости вращения
3.4.1. Конструкция измерителя угловой скорости вращения
3.4.2. Расчет предельной чувствительности измерителя угловой скорости вращения
3.5. Методика проведения эксперимента по измерению угловой скорости вращения при демпфировании чувствительного оптико-механического элемента жидкостью
3.5.1. Конструкция измерителя угловой скорости вращения с жидкостным демпфированием

3.5.2. Расчет предельной чувствительности измерителя угловой скорости вращения с жидкостным демпфером
3.5.3. Способ повышения чувствительности измерителя угловой скорости вращения
Выводы к главе
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и метрологическое обеспечение измерений
4.1. Результаты исследований линейности выходной характеристики мультискана и расчет погрешности
4.2. Результаты исследований распределения интенсивности в сечении лазерного луча и расчет погрешности
4.3. Результаты измерений массы и расчет погрешности оптикоэлектронных аналитических весов
4.4. Результаты измерений собственных колебаний подвижного зеркала в датчике угловой скорости вращения
4.5. Результаты измерений угловой скорости датчиком без демпфирования и расчет погрешности
4.6. Результаты измерений угловой скорости датчиком с жидкостным
демпфером и расчет погрешности
Выводы к главе
Заключение
Список литературы

чувствительностью 0,01 мкм и статистической погрешностью 0,2 мкм. При работе данного устройства в специальных условиях при отсутствии посторонних засветок ошибки в измерении координаты составляют величину менее 3 мкм. Однако при наличии посторонних фоновых засветок, мощность которых соизмерима с мощностью полезного сигнала, возникают ошибки в определении координаты величиной более 100 мкм.
Из описанных выше позиционно-чувствительных фотоприемников наиболее распространенными являются ПЗС и мультисканы. Сравним ошибки измерений положения пятна с помощью этих ПЧФП. Координату на ПЗС определяется по границе интенсивности пятна. Изначально задается минимальный уровень интенсивности пятна. Затем измеряется смещение пятна с заданной интенсивностью. При изменении заднего отрезка меняется интенсивность в пятне. Из-за этого границы смещенного пятна могут быть определены неверно. Ошибка на 1 пиксель для камеры вопу С80Ц-252С с размером пикселя 3,45 мкм и строкой длиной 7,1 мм (число пикселей в 2048) ошибка достигает 0,05 %. В то же время для мультискана с точностью определения координаты 5 мкм и длиной чувствительной площадки 18,5 мм эта величина составляет 0,027 %. Для смещения пятна вдоль линейки мультискана на максимальное расстояние 16 мм - с тем, чтобы край пятна диаметром 2 мм не обрезался - 0,031 %.
Темновые токи осуществляют незначительный вклад в генерацию шума, так под действием света токи текут в обе стороны через пару встречных диодов и компенсируют друг друга.
Шум выходного сигнала мультискана определяется преимущественно фоновой засветкой.
Чувствительность диода определяется по формуле:
5 = ^,