基于8098的高精度标准气体流量测控仪--《自动化仪表》2003年12期
基于8098的高精度标准气体流量测控仪
【摘要】：研究了利用涡街流量计和 80 98单片机设计高精度标准气体流量测控仪的方法。介绍了测控仪的硬件组成原理、测控电路以及软件功能和流程。实际运行结果表明 ,该系统具有结构简单、功能完善、测控精度高、抗干扰能力强等特点。
【作者单位】：
【分类号】：TH814
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调制式激光三角法高精度测距技术研究
⑧中国近代第～所大学天津大謦一■Ｋ－●■■０●爿，：●¨■■¨ａ■■■＿学科专业：型丛过量堇鲞垄堡墨作者姓名：张玉贵 指导教师：殷发阶教授硕士学位论文干洼＋堂５耳宓毕障２００５年７月中文摘要中文摘要激光三角法测距技术是一种重要的非接触式测距技术，在工业控制生产、工 业自动化生产中都有着广阔的应用。本文基于传统的非接触式光三角法测量原 理，利用ＰＳＤ进行光电转换，通过电路处理，实现了正弦波光强调制式的高精度 测距。 本文创新点在于：设计了一种高稳定的正弦波光强调制方案；建立了一种基 于电路的误差补偿模型，对原理的非线性误差进行了校正；建立了电路噪声模型及温漂模型，并进行低噪寻优。最终研制出实验样机，通过双频激光干涉仪的比对实验，对非线性误差校正前后的数据进行端点连线平移直线拟合仿真，取得了良好的预期效果。实验结果表明：仪器士１０ｍｍ测量范围内，分辨力不低于１ｕｍ， 误差校正后的非线性度提高近一个数量级，在１．４％０附近，验证了所选方案的可行性。 论文的主要工作包括以下几个方面： １、基于光强随动原理，利用高精度的正弦波对激光调制，开发出高稳定的 正弦波光强调制的半导体激光光源，有效地抑制了背景光、温漂等环境因素的干 扰。其光强稳定，频率单一，谐波失真小，与方波光强调制相比，有用信号的能量非常集中，便于解调，可以达到很高的信噪比； ２、根据ＰＳＤ的两路输出及ＡＤ５３４的特点，针对原理带来的非线性误差建立了数学补偿模型，开发了一种基于硬件电路的非线性误差校正技术，实时性好， 可获得更高的控制精度； ３、基于运放实际模型和电阻噪声模型，建立电路的噪声模型及温漂模型，并进行低噪寻优，大大降低了系统噪声，提高了仪器分辨力； ４、建立各环节电路的数学模型，通过细致的参数计算、取系歹０化值和Ｍａｔｌａｂ传递函数仿真，保证了电路的准确性和可靠性； ５、建立光学设计的数学模型，根据仪器测量范围及精度的要求，对光学参数进行优化设计，分析了接收光强、成像光斑对系统测量误差的影响； ６、基于ＥＭＣ技术，根据电路模块传输信号类型和功耗的不同，从原理设计出发到ＰＣＢ绘制、模块布局进行抗干扰设计，极大的抑制了低频噪声。关键词：光三角法，位移测量，ＰＳＤ，光强调制，误差校正，噪声模型，滤波器英文摘要ＡｂｓｔｒａｅｔＡｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｎｏｎ??ｃｏｎｔａｃｔｉｓｄｉｓｔａｎｃｅ－?ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌａｓｅｒ ｔｒｉａｎｇｌｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄａｓｍｅｔｈｏｄｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｂａｓｅｄｏｎｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｏｐｔｉｃａｌａｓｔｒｉａｎｇｌｅｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ＰＳＤ ｉｓ ｅｘｐｌｏｉｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｏｆ ｓｉｎｅ?ｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔａｎｃｅ―ｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．‰ｅａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｒｅ：ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆｈｉｇｈ ｓｔａｂｌｅ ｓｉｎｅ―ｗａｖｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｅｒｒｏｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｗｏｒｋｅｄ ｏｕｔ；ｔｈｅｎｏｎ―ｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ；ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔｏｎｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄｏｆｐｒｉｎｃｉｐｌｅｎｏｉｓｅ ｍｏｄｕｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｉｆｔ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ。Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｅｎｄｐｏｉｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄＶＳｔｗｏ“爵ｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｉｔｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍｅｄｔｈａｎｂａｓｅＯｉｌｔｈｅ ｄａｔａ ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒ ｎｏｎ―ｌｉｎｅａｒｅｒｒｏｒａｎｄｅｘｐｅｃｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈｅ 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ｌｏｗ―ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｉｓｅ ｉｓ ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｅｐＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｔｒｉａｎｇｌｅｍｅｔｈｏｄ，ｄｉｓｐｌａｅｅｍｅｎｔ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇ，ＰＳＤ，ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ｎｏｉｓｅ ｍｏｄｕｌｅ，ｆ＇ｄｔｅｒ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得．