在光阱实际测量中, 过程噪声以及光电测量噪声严重影响微球位移实时探测的灵敏度, 针对这一问题, 提出基于卡尔曼滤波的方法对微球位移进行探测.将光阱中微球运动的谐振子模型改写 成卡尔曼滤波的状态转移矩阵形式, 获得具有高灵敏度和高信噪比的微球位移信号.仿真结果表明: 1 MHz的采样频率下, 101 kPa气压下滤波后的真空光阱微球位移的探测均方根误差从1 nm降到 0.27 nm.实验结果表明, 在293 K、101 kPa气压下对实测的微球位移信号进行滤波, 探测均方根误差从2.8 nm降到1.1 nm; 其他参数不变, 在1 Pa气压下均方根误差从5.2 nm降到2.1 nm.该方法可 应用于高真空下光阱微球质心运动的激光冷却反馈方案.

利用波片进行同步相位延迟,将波片与偏振分光棱镜相结合获得四路相位差为90°的正弦信号,从而将衍射光栅位移传感器的量程范围提升到激光相干长度的二分之一。对两路相位差为180°的信号进行差分处理,可有效避免激光功率抖动、背景光干扰、运放温度漂移等因素带来的影响。最后利用细分插值电路对光路的输出信号构建反正切函数,实现了正弦函数的非线性模/数转换及2.54 nm的位移分辨率。这种具有高分辨率、大量程的位移传感器未来将进一步推动自动化机械设备、电子制造业以及工业智能领域的快速发展。

随着微电子机械系统(MEMS)惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高, 微位移检测技术已经成为惯性传感领域的研究热点, 亚波长光栅的出现为微位移测量提供了一个全新的发展前景。以离面型双层亚波长光栅位移传感系统为研究对象,分别研究了亚波长光栅等周期与不等周期时系统的位移传感特性, 利用Rsoft软件对2种结构中双光栅相对运动时系统透射率与光栅位移量之间的关系以及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响规律进行模拟仿真, 并对2种双光栅位移传感系统进行了结构优化设计与性能仿真, 理论验证了离面型双层亚波长光栅位移传感系统结构的灵活性及方案的可行性。

随着MEMS惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高, 微位移检测技术已经成为MEMS惯性传感领域的研究热点。亚波长光栅以其超高的位移检测灵敏度成为一个极具发展前景的高精度位移传感平台。利用Rsoft软件模拟分析了双层亚波长光栅共面、离面相对运动时系统零级衍射光透射率与光栅位移量之间的关系及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响, 并对这两种亚波长光栅微位移传感系统进行了结构优化与性能仿真及对比, 理论验证了亚波长光栅位移检测的高灵敏度优势。

针对大口径自适应副镜镜面变形量小、变化频率高、微变形难以精确测量的难题, 设计一种基于电容检测芯片Pcap01-AD和STM32F103的镜面变形检测系统。首先, 根据音圈电机驱动的变形镜的特点提出基于电容位移传感的变形镜微变形测量方案。然后, 进行该测量系统的硬件和软件设计, 其中硬件部分由电容检测芯片Pcap01接口电路、单片机STM31F103最小系统和供电部分构成, 软件部分包括实现电容数字信号采集的C程序设计、Pcap01-AD与单片机的通讯程序和数据处理程序。最后, 设计实验平台进行多次试验。试验测试结果表明, 在变形镜±50 μm的位移区间内, 测量灵敏度为200 pF/3 μm, 10 nm的位移量对应的电容变化为0.067 pF。该系统测量精度高、误差小、检测效率高, 能够用于自适应镜面的变形检测, 同时也适用于其他微小位移的检测。

本文设计了一种由压电陶瓷驱动的应变片进行检测的平面三自由度纳米定位平台, 该平台采用的是平板铰链、直圆铰链及单边V型铰链导向的3-PRR结构。通过建立平台的伪刚体模型及对其进行位姿分析, 获得了平台的正、逆解。同时, 运用有限元分析方法对平台进行了仿真分析。搭建了3-PRR平面三自由度纳米定位平台测试实验系统对所设计平台进行试验。实验结果显示: 3-PRR平台沿x轴、y轴的行程及最大转角分别为-11.32~11.41 μm、-12.47~12.76 μm、3.63′, 对应的分辨率分别为71 nm、83 nm、1.35″。理论分析结果、有限元仿真结果与实验结果的最大误差分别为587%、6.19%, 验证了理论分析和有限元仿真的正确性。x轴及y轴的位移输出与应变片的输出电压近似呈正比关系, 证实了利用应变片来检测3-PRR平台运动的可行性。

提出一种基于新型多芯少模光纤模式干涉原理的位移传感器，该传感器由两段单模光纤和一段多芯少模光纤组成。研究了该传感器的实现原理，并实验验证。实验结果表明当光纤轴向被拉伸0~60 μm时，该新型传感器的检测灵敏度为-61.17 pm/μm，与理论计算结果之间的误差小于3.9%。因此，当使用高分辨率光谱仪作为接收器时，该传感器可检测17 nm的位移变化。