盘叠盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：衣夤二簧签字占期：珊７月玎日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解．丞生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明）’学位论文作者签名：隰玉甍导师签名段发暇ｏ，年７月２５，日签字日期：立卯亨年７月玎日签字日期：第～童绪论第一章绪论１．１课题背景”随着工业生产中加工精度和自动化程度的不断提高，特别是汽车工业、家用电器工业、模型模具工业的发展对自由曲面的高精度、快速测量的要求愈来愈多，急需～种快速、自动化程度高、适于在线检测、高精度的非接触测量方法。目前位移测量中常用的测量方法大致有以下几类：１、 ２、 ３、机械法：如光学机械法、杠杆测量法等； 电学法：如电阻法、电容法、电感法等； 光电法：如干涉法、偏光法、扫描电镜等。在以上方法中，机械法属于接触式测量，无法满足非接触测量的需要；电学法中的电阻法也属于接触测量，电容法虽为非接触式测量，但量程小、精度低、 对被测工件材料有一定要求；光电法是一种较为成熟的测量方法，测量分辨率较 高（有的方法分辨率可达１ｒｉｍ以下），但采用光电法原理的测量仪器通常仅适用 于计量室环境，不适合生产现场的在线检测。 近几十年来各种高性能光电器件发展迅速并不断完善，促使了光电非接触测量的长足发展。光电位移传感器成为目前较为活跃的非接触测量方法，其中，传 统的测量物体位移的激光三角法有了崭新的发展空间，并且非常适合于目前工业 现场需求的一种测量方法。它是利用光源发光照射于被测物体上，再利用探测光 点或光条位置的光电器件，如光电管阵列、电荷耦合器件ＣＣＤ、位置敏感器件 ＰＳＤ等接收来自被测面的反射或散射光，使其成像于光电器件上，由于被测面位 移而引起的接收面上光点或光条位置的变化。测出该位置的变化量，即可通过三角关系计算出被测面的位移值。１．２激光三角法测距特点”“１羽激光三角法测距最基本的结构是单发射单接收式测头，测量光的接收形式可以是散射光接收，也可以是反射光接收，单发射单接收式三角法测头结构紧凑，工作距离大，且测量速度快，最适合于在线测量及三坐标测量机的非接触扫描测量使用。第一童绪论结合工业需求，本文详细研究了激光三角法测距技术，该技术具有其它测量 方法难以比拟的优点：ｌ、采用半导体激光器，测量仪器体积小；２、半导体激光 方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性好、测量精度高；３、 可与计算机结合，组成测量自动化程度较高的智能型量仪；４、可在生产现场实 现在线检测；５、由于测量原理属于非接触式测量，因此对被测工件材料无特殊 要求，既可测量金属材料，也可测量非金属及柔软材料。１．３研究动态目前国外在单发射单接收式三角位移测量上已达到一定的水平，日本研制的 激光三角法位移传感器精度较高的一般测量范围几毫米至上百毫米，相对分辨率千分之一左右，线性度在百分之零点几。国内也有许多单位进行研制工作，比国外同类产品的精度要差一些。目前，激光三角法测距技术存在的问题是：１、环境背景光、温漂影响严重，不适于现在作业；２、分辨力低，精度不高；３、原理非线性误差大，测量的线性度低。当今研究的热点也是围绕如何解决以上问题来 展开的。１．３．１光强调制技术”、”１由于工业现场的工作条件较为恶劣，背景光、温度等因素对测距精度有很大影响，为了提高激光测距技术的抗干扰能力，有的对光源脉进行冲驱动调制［］ 或方波光强调制，由于半导体激光器抗“浪涌”电流的能力非常弱，在设计这种光强调制方式时，往往采用自动电路控制（ＡＣＣ）电路，使注入半导体激光器的电流保持恒定，使电路具有慢起动功能，保护激光器免遭“浪涌”电流的损坏。 另外，为提高半导体激光器的抗静电能力，需设计一定的防静电措施，针对输出 光强还需设计监测半导体激光器的光输出监测电路。这种调试方式能在一定程度上解决现场温漂的问题，但也有如下缺点：１、“浪涌”电路不利于半导体激光器 的工作，会加速激光器老化，缩短其使用寿命；２、脉冲或方波信号频率成分复 杂，有用信号的能量在频谱上分散，利用率低，不利于有用信号与噪声的分离、 提取。１．３．２误差源研究随着工业的发展，生产过程中对控制精度的提高也越来越高，目前激光三角法测距技术的测量精度已经不能满足工业生产的要求。为了提高其测量精度，对 激光三角法的误差来源的研究占了很大部分，主要的研究方面如下：第童绪论结合工业需求，本文详细研究了激光三角法测距技术，该技术具有其它测量 方法难以比拟的优点：１、采用半导体激光器，测量仪器体积小；２、、Ｆ导体激光 方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性好、测量精度高；３、 可与计算机结合，组成测量自动化程度较高的智能型量仪；４、可在生产现场实 现在线检测：５、由于测量原理属于非接触式测量，因此对被测［件材料无特殊要求，既可测量金属材料，也可测量非金属及柔软材料。１．３研究动态目前困外在单发射单接收式三角位移测量上已达到一定的水平，Ｈ本研制的激光三角法位移传感器精度较高的一般测量范围几毫米至上百毫米，相对分辨率 千分之一左右，线性度在百分之零点几。国内也有许多单位进行研制工作，比国 外同类产品的精度要差一些。目前，激光三角法测距技术存在的问题是：１、环 境背景光、温漂影响严重，不适于现在作业；２、分辨力低，精度不高；３、原理 非线性误差大，测量的线性度低。当今研究的热点也是围绕如何解决以Ｆ问题来展开的。１．３１光强调制技术“、“１ 由于工业现场的工作条件较为恶劣，背景光、温度等因素对测距精度有很大影响，为了提高激光测距技术的抗干扰能力，有的对光源脉进行冲驱动调制［］ 或方波光强调制，由于半导体激光器抗“浪涌”电流的能力非常弱，在漫计这种 光强调制方式时，往往采用自动电路控制（ＡＣＣ）电路，使注入半导体激光器的 电流保持恒定，使电路具有幔起动功能，保护激光器免遭“浪涌”电流的损坏。 另外，为提高半导体激光器的抗静电能力，需设计一定的防静电措施，针对输出 光强还需设计监测半导体激光器的光输出监测电路。这种调试方式能在一定程度 上解决现场温漂的问题，但也有如下缺点：１、“浪涌”电路不利于半导体激光器 的工作，会加速激光器老化，缩短其使用寿命；２、脉冲或方波信号频率成分复杂，有＿ｒＩ］信号的能量在频谱上分散，利用率低，不利于有用信号与噪声的分离、 提取。１．３．２误差源研究随着工业的发展，生产过程中对控制精度的提高也越来越高，目前激光三角 法测距技术的测量精度已经不能满足工、『ｋ生产的要求。为了提高其测量精度，对 激光二角法的误差柬源的研究占了很大部分，主要的研究方面如下： 激光三角法的误差来源的研究占了很大部分，＝ｊ三要的研究方面如下：－２－第一童绪论结合工业需求，本文详细研究了激光三角法测距技术，该技术具有其它测量 方法难以比拟的优点：ｌ、采用半导体激光器，测量仪器体积小；２、半导体激光 方向性好，光功率高，从而使测量仪器分辨率高、稳定性好、测量精度高；３、 可与计算机结合，组成测量自动化程度较高的智能型量仪；４、可在生产现场实 现在线检测；５、由于测量原理属于非接触式测量，因此对被测工件材料无特殊 要求，既可测量金属材料，也可测量非金属及柔软材料。１．３研究动态目前国外在单发射单接收式三角位移测量上已达到一定的水平，日本研制的 激光三角法位移传感器精度较高的一般测量范围几毫米至上百毫米，相对分辨率千分之一左右，线性度在百分之零点几。国内也有许多单位进行研制工作，比国外同类产品的精度要差一些。目前，激光三角法测距技术存在的问题是：１、环境背景光、温漂影响严重，不适于现在作业；２、分辨力低，精度不高；３、原理非线性误差大，测量的线性度低。当今研究的热点也是围绕如何解决以上问题来 展开的。１．３．１光强调制技术”、”１由于工业现场的工作条件较为恶劣，背景光、温度等因素对测距精度有很大影响，为了提高激光测距技术的抗干扰能力，有的对光源脉进行冲驱动调制［］ 或方波光强调制，由于半导体激光器抗“浪涌”电流的能力非常弱，在设计这种光强调制方式时，往往采用自动电路控制（ＡＣＣ）电路，使注入半导体激光器的电流保持恒定，使电路具有慢起动功能，保护激光器免遭“浪涌”电流的损坏。 另外，为提高半导体激光器的抗静电能力，需设计一定的防静电措施，针对输出 光强还需设计监测半导体激光器的光输出监测电路。这种调试方式能在一定程度上解决现场温漂的问题，但也有如下缺点：１、“浪涌”电路不利于半导体激光器 的工作，会加速激光器老化，缩短其使用寿命；２、脉冲或方波信号频率成分复 杂，有用信号的能量在频谱上分散，利用率低，不利于有用信号与噪声的分离、 提取。１．３．２误差源研究随着工业的发展，生产过程中对控制精度的提高也越来越高，目前激光三角法测距技术的测量精度已经不能满足工业生产的要求。为了提高其测量精度，对 激光三角法的误差来源的研究占了很大部分，主要的研究方面如下：第一童绪论１、基于位置敏感探测器ＰＳＤ的误差源““”３ ＰＳＤ是一种对入射光斑位置敏感的光电器件，其工作原理是基于大面积ＰＮ 结的横向光电效应。ＰＳＤ进行位置检测误差时，其位置误差具有中间小、四周大 的特点。它包括光敏层电阻率的影响和负载电阻的影响，前者影响的特点是关于 原点对称，即从原点到边缘，误差先变大后变小，中间点和边缘点的误差均为零； 后者影响的特点是也是关于原点对称，但从原点到边缘，误差一直线性变大，两 者的共同作用与时间ＰＳＤ的位置误差曲线相近。 从ＰＳＤ及三角结构布局出发，认为ＰＳＤ不同位置取向时激光三角法测距的分 辨率与测量范围有对应的关系，从而可以减小误差的影响：ａ、ＰＳＤ倾斜放置与垂直放置，物距对分辨率的影响趋势相同，物距越小，分辨率越大；ｂ、在ＰＳＤ不同位置取向时，物体倾斜角对分辨率的影响相反，在恒聚焦光路下，倾斜角越大，分辨率越低；而在ＰＳＤ垂直放置时，分辨率随倾斜角的增大而增大；Ｃ、恒聚焦光路时，物面的不同位置分辨率影响极大，在物位移正向测量范围的临界处，分辨率趋于无穷大，ＰＳＤ垂直放置时，影响趋势一样，物位移越往正，分辨率越高。２、基于被测物面性状的误差源“”２“” ａ、表面粗糙度与光泽、纹理 被测表面的光泽和粗糙度对测量结果的影响关系到散射光斑的形状和光强分布。一般情况下，当被测表面粗糙度的值较低或光泽比较明亮时，会使激光束 在产生漫反射的同时发生较强的镜面反射，反射光强常会引起测量报警或造成较大测量误差。被测表面光泽暗淡有利于激光位移传感器的正常工作。表面粗糙度过大，表面凸凹不平，则激光束照射到表面凸凹顶处或边界时，光斑形状发生较 大的变化，会引起光敏元件输出不稳定，甚至出错报警。研究表明，在其他条件 不变的情况下，被测表面的粗糙度在０．４～３．Ｏｕｍ范围内对激光位移传感器的测量精度影响不大；超出这个范围则需考虑数据补充或对被测表面进行预处理。金属 表面加工时会存在一定方向的纹理，它对测量的精度也有一定的影响，为了减小这 种因素的影响，测量中须使工作平面平行 于加工纹理，可接收到足够的光强，有利 于提高测量分辨率。为了稳定测量，同时图１－３．１纹理表面测距方案二ｊ薄：～…ＮＩ ｊ Ｅ●一、ｎｏ ｌ―ｌｌＩＩ巷犀龟光ｌ，．址！：尸…一须使测量头偏一角度，控制接收测量光强如图卜３―１，便于提高测量精度。ｂ、表面颜色第一章绪论目前，国内外最常见的被测物体为金属、木模或经过表面处理的油泥模型表 面。其表面的颜色多变。而目前常用发射激光为接近红外部分的红光，因不同的 被测表面颜色对该色光的吸收程度 不～，在其它条件不变的前提下，仅 表面颜色的变化就会造成测量结果目咖 淄 呲的差异。如图１。３―２所示，研究结果器 ㈣哪 表明：被测物体表面的颜色为红色和 啦 灰色时，测量精度最高；表面颜色为 州１ ２ ３ ｔ ５ ６ ７ ８ ９桔黄色和黄色时，误差曲线基本吻进缩位穆］ｍｍ合；表面颜色为蓝色和绿色时，误差偏移稍大：而表面颜色为黑色时，测 量误差偏移最大。这是因为黑色物体图１－３．２被测物体表面崩色酌移响 ◇一虹色；＊一灰色；可一枯黄色；△一黄色 。一蓝邑；口一糠色；☆一黑色吸收光能最多，散射光斑光强很弱，位置探测器得到的光能很少，引起较大的非线性误差。试验同时表明数据的重复度比较好，因而针对不同颜色的被测表面， 应与出厂标定值为基础，做出特定的误差补偿曲线，以保证测量精度。 ｃ、被测物体表面倾斜 激光三角法测量的重要假定是发射光束始终与被测物体表面法线方向一致。约定被测表面上入射光点处的法线与入射光方向不重合时称被测表面发生了倾斜，其夹角称为倾斜角。随着被测表面倾斜角的不同，入射光点所产生的散射光 空间分布将发生变化，从而使接收透镜在单位立体角、单位时间内接收到的光能 量发生变化。这就使得光电接收面上的像光斑光能质心相对其几何中心产生偏移。配套的光电检测元件（如ＰＳＤ）检测的是投射到其上的光斑的光能质心的位 置，而不是其几何中心的位置，这种变 化的光能分布，将造成在ＰＳＤ上像光斑 的光能质心相对于其几何中心发生偏 移。这样实际测量结果与三角法测量原 理公式的理论计算结果有一定偏差量，这是表面倾斜带来误差的主要原因之ｂ隐，ｌｍ面衄＾，。星萋一。目前研究均假设以被测物体表面为 理想的漫散射表面为假设前提，将其散图１－３．３被潮曲面惺角于测量误差关系田射光的空间分布用朗伯定律表达，建立研究ＰＳＤ光能质心与被测表面倾斜角和激光束位移量的数学模型。但实际测量中，反射光是永远存在的，散射光对称分布 于反射光斑周围，且反射光强相对集中，不可忽略。如图卜３―３所示为某一型号第一童绪论的非接触激光位移传感器进行相关试验，对测量数据整理后绘制的测量表面倾角 变化对误差影响图。数据表明，误差随表面倾角的增大而增加。此外，还有被测表面的曲率半径等都会测量结果产生一定的影响。１．３．３仪器标定技术。”“、３“由于激光三角法测距原理存在非线性，致使该类测距仪器的线性度较低，故 仪器标定方面有许多研究成果以期解决该类问题。目前，常用的标定方法有如下 几种： ａ、单直线线性标定法这种标定方法是在整个量程范围内采用一条直线进行标定的，一般采用过零直线旋转拟合、端点连线拟合、端点连线平移拟合、最小直线包容拟合及最小二乘法直线拟合等方式，是应用非常普遍的一种标定方法，适于小量程测距的标定。但对于大量程测距仪器，无论哪种拟合方式，其残差都是相当大的。ｂ、逐段折线逼近法 任何一条曲线，置于坐标系里，都可以用固定长的小区间对它进行分割，区间越小，历分割的区间越多，将各段区间线性化，各线段就越接近待标曲线。这种标定方法能弥补前一种标定方法的不足，可使标定残差大为减小，适于大量程测距的标定。分段越多，线性化后的残差越小，但同时使用起来就越不方便。故 在测量误差允许的范围内，应尽量减小分段数。ｃ、误差拟合曲线补偿法 这种方法是从实验中测得几组位移与输出对应关系的可靠数据，对其取平均 后用最小二乘法拟合出一条满足精度要求的曲线，以此作为准标定线求出误差变 化，对误差拟合后加到准标定线上就得到实际的标定曲线。此外，对不同参数测 量系统或不同的精度要求，拟合多项式的项数将有差异，精度越高，项数越多， 计算趋于复杂。文献资料表明，该方法是一种有效的标定方法。１．４本文研究主要内容基于该类仪器在工业现场使用中存在以下问题：１、由于以前所用光强调制技术不够好或根本未加调制，致使现场使用温漂 大，受现场环境干扰严重；２、受该测距原理限制，非线性误差大，线性度低； ３、精度不够高，难以满足工业控制精度的要求。 本文提出自行解决的方案如下：第一蕈绪论ｌ、设计高稳定的正弦波发生器，对半导体激光进行光强调制，使输出高稳定的正弦波光强。通过解调技术，很好的解决了系统直流漂移，现场温漂也得到了有效抑制；并且由于正弦波频率单一，谐波失真小，可以使有用信号与噪声很好的分离，为信号高放大倍数打下了基础。２、依据系统原理非线性误差的特点，结合具体电路，提出一种基于硬件电路的有效的非线性误差校正的方法。３、对电路噪声、失调模型进行精细分析，并寻优，使终级输出噪声大大减小，有效的提高了测量分辨率，从而提高了测距精度。 此外，本文研究的工作有以下方面： ｌ、～系列电路的设计、精密计算及ＰＣＢ制图，其中各个环节的几乎每个参 数都从理论上作了计算，部分在Ｐｓｐｉｃｅ、Ｍａｔｌａｂ里作了仿真。 ２、基于电磁兼容的系统抗干扰布线（文中仅给出最终的布线模型图），且在 绘制ＰＣＢ图时从尽量ＥＭＣ角度出发做到使电路效果最好。 ３、光学设计方面的精确计算，包括光路、接收光强、像光斑尺寸等对测量 结果的影响。 ４、机械方面的设计、计算（文中略去）及加工，在ＡＵＴＯＣＡＤ里画出了机 械图，并在设计过程中在ＭＤＴ软件中作了三维布局效果图。 ５、调试工作，由于信号较微弱，处理电路复杂，参数选取未能一选即合适，在调试过程中作了大量反复的计算与实验（文中仅将最终调试好的结果给出）。６、数据采集、处理与分析，对采集数据主要是在Ｍａｔｌａｂ里编程做了处理与 分析。 最终研制出了实验样机，并取得了良好的预期效果：仪器量程士１０ｍｍ，分辨 率ｌｕｍ，线性度１．４％０左右。本页已使用福昕阅读器进行编辑。 福昕软件（Ｃ）２００５－２００７，版权所有， 仅供试用。第二章 仪器原理及非线性分析第二章仪器原理及非线性误差分析本章的思路是从仪器的工作原理出发，介绍光三角法的两种工作方式及ＰＳＤ 的一般性能，针对本仪器的参数要求对ＰＳＤ进行了选型，然后对光学设计进行了 计算并阐述了仪器工作原理带来的非线性误差及几种解决方案。２．１光三角法测量原理口““１近年来，随着半导体激光器、光电位置探测器件ＰＳＤ和ＣＣＤ的出现及性能 的不断完善，三角法在位移和物体表面的测量中得以广泛应用。下面是单点式光三角法测量原理。单点式光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。直射式三角法测 量原理如图２．１．１所示，激光器发出的坚寸丛塑也超≥。光线，经过会聚透镜聚焦后垂直入射到 被测物体表面上，物体移动或表面变 化，导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光，Ａ，ｆ并将其成像在光电位置探测器ｆ如 ＰＳＤ，ＣＣＤ）敏感面上。若光点在成像面上的位移为ｘ’，按下式可求出被测面 的位移ｘＸ７图２．１．１直射式结构２瓦忑万１ｊ７／ｘ１忑面（２?１?１）式中，ａ为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；ｂ为接 收透镜后主面到成像面中心点的距离；臼为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。图２－１．２为斜射式三角法测量原理图。激光器发出的光和被测面的法线成一定角度入射到被测面上，同样用一接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射 光，若光点的像在探测器敏感面上移动ｘ’，则物体表面沿法线方向的移动距离ｘ：ｂｓｉｎ（０１＋０２）一一ｃｏｓ（Ｂ＋０２）竺。！！！刍（２－Ｉ－２）式中，０ｔ为激光束光轴和被测面法线的夹角；０ｚ为成像透镜光轴和被测面法线的夹角。第二蕈仪器原理及非线性分析直射式和斜射式有如下特点。 １）斜射式可接收来自被测物体的正反射光，当被测物表面为镜面时，不会 由于．散射光过弱而导致光点探测器输出信号太小，使得测量无法进行。直 射式由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面。 ２）在被测物体表面发生如图２一卜２所示位移Ｘ时，斜射式入射光光点照射 在物体不同的点上。因此，无法知道被测物体某点的位移情况，而直射式 却可以。 ３）斜射式传感器分辨力高于直射式，但它测量范围小、体积大。图２．１．２斜射式结构根据三角法测量原理制成的仪器被称为激光三角位移传感器。一般采用半导体激光器（ＬＤ）作光源，功率在５ｒａｗ左右，动态响应快，后续处理电路简单，但 线性差，需要精确标定。 目前斜射式三角位移传感器有日本Ｋｅｙｅｎｃｅ公司的ＬＤ系列，而直射式有Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司生产的ＯＰ２、Ｋｅｙｅｎｃｅ生产的Ｌｃ系列和ＬＢ系列等多种型号。表中列出了目前常用的激光三角位移传感器的技术指标。其中，美国ＭＥＤＡＩ｛公司生产 的２１０１型及Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司生产的ＯＰ２型是专门配置在三坐标机上用于测量物体 三维彤貌。厂家表２～卜ｌ激光三角位移传感器的技术指标 型号 工作距离 测量范围 分辨力（ｍｍ）线形（衄）（ｍｍ）±２．５ ±３（ｕｍ）２ Ｏ．２ １５ ３ＭＥＤＡＲ ＫＥＹＥＮＣＥ２１０ｌ ＬＣ一２２２０２５ ３０第二章仪器原理及非线性分析ＫＥＹＥＮＣＥ ＲＥＮＩＳ｝ＬＡＷ ＰＡＮＡＳＯＮＩＣＬＢ７２ ＯＰ２ ３ＡＬＡ７５４０ ２０ ７５±１０ ±２２ ｌ±１％ ｌＯ ±１％±２５５０２．２三角法测距原理公式推导及分析１、直射式测距原理结构 如图２一卜１被测物体表面移动ｘ，反映到接收器ＰＳＤ上光斑移动为ｘ’，接收透镜焦距为ｆ，其余参数如图中示。 在ＡＡＢＣ中，由正弦定理得ｓｉｎ（８一只）ｓｉｎＯｘ！：土ｊ ｘ：竺墅里垦（２－２－１）ｓｉｎ（ｐ一以）（２．２―２）由ｓｉｎ（Ｏ一以）＝ｓｉｎ目ｃｏｓ良一ｃｏｓＯｓｉｎＯ，可把（２～２―１）式整理如下：ｘ：―――――竺――～ｓｉｎＯ?ｃｔｇ以一ｃｏｓＯ工在直角△ｃＤＥ（ＺＣＤＥ＝９０。）中，ｃ增色＝＿ｂ，将其代入（２．２―２）式中，可得ｘ：兰Ｘ’：竺（２．２．３）ｓｉｎＯ．鱼一ｃｏｓ目６。ｓｉｎｏ―ｘ’ＣＯＳ０即为（２．１．１）式。 ２、直斜射式测距原理结构 在△ＡＢＣ中，由正弦定理得 参数的意义同上，并示于图２．２―２中。同理，――――生―一；―！一 ｓｉｎ（Ｏ，＋ｄ２―８１）ｓｉｎ甘。（２．２．４）在直角△ＣＤＥ（ＺＣＤＥ＝９０。）中，ｃｔｇＯ。＝＿ｂ，此时（Ｂ＋岛）相当于前者中的ｅ。 故有。ｙ：――――――』兰＿――一ｂ－ｓｉｎ（ｑ＋岛）一ｘ７ｃｏｓ（Ｏｌ＋０２）ｂ（２―２―５）显然，ｘ＝ｙｅｏｓ０１，易得ｚ：―＿―型竺旦―膏，即（２＿１．２）式。ｓｉｎ（ｑ＋岛）一ｘ’ｃｏｓ（岛＋岛）笺二蠢｛义器爨建及蠢线｛瞧分褥对（２．１．１）式，不可能取０―９０。，这样ＰＳＤ很难接收到光，分母中ｘ’ＣＯＳ口≠０，不可避免的会从原理上带来非线性误差（具体影响见本章第四节非线性误差计 算）。对（２，１＊２）式，只要选取（双＋职）＝９００，即可从原理上保证测量的线性化， 如选取最＝反＝４５０，这释接牧瓣光龟最强。毽这榉瓷会带来琵个润题：一是绩 仪器体积变大；另一个问题是，如果物体表面不平熬，所测的物体表面位移就可能会出现粗大误差。如图２．２―１示，由于ＰＳＤ接收到的不是来自物体同一点的象， 测出来的位移就有可能与物体的实际位移差很多。豳２－２．１篱射式灏｝嚣疆串物面不平对测量昀影镌所以，衣设计时选用了直射戏测距结构，但非线性误差是相当大的（见本章 ２．８节非线性淤差计算），不容忽略，必须设法予以校正（见本章２．５节线性化寻 优及２。１０节｛＃绫性误差校正）。２．３ＰＳＤ工作原理及应用分析‘“１２。３。ｉＰＳＤ爰佳潦理－｛鑫．第＝童仪器原理及非线性分析位置敏感器件（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ，简称ＰＳＤ）是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池。ＰＳＤ’有两种：一维ＰＳＤ和二维 ＰＳＤ。一维ＰＳＤ用于测定光点的一维坐标位置，二维ＰＳＤ用于测定光点的二维 坐标位置，工作原理与一维ＰＳＤ相似。ＰＳＤ的基本结构如图所示。●－。－－麟广］驻ｉ颡嚣燃ＬＪ五―～川厂 ］簇瑟懿鼹爨疆 麓蕊Ｉ霪塞鼹羧毪嚣霆霪燃３塞霪黢溪嚣嚣嫠绶陵｝五图２―３―１ＰＳＤ结构示意图ＰＳＤ一般为ＰＩＮ结构。在硅板的底层表面上以胶合方式制成二片均匀的Ｐ和 Ｎ电阻层之间注入离子而产生电子Ｉ层，即本征层。在Ｐ层表面电阻层的两端各设置一输出极。当一束具有一定强度的光点照射到ＰＳＤ的Ｉ层时，光点附近就会 产生电子空穴对，在ＰＮ结电场的作用下，空穴进入Ｐ区，电子进入Ｎ区。由于 Ｐ区杂质浓度相对较高，空穴迅速沿Ｐ区表面向两侧扩散，最终导致Ｐ层空穴横 向浓度呈梯度变化，这时同一层面上的不同位置呈现一定的电位差，这种现象称 为横向光电效应。ＰＳＤ通常工作在反向偏压状态，即ＰＳＤ的公用极３接正电压， 输出极１和２分别接地，这时流经电极３的电流Ｉｏ与入射光的强度成正比，流经电极１、２的电流Ｉ。、Ｉ。与入射光的强度和入射点的位置有关，由于Ｐ层为均 匀的电阻层，因此Ｉ，、Ｉ。与光点到相应电极的距离成反比，并且Ｉｏ＝Ｉ，＋Ｉ：。如果 将坐标原点设在器件的中心点，Ｉ，、Ｉ。与Ｉｏ具有如下关系：１ １，ｌ＝音（１－ｉ，Ｘ』）Ｊ。 山二 １ ’（２―３―１） （２―３―２）Ｊ２＝寺（１＋÷髟），。 Ｌ上式中１．――ＰＳＤ的长度；由以上两式，得ＸＡ一入射点的位置。羁＝争措三下：（２．３―３）一般ＰＳＤ的输出处理电路是将两路信号相加、 相减后再相除，则输出信号如第二颦仪器濠理及菲线性分析Ｐ。：丘１ ２＝！！：２Ⅸ曼互“（２．３―４）ｊ２＋』｛上冀中，Ｋ莛一交换系数，麴零要爱鬟豹电流一逛压转换。欤上式可知，ＰＳＤ 测量缭聚ＸＡ与Ｉ；、Ｉ。比镄有关，入射光强的变化不影响测量绪槊，这给测量带 来了极大的方便。 ＰＳＤ具有高灵敏度、商分辨力、响应速度快和配置电路简单等优点。在位置坐标的精确测量上，兵器制鼹和跟踪、工业自动化控制或位置变化镑技术领域得至《越来越广泛戆应用。２．３．２ＰＳＤ模型分析瓤《ＰＳＯ壤鹜气筒纯圈Ｇ占ＮＤＰＳＤ内部等效图图２－３－２鬻中，Ｖｇ为于魏滚。爨钵攘导如下：蹦ｎ＝∞，，毒。出第二章仪器原理及非线性分析觑：兰！！翌±堡 月，／／―二＋Ｒ。ＣｉＳ（毋∥亩’咖协．Ｒｊ／／上每；＋Ｒ彤?ｉ Ｒ＋玛＋ＲＲｊｃｊｓ魄ｊ啪去＋Ｒ．（１＋ＲｊＣｊＳ）喙Ｒ＋码七ＲＲｊＣｊＳ：旦．！＋―Ｌ．！±生空降Ｒ＋可１＋』盟ｃｊｓ。Ｒ＋Ｒｊ １＋』盟ＣｊＳ’６前一项为惯性环节，即一阶低通，后一项为类带通环节。可知，它对高频信 号有一定的抑制作用，所以信号频率越高，ＰＳＤ响应就会有失真。结电容Ｃｊ变小，ＰＳＤ的频响越高，要想它有较高的响应，需尽量减小Ｃｊ。提高反偏电压则能在一定程度上减小Ｃｊ。２．３．３ＰＳＤ使用分析ＰＳＤ的实际使用情况及其与相连的外界电路参数对ＰＳＤ的性能有一定的影响，下面进行一些简单的分析： １、入射光对ＰＳＤ性能的影响从理论上讲，入射光点的强度和尺寸大小对位置输出均无关。但当入射光点强度增大时，信号电极的输出光电流也增大， 有利于提高信噪比，从而提高器件的位置分辨率。当然，入射光点强度也不能太 大，以免引起器件饱和。此外，在选择光源时，应尽量选用与ＰＳＤ光谱响应有 良好匹配的光源，以充分利用光源发出的光能。 根据ＰＳＤ的工作原理，ＰＳＤ的位置输出只是与入射光点的光能“重心”位置有关，而与光点尺寸的大小无关，这给ＰＳＤ的使用提供了很大的便利。但当光点位置接近有效感光面边缘时，一部分光就要落到感光面之外，使落在有效感光面内的光点的“重心”位置偏离实际光点尺寸“重心”位置，从而使输出产生误差。光点越靠近边缘，误差越大。显然，入射光点的尺寸越大，边缘效应就越 严重，从而缩小了器件实际可使用的感光面范围。因此，尽管当入射光点全部落 在器件有效感光面内时，位置输出与光点大小无关，但为了减小边缘效应，入射光点的直径应尽量小一些。 ２、反偏电压对ＰＳＤ性能的影响 与ＰＩＮ光电二极管类似：加上反偏电压第二蕈仪器原理及非线性分析后，ＰＳＤ的感光灵敏度略有提高，并且结电容降低，这对提高ＰＳＤ的动态频响 是有利的。因此，ＰＳＤ在使用时均加上１０Ｖ左右的偏压。但加上反偏电压后会 使ＰＳＤ的暗电流也增大。 ３、背景光的影响 通常，ＰＳＤ在使用时总存在一定强度的背景光，背景光的存在将会影响器件的性能。假设背景光在两个信号电极上产生的光电流为 Ｉ’，则（２―３―１）（２．３．２）式应变为：１上’，：＝÷（１一手盖。），。＋１’ Ｌ１二，７Ｅ＝寺（１＋÷髟）Ｊ。＋Ｉ Ｌ 尸．＝足墨二量＝足Ｈ（２．３．３）式不变，而ｆ２．３．４）式相应地变为：生二生ｊ２＋ｊｔ＋２１１Ｉ：＋ｊ：＝２Ｋ―Ｌ．生（２－３－５）ｊｏ＋２ｊｔ Ｌ显然，当背景光强变化时，将引起位置输出的误差。并且，当背景较强时， 信号光点强度的变化也将影响位置输出。因此，背景光的存在对ＰＳＤ的使用时 很不利的。 消除背景光影响的方法有两种：光学法和的电学法。光学法时在ＰＳＤ感光面 上加上一片透过波长与信号光源匹配的干涉虑光片，滤掉大部分的背景光。电学法可以先检测出信号光源熄灭时的背景光的大小，然后点亮光源，将检测到的输 出信号减去背景光的成分。或者可以将光源以某一固定频率调制成脉冲光，对输出信号用锁相放大器进行同步检波，滤去背景光成分，再进行后续电路的处理， 就可以得到位置输出信号。４、使用环境温度的影响温度上升会引起器件的暗电流增大，一般来说，温度每上升１。ｃ暗电流就要增加１．１５倍（见下节ＰＳＤ参数表）。暗电流的存在不仅要带来误差和噪声，而且具有类似背景光产生的不利效应。采用光源调制、锁相放大解调的方式同样可以滤去暗电流的影响。 此外，温度变化对ＰＳＤ的光谱响应灵敏度在波长长时也有所影响。２．４ＰＳＤ的选型ＰＳＤ的选型是仪器的关键所在。首先介绍几种ＰＳＤ，使对ＰＳＤ有一个大致的 了解，以便进行选型。下面是滨松公司生产的几种一维ＰＳＤ，其性能参数如下：辫二蓬仪器原理及｛＃钱牲分析Ｔｙｐ。ＮＯ．｝，。。。。。。ｌ。Ｗ。。ｉ。ｒｚ。Ｊ。ｏ；ｗ．，ＩＡｃｔⅣＱ ａｍａ Ｒｅｖｅｒｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ ＯｐｅｒａｎｎｇｃｅｍＤｅｒａｔｕ ｒｅ咻酣０ｘ．ｆｖｌＴｏｐｒＳｔｏｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｓｔｑｆｍｍ，３ ｘ｛ ８ ｘ｛ １２ ３４ ３７ｘｆ４Ｃ，ｆ℃｛瑟３９３｛Ｓ ｛ ￥３２７０“ｌ。８ｌ｛黧貅―习黼一ｃ｜ｅｎ●时『ａ１ ｒｅＥｐｏｎｓｅ 怕ｎ日ｅ Ｎａｋｉ §Ｒ ＲｆＢ） Ｐｈｃ４ｎｘ＇２０．’０ｔｏ÷∞一１０ｔＯ＋７５－２０协＋８０２．５ｘ＇Ｉｈｌ日ｒｅＩｏｃｔｒｏｄ０ ｒｅｓｉｓｔ＆ｎｃｅ Ｒ船ＴｙｐｅＮｏ．嚣测”≯坤Ｉ妇如ｍ“Ｐｏ翟ｓｉｔｉ―ｏｎＶｂ－－－０．’Ｖ蛐！磊划搿￥芝ｖ｛ｖ嘲ｌ（ｐｍ｝ｌ娃Ｓ Ｔｙｐ．１Ｍ８ｘ．１ｎ１￥，批ｎｔｕ。ｒａｔ∥１０ｎＩ。…Ｄａｒｋ。 ｃ。ＴｅｆｆＩｉｍ㈣ｐ．Ｉ陋州ｍｌｂ｝ｌ女强 ｆ鸿；ｌｉ＃盎）ｌ｛啦辩ｌｍ≈矿链｛¨￥》４０ １０。１｛５ｅＴｓ ｒｍｌｎａＩ ：●∞嘶扑ｃ● Ｃｔ Ｐｏ ｓｊｔｉｏｎ ｔ髓ｏｌｕｆｏｎ‘Ｓ。童蹲｛２．５ＶＲ＝ＧＶ忙ｌＯ ｋＨｚ辑艰｝Ｓ３９７器 Ｓ３９３｛ 喜３９３２ Ｓ１３５２ Ｓ３２７０ ＿，．?‘（ｒｉｍ）ｌ驻槲》９２０淼蕊Ｔｙｐ．１怒１００ｌ｛４０ｌ’９０ｌ蝴ｌ轴Ｆ｝２０ ４０ ８０ｆ＃趣，０，｛ ０ ２ ０，３ ２１ ２ ８ｌ｛２０ｋ叫∞ｉ。工８１ ０．６ Ｏ占Ｓ３０｜∞ｌ１０ ｌ１０ Ｉ ２０ １５８０ ３０ ２０黧｜！蕊｜１００凳薯睦基＂；ｌ箍士１２５Ｉ上５００ｌ 州ＯＯｌ±４００１ 一Ｐｈｏｔｏ ２５０３００ ２。矗．ｌｆ１１５０Ｉｊ０．７ ｔ ０１５０１００９６００ ５ｌ ２０Ｉ■ＳｐｅｃｔｒａｌｒｅｓｏｏｇｓｅｓｅｎｓｉｔｉｖｊＩｙ ｌｅｍｐｅｒａｔｕｐｓ ｃｈａｍｃｔｏｒｉｓＬｉｃｓ－Ｘ’ｉｙ ≥划８３８３２，’夕，ｒ／， ⅥＦ＾●＿，ｌ一＿黼┃Ｚｍ－●。』”Ⅵ２铽ｌ未￡‘，ｌｏｐｏ∞ｉ∞１＃§ ｆ ｊｊＩ．／ ∥ Ｌ。＆蚰蠕，一。 ，；一扩 尺３３２ｈ０． 匹｛ｆ垂‘”§ＷＡＶＥＬＦＪｑＧＴＨ脚ｍ■龇ｍ ＣＵｆｆＯＲｔＩｏ从ＶＳ．ｒ＠ｖｅｒ５８ｖｏｌｔａｇｅｍ，ｉｎａｌ ｃａｐｃｉｔａｎｃ９ ｖｓ．－ｅｖ＠ｌ＇ｓ＠ｖｏＩ协ｇｅａｖ‰ⅣＹｏ＆ｔ舭聃ＥＧＡＴＬＯＶＥＳＲＥＲ－，卜埘＝“蚪矗―－口ｚ■ｕｏ删＊芷。馨ｚｐ一。｛ＲＥＲＳＥＶＯＬＴＡＧＥ｛ｖ｝第二章仪器原理及非线性分析［二二二二二二耍至二二二二］［二二二二二二堑［二二二二］■Ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔａｂｉｌｉｔｙ（Ｔａ＝２５。Ｃ．）．－－－９００ ｎｍ，ｓｐｏｔ ｌｉｇｈｔ ｓｉｚｅ；ｍＯ．２ ｍｍ）营３爱山Ｑ若掣岩Ｚ 坌 三金５－＇０．Ｏ ５Ｏ＋０５＋１０ＰＯＳＩＴＩＯＮ ｏＮＰＳｌ３（ｒａｍ）ＰＯＳＩＴＩＯＮ ＯＮＰＳＤ《ｍｍｊ一。８３９３２＋１５０薹。。 §！“ §堂。１ ｌ‘１∞．５０／／！竺！！！竺！型！竺！！竺！竺！竺竺！Ｌ｛占●｛｛?１ Ｏｉ塑！一１蚰 ｔ１幢．３耐．５碣。ＰｏＳ｝ＴＩｏＮＯＮＰｓＤ《ｍｍ）～一上述图表分别表示：光敏面尺寸；电气 和光学特性；光谱响应曲线；光敏感波 长的温度特性曲线；暗电流＆偏压特性 曲线；结电容＆偏压特性曲线；位置检测误差曲线。右图是几种ＰＳＤ的实物图。 所设计测距仪器的要求为：位移分 辨率６＝１ ｕｍ，量程Ｓ＝士ｌＯｍｍ，相对分 辨率为１／２００００。 由光三角法原理知，西＝――――竺．―一．ｘ。：―生．ｚ。：Ｉ／．ａｗｂ ｓｉｎ臼一ｘ ＣＯＳ口 ｂｓｉｎ目经分析，该测距系统选择￥３９７９比较合适，与以前使用的￥３９３２作简单对比，分析如下：￥３９７９的主要参数特点：分辨率高，其自身分辨力占，＝０．１，ｕｍ，有效感光长度Ｌ＝３ｎ＇ｍｌ，相对分辨力为１／３００００，体电阻大（１４０Ｋｆｌ ｔｙｐ．见上述图表中ＰＳＤ 电气和光学特性参数）。 根据仪器的分辨率要求，则利用光学成像这一环节可将像光斑的几何尺寸压 缩到物光斑的１／（１０Ｘ ｓｉｎＯ）。这对该测距系统有着重要意义，在本章２。３．３节第二章仪器原理及非线－性分析中已有简述，成像到ＰＳＤ上的小光斑光能更加集中，易于ＰＳＤ分辨，易于光能全 部照到ＰＳＤ上，能提高测量精度。由于目前ＬＤ光源的光斑最小到直径２ｍｍ左右， 且准直性差，被测物面前后移动１０ｒｍｎ，光斑有明显变化，加上像光斑的虚焦， 对原系统中使用的￥３９３２来说，会使像光斑直径大于ｌｍｍ，甚至于２ｍｍ。（见本章 ２．７节像光斑大小计算。）其次，利用￥３９７９可以选用短焦距透镜，降低仪器成本（一般来说，短焦透镜相对便宜一些），且能压缩像方截距，有利于仪器小型化，为实现小型化测头 提供了便利条件。 还有，￥３９７９为ｌ×３ｍｒｎ２，光敏面短，体积小，价格相对便宜。 体电阻大，有利于减小系统噪声（见４．２．２和４．２．３节运放噪声模型计算）。 其它参数上的优势：１、暗电流（ｔｙｐ．０．１ｎＡ），是￥３９３２的一半。２、位置检测误差线性。资料显示￥３９７９的位置检测误差几乎为线性，而￥３９３２的位置检测误差明显非线性，不利于非线性校正。３、上升时间短、结电容小，有利于提 高ＰＳＤ工作速度。￥３９７９（２．５ｕｓ，２０ｐＦ）＆Ｓ３９３２（３．Ｏｕｓ，８０ｐＦ）。４、饱和电流小（４０ｕｋ， ｔｙｐ．），经保守计算，ＰＳＤ接收光强不会使之饱和。２．５ＰＳＤ动态范围匹配取ａ＝１８０ｎ：ｍａ，ｂ＝３６ｒｍｎ，Ｏ＝３０。，由本章第一节中式（２―１―１）反算得：（２―５．１）．ＴＸＩ：』丝 口＋茗‘ｃｏｓＯ产卜―ｔ。―÷：ｘ－ｏ故有，ｂ广―圭―Ｔｄ当ｘ＝ｌＯｍｍ时，《】ｏ＝ｏ．９５４ｍｍ；当ｘ：一１０州ｍ时，工：１。：一１．０５１ｍｍ；｝ｏｉｘ十１０图２－５―１ ＰＳＤ示意图ＰＳＤ的有效长度为Ｌ＝３ｍｍ，以ＰＳＤ的光电中心为零点来算，像光斑在ＰＳＤ光敏面上的位置介于《。。和《。。之间，如图２?５―１所示，０点为ＰＳＤ光电中心，圆斑代表像光斑，两端的灰色区域为离ＰＳＤ光电中心士７５％以外的区域，ＰＳＤ工作在该区域中时，位置检测误差明显增大，性能将显著降低。一般地，资料给出ＰＳＤ光电中－ｂ４－７５％以内区域的信息。本章２．４节有￥３９７９的位置检测误差图。ＰＳＤ的光电中一６，：ｅ７５％以内区域为士１．１２５ｒａｍ。可见，ＰＳＤ工作区域选取比较合适，动态范围匹配较为恰当。２．６接收光强计算㈨图２，６．１中，Ｄ为接收透镜的直径，ａ为光 点到透镜的距离，０为仪器工作角，Ｑ为接收 透镜对光点形成的立体角，ｕ为透镜对光点形 成的半平面角。有，Ｄ光点。被测望耍ｐ／ ＼／毋萨们ｔｇ石（２－６―１）２－６．１光强接收模型示意图－１７－第二章仪器原理及非线性分析ｎ＝２７ｒ（１一ＣＯＳ盘、（２―６―２）在本系统中，取Ｄ＝２０ｍｍ，ａ＝１８０ｒａｍ，０＝３００，有ｃｔ＝３．１８０，ｆ２＝０．００９７（立体 弧度）。 为了简化计算，假设激光器光束照到被测物面上 反射的情形为余弦辐射，即符合朗伯模型，如图２－６．２ 所示，ｉ为入射角。则，ｌｅ＝，Ⅳ?ｃｏｓ０。 设激光器输出光强为ＰＴ，经出射透镜及被测物面反射 及接收透镜后总的衰减系数为ｎ。则有，喝＝Ｋ。Ｉ，Ｉ翻ｎｎ妄ｆ图２＿６．２朗伯散射模型渤（２．６．５）（２―６―３）式中，Ｋ。为对仪器所用波长（６５０ｒｍａ）的激光来说， 光通量到光功率的转换系 数。Ｉ。为对应ｄｒ２空间立体角方向上的发光强度。 同理，可得Ｂ＝Ｋ。ｌ‘ｍ式中，Ｉｘ为在图一所示Ｑ空间立体角范围内对应ｄＱ方向上的发光强度。 可见，要想确切求得Ｐｓ相当复杂，由前面的计算Ｑ＝０．００９７（立体弧度），知Ｏ 很小，于是可以假设在Ｑ立体角范围内，发光强度是均匀的，即Ｉ＝ｌｏ＝Ｉ。?ｃｏｓ０，则有，ＰＳＤ接收光强Ｐｓ可以近似表示如下：只：竺旦．ｃｏｓ０．Ｑ“石根据本系统所用激光器，取ＰＴ＝１０ｒｏｗ，保守估计光强损失至少２０％，此处取ｎ ＝０．８，计算得，Ｐｓ＝２．６７Ｘ １０。３ｒｌＰＴ＝２１．３６ｕＷ实际上，光路中还有其它许多损耗，ＰＳＤ接收的光强不过２０ｕＷ。 下面计算一下仪器工作在测距极限时， ＰＳＤ接收光强的情况。 当ｘ＝＋１０ｍｍ时，如图所示，图中参数 与上述对应参数意义相同，为示区别，Ｏ十１０１０ｍｍ，｝／ ＆／被测物面，，。’ 光点。菸仪器在此工作状态下的这些参数统一以加下标＋１０来区分。虚线为仪器初始 状态（与图２．６．１为同一状态）。 由平面几何关系，可知ｔｇｏ＋，。：祟ｄ?ＣＯＲｆ，一Ｘ图２－６．３仪器极限工作时接收光强图ａ－ｓｉｎ０ａ＋１０２２―ｓｉｎ０―＋】０得０＋１０＝３１．６７０，ａ十ｌｏ＝１７１．４２ｒｎｍ 再由以上计算方法容易得到如下参数：第二毒仪器原理及非线性分析有０【＋ｌｏ＝３．３４。，ｆＺ＝０．０１０７（立体弧度），进而求得Ｐｓ＝２．８９ Ｘ １０‘’ｎ ＰＴ＝２３．１２ｕＷ２、当２７＝一１０７ⅣＦｎ时，图略（参考图２－６―３），对应的参数统一加下标一ｌＯ以示区别。求得参数值如下：ｅ．１０＝２８．４８０ａ＿１ｎ＝１８８．７４ｍｍａ一＇０＝３．０３０Ｑ＝Ｏ．００８８（立体弧度） Ｐｓ＝２．４６×１０。ｎ ＰＴ＝１ ９．６８ｕＷ 可见，仪器测不同位置时所接收的光强是有差异的。ＬＡ口工作在＋１０ｍｍ测距时，二；量＝８．２４％；％ＡＤ工作在一１ ０ｍｍ测距时，―竺量＝一７－８７％。 岛分析：１、仪器接收光强工作在２０ｕＷ左右。由ＰＳＤ光谱响应知，对６５０ｎｍ的激 光来说，其光敏感度约为Ｏ．４５Ａ／Ｗ。所以ＰＳＤ输出的电流大约９ｕＡ。工作在仪器量程极限状态时，由式（２－３．１）、（２－３－２）可知两路输出电流约为１．１ｕＡ和 ７．９ｕＡ。２、在士１０ｍｍ的测距范围内，ＰＳＤ接收的相对光强变化为一７．８７％～８．２４ ％。这会直接影响ＰＳＤ输出信号的强弱，但ＰＳＤ检测的是光斑能量质心的位置，此光强变化对测量结果影响不大。若光点成像在ＰＳＤ一端时，其中的一路信号 会很强，另一路会很弱，ＰＳＤ将不工作在其线性区域，光强的变化对该路信号的影响大。故ＰＳＤ～般工作在其光电中心士７５％以内的区域。２．７像光斑大小计算口３１埂９量行程Ｓ４乞≥≥荨形ｉ 彭 《 眩夕 ｉ―＜～ｏ巡：功１ ‘回 ．１一ＰＡ～且’～Ｉ＼ｏ．Ｚ］ｏ、７参ＡＺＡ一ａ～一ｂ～ 一ＰＡ’Ｐａ～图２―７．１光斑成像原理取乒＿３以ａ＝１８｛］ｎｒｒｌ＇ｂ＝３＆ｎｍ，则透镜焦距ｆ＝３０ｒａｍ。设透镜直径Ｄ＝２０ｍｍ，物光斑直径Ｚ＝２ｍｍ。测量行程Ｓ＝士１０ｍｍ。显然，Ｏ点在ＰＳＤ上所成 的像Ｏ７最小，其直径为第二章仪器原理及非线性分析Ｚ，：皇．Ｚ：０．４０Ⅲ聊Ｃｌ由上图几何关系，得 Ａ点物方截距只＝ｄ―Ｓ．ｃｏｓ０＝１７１．３４ｍｍ， Ｂ点物方截距Ｂ＝ａ＋ｓ?ｃｏｓＯ＝１再由８８．６６ｍｍ。三＋土：上ＰＰｌ可求得， Ａ点像方截距只＝３６．３７ｒａｍ Ｂ点像方截距尼＝３５．６７ｒａｍｚｉ：三丝．Ｄ＋ｚ，：ｏ．１８＋０．４０：０．５４Ⅲｍ“Ｄ，乙＝皇三箬．Ｄ＋ｚ，：０．２０＋ｏ．４０＝ｏ．６０Ｍ研仪器在测量范围内，光斑最大不会超过ｏ．６０ｍｍ，是比较小的，有利于提高测量 精度。 下面以￥３９３２为例，对上述参数重新计算，以说明选用￥３９７９优势。￥３９３２的主要参数特点（参见本章２．４节图表）：分辨力较低，０＝Ｏ．３ｔｉｍ，有效感光长度为１２ｍｍ，相对分辨力较高，可达１／４００００，体电阻相对较小一些（５０Ｋｆｌ，ｔｙｐ．）。根据仪器要求，要想达到６＝ｌｕｍ的分辨力，需满足（０仍取３０。， ａ取１８０ｒａｍ）占：―』＿＿万。：１删ａ?Ｓｉｌｌ０。则ａ／ｂ＝１．６７，ｂ＝１０８ｍｍ。 计算方法同上，可得ｆ＝６７．５ｍｍＺ一：鱼．ｚ：１．２０ｍ州Ⅱ只＝１７１．３４ｒａｍ Ｂ＝１８８．６６ｍｍ，只＝１１１．３８ｒａｍ，己＝１０５．１ｌｍｍ 乙＝１．８１ｍｍ．２０－麓＝誊仪器愿理及非线性分橱磊＝１．７５ｍｍ 可见，虽然￥３９３２驰穰对分辨力穰高，但其鱼赛的绝对分辨力不赢，不适用 子分辨力绞商戆纹器，爨为党学设诗帮分羧大偌数不｛；§太小，一方褥使褥透凌焦 距增大，仪器变得庞大，另～方面是不能很好的抑制光斑的大，ｊ、。￥３９７９较之测有绝对优势。故仪器最终选溅时选择了￥３９７９作为本仪器的传感器。２．８ｊ｝线性误差计算为後对系统静菲线骥谈麓有个丈疆戆量黪谈谖，下瑟秘龌瓣点涟续妻绫投合对该系统的非线性误差作如下计算。原理图如图２－１―１，取０＝－－３啦ａ＝ｌ ８（ｔｎｍｂ习（ｘｎｍ，则透缓焦疆ｆ＝３０ｎ＇ｍ＇ｔ，溺爨范围 ＋＿ｌＯｍｍ，计算冀非线性误藏如下：求出最大工作距ｘ―ＩＯｍｍ时，由公式ｘ＝夏磊彘褥，ｘ３ 令专乩则血＝蕊丽ａｘＴ刖然后用两端点连线法将其线性化。ｌＯｎ麓ｍ露，掣。一０。９５４１ｍｍ。箕≤｝线性谈滚仿真如图２－８．１。阁２－８―１非线性误差示意图＠‘８‘”对（２，８．１）式微分以求冀疆太篷。’≤出）７＝丽石ａｂ丽ｓｉｎＯ一素ｘ：＝（２罐－２）令（衄）’；０，求出其对应的ｘ哟值ｘ＇ｏ盎ＩＩ下：魄８一浮ｂ．２｛－（２．Ｓ．３）代入数据，得Ｘｔｏ＝Ｏ．４８２６ｍｍ。 再代入（２，８―１）式，可求得觚。＝－０．１２ｍｍ，对测量范围为±１０ｎ撇来讲，误差百分比达剥了＿Ｏ．－１２ｍｍ×１００％：１．２％。ｉ ０１１１１１１第二奄仪器原理及非线性分析可见，三角法测量原理带来的非线性误差大概在百分之一点几，是相当大的 远远超出了测量所容许的范围，必须设法予以消除。２．９线。陛化寻优设计在直射式三角测距法中，也可以改变光电接收器ＰＳＤ的法线方向与光路中心 线的夹角，使之与该平面成Ｙ角，如图２－９－１，理论上可以实现线性化消除非线性 误差。下面通过计算来求取Ｙ角的大小。图２－９－ｉ线性化寻优布局在△ＡＢｃ中，正弦定理五≥２五面Ｅａ可，有ｘ：―――――――堡―――一ｓｉｎ８?ｃ谵８。一ｃｏｓ （２一ｇ～１）而在ＡＣＤＥ中，有―蠹＝五面币＝ｂ而＝磊面丽ｂｓｉｎＯ变换得，ｓｉｎ（９０。一ｒ―目，）ｃｏｓ（口，＋ｙ）！号詈≯＝导当孵以ｃｏｓｙ－ｓｉｎｙ＝多ｊ船吼＝ｅ＋ｓ协州ｃ唧（２－９－。）将（２―９―２）式代入（２―９―１）式得第二章仪器原理及非线性分析舻五毛ｂｉ丙磊口ＣＯＳｙ（２．９―３）ｓｉｎ０．芒＋ｓｔｕｇ）－－ｇＯＢ０．ｃｏｓｙａＣＯＳ，，?ｘ’ｂｓｉｎ０＋ｘ’（ｓｉｎＹ―ｃｏｓ０?ｃｏｓｙ） 显然，若要使ｘ、一成线性关系，需使ｓｉｎ＇，一ｃｏｓ０?ｃｏｓｙ＝０，即ｙ＝ａｒｃｔｇ（ｃｏｓＯ） 当工作角度０＝３０。时，计算得，，＝４０．８９。。（２．９．４）可见，要想实现完全线性化，需要使，，＝４０．８９。，这是一个相当大的角度， 它会带来以下问题（参见本章２．３．３节ＰＳＤ使用分析）：给ＰＳＤ接收成像带来虚焦问题对ＰＳＤ而言，虽然说其反映的是光能质心的位置，理论上讲，入射光点 的强度和尺寸大小对位置输出均无关，即使其成像完全被光敏面接收时，由于激光光强分布不是绝对均匀，光能质心位置就会有所偏差，给测量带来很大影响；虚焦会使光斑直径变大，当光斑照到光敏面边沿时，就不能反映质心位置了，从 这个方面说，光要被光敏面完全吸收，从而限制了ＰＳＤ的有效使用长度，降低 了ＰＳＤ的利用率。此外，一线ＰＳＤ的宽度一般为ｌｍｍ，光斑直径更不能大于 ｌｍｍ。总之，为减小误差，光斑要越小越好。２．１０非线性误差校正‘２３”。”校正方法一型一ｂ ｓｉｎ０一一ＣＯＳ０根据本系统非线性误差的特点，介绍以下三种校正方法。２．１０．１由三角法原理公式ｘ＝可知，这种非线性误差形如，＾（Ｊ）＝Ｋ――冬一，对这种非线性误差可以通过负反馈环节校正，来实现线性化。 Ｊ＋Ｄ?Ｓ变量传递过程及校正环节如图２―１０一ｉ。第二章仪器原理及非线性分析Ｖｏ图２―１０―１非线性误差校正框图 注：ｏ表示乘法；ｏ表示加法。为上述非线性函数，则有Ｖｏ＝Ｋ。ｆ（ｓ）（ｏｅ＋∥肪），进而得到％：竺！丝１１一ｆｌＫｌｆ（ｓ） 将ｆ（ｓ）表达式代入（２―１０―Ｉ）式，可得ｆ（ｓ）关于Ｓ的函数％：――』―ｊ±至上Ｌ：―― ％一峨世丁蠹一ｃｔＫｌＫｓ令Ｊ一卢ＥＫ＝０，贝Ｕ有Ｖｏ＝ｃｔＫｌＫｓ１啮胚志１＋‘扣麟伽实现了Ｖ。对８的线性化。条件是６～脒。置＝。，即卢＝去在本课题中，所要校正的函数应为＿ｊｆ＝ｘ（ｘ’）的反函数：ｘ’玎ｂ州∽＝而ｂｓｉｎＯ一差兰嵩（２－１０－５）６ｓｉｎ０式中，世：生业，占：型，为实现线性化，需使Ｂ满足（２―１０―４）式，即ａ 口此时，有ｚ，：ｇ（ｘ）一ｏ‘ｂ∥２去一玉ａ一面ｃｏｓ０ｓｉｎ０．Ｋ１ａｘｃｏｓ０（２―１０－６）上述非线性误差校正方法的实现主要是将输出反馈到输入端再通过乘法器取其积来实现的。ＡＤ５３４本身就是一乘法器（详见第四章４．６模拟乘法器ＡＤ５３４ 简介），实现起来是比较容易的。它接成除法器时的表达式为第二章仪器原理及非线性分析矿ＯＵＴ－－詈粤＋Ｅ由于其比例系数ＳＦ可以通过外部连接电阻来改变 大系数Ｄ及一附加常数ａ反馈到输入端，来实现 ＳＦ＝口＋ｐｒｏ 故可以将输出电压通过一放则输出场＝足，厂（功＠＋ｐｒｏ），从而实现Ｖｏ对Ｘ的线性化处理。２．１０．２校正方法二Ｕ２）砰Ｖ。 被测量黠的经电路变换处理待求未知关系一。麓＿ｘ，弋－Ｉ ｉ－一－ －Ｕ～Ｉ－ｋｌ＿＋Ｊ ＋Ｕ一２、．Ｕ１０２２…这种方法主要是从被测量的传递过程方面考虑的。如图２－１０－２所示。测量 所希望的是Ｖｏ＊ｘ，而在传递过程中，有 “’ｂ￥１１１甘一ＦＣＯＳＦｚ，：一Ｌ．‘Ｉ２ 』．式中，Ｌ为两电极之间的距离，ｔ＝１２一‘，‘＝Ｌ＋１１。 不妨先求出ｘ＝ｇ（厶，厶），然后令Ｖｏ＝Ｋｘ，则所求出的一定是满足Ｖｏ与Ｘ线性关系的未知关系式，只要设法让ＡＤ５３４满足所求出的关系式，必有Ｖｏ。ｃ三，一。：Ｘ。竺！ｂ ｓｉｎ０一Ｆｃｏｓ（９：２ ６Ｉ．ｓｉｎ曰～兰．！＝ｃｏｓ占２ ｊ。（２一ｌＯ一１０）些２ｂＩ＋ｓｉｎ０一ＬＩ―ＣＯＳ０显然，只要使输出场＝足些生２ｂＩ。ｓｉｎ８一ｕ―ｃｏｓｄＰ（２―１０―１１）笫二蘸仪器原理及菲线性分析即可实现ｖｏ对ｘ的线性化。这对ＡＤ５３４来说是不成问题的，其表达式见（２－１０－８）式。可见，只需在将Ｉ＋、Ｉ一放大一定比例后褥输入到ＡＤ５３４中即可，但这样就 大大臻期了毫路翡元器彳牟数。２．１０．３校正方法三攀安上，可以用一种避为简单的方法。它蹩基于第二种梭ＩＥ万法明?征 （２－１０一１１）式孛，不魏逡ｔ；乏一乏，ｔ＝如÷乏伐入其中，结豢翔下（不妨令砌２丽丽ａＬ丽（１２－瓣１１）２面而ａＬ丽’霹焉／ｒ２蕊－Ｉ：令上式中历聂矗萼瓦而＝∥，西磊ｉ２Ｌ矿ｃｏ互ｓ０丽５五，受｜ｊ有Ｖｏ＝Ｋ＇揣Ｑ１０。１２’遨谨，可鞋将校正瓣繇节转移蚕全波整浚瓣鼹路信号耀瓣瓣进行。如图圈２一ｌＯ－３非线性校擞遗鼹上謦怒涎疆覆号耪熬，帮突现（２―１０―１２）式孛豹分母顼。爱中执、Ｕ２分刘与ＩＩ。对成，并成相同比例，肖ｚ、矿＋：堡∽＋生以 心． 月１‘‘不妨设Ｒｆ＝＆，ＵＩ＝ｒ×ｌ！、Ｕ２＝ｒｘＩ ２，则第＝童仪器原瓒及非线性分析ｙ＋一，疆：＋鲁‘），令鲁－ｉ十丑即可实现线性化。即调整电位器使之满足置＝禹＝墅２ｂｓｉｎ糕ＣＯＳ８也‘ｌ＋五护＋￡‘即可。仪器最终选定的是最后这种校正方法。实际调节Ｒｔ时，是～个较为复杂豹过提，不只是篱攀的将Ｒｌ调到理论计算饿，但该理论计箕值可以用来设为Ｒｔ的初值，具体的调节过程及校正效果在第弧章四节“实验数据的处理及分析”里 有详细的说明。薅三辩￥晁缀浚诗第三耄撬城设计这部分瓣设诗圭鼷是嚣绫光三熊法瓣缝专奄煮羼考虑豹，参考謦２，１一ｌ。为了 趸巍瓣缝褥套令壤躐馋熬蹙爨关系袋承凌来，竣计辩浆越ＭＤＴ软传遴露了三缳 效暴勰设计。如圈３．１。零系统采瓣辩蹩肇发射擎接收式。零枣祝城设谤不作为鼹３－Ｉ党三角法熬俸毒翳效暴圈本谈纛疆究瓣藏点，敬遮受袋辩镳头瓣搂繇鞍激燹瓣懿羲宓佟戆戆穷绥，然嚣绘寤整个仪器瓣交戆，叛便予纛溪认浚。３。Ｉ镳头接瓣设诗斌被的设诗要考纛据滚绽、系列铉、遴溺豫，瑗鼹工效一般疑按照专渡像稔侉骚煲《避行生产静，赦设诗中熬一个纛要瀚麓，藏爨产蕊及蔟零裁终瓣舔潦纯、 系鳓纯、通潮他阏熬。这榉可以撬麓设诗璇爨穗翔王矮爱，使予缀织生产；｝拜荔予 耩甄产品袋本。嚣魏，这一颡麓在慧搭竣诗中寝该认囊考纛。竣羧瓣郝分溪弼擦 猿Ｃ飚瓣尺寸，戮螺纹大辍为２５＋４ｍｍ（＆［ｔ ｌ荚寸），３２个雾，英寸长袭；嫫纹长凄?２奉?瓣三囊撬撼设嚣 设为６ｍｍ（图中螺纹的效果未擞示出 来）。这样也Ｗ以根据标准能够很方便 的选用不同焦距的镜头。三维效果图 如图３一ｌ―ｌ所示。 为了速仪器懿工终建度可调，在接 目的底部设计了一个滑遂，使羧收镜 头的角度可以调动。如图３．１。２所示。 滑道与旋转中心分别用Ｍ３螺钉紧紧锁定予底扳上，当需要调动工作热对，放松螺钉，搜滑道绕旋转中心转动，当潼捌菜一合适露蘑辩，褥将螺钉锁紧即可。可调的最大角度为 ±１５。。在设计中应考虑锁紧螺钉帽及 垫片的尺寸，保证镜头在所调角度范图（３，１．１）镜头接口效果圈图３－１―２镜头视角可调设计围内，滑ｊ鬯上的锁紧螺钉不能岛越它部位相“干涉”。在图中滑道上表筒上距离旋转中心最邋的距离是４６．１ｍｍ，考虑到避免干涉及小尺寸仪器，涛道中心绒半径 较之要大３．５ｍｍ～４ｍｍ，取５０ｍｍ（冤圈３－】－２示），以便镜头能在设计的角度内自 由转动。３。２激光器的圈定设计这部分瓣设诗主要是考虑激党器发 射光柬方向溪在立体空间内可调，所以也像镜头接口的设计那样，在其底踯设计了 图３－２－１激光器圃寇臌牧果图一个滑道，这样就可以保证激光器的发射光束在水平面内有一定角度的自由转第三章机械设计动。至于其竖直面内的角度调制，可以通过在激光器前部或尾部加垫纸片来调整 其俯仰角。如图３―２。１所示。激光器的固定从如下两种固定方式图３。２―２中选择 了后者。 前者固定方式是两条线与激光器体接触进行固定，它可以实现激光器与固定 体圆弧的自动对心。而后者是三条线与激光器体接触来固定的，相对来说，后者固定得较为稳固。就本科题来说，激光器是发射装置，不管是测距还是对测振来说，其本身的振动与被测物体的振动相比都应可以忽略不计，所以要求它固定得稳当，尽量减小振动。这样后者固定方式对就比较适合了。况且，前面说了激光 器的发射光束在三维空间的立体角可调，即使固定时不能自动对心，也可以进行 相应的调整。事实上，即使需要对心的话，这种方式也不太可取，因为它对加工的精度要求会大大提高，加工成本也会大大提高。激光器固定方式１激光器固定方式２图３－２―２激光器固定方式比较为了较为稳当的固定激光器，在固定座的两翼打了４个Ｍ３的螺 纹孔进行固定，与之相对应的是固定上盖打了４个０３１２的光孔。如图３－２．３所示效果图。加上激光器时，上盖与底座有一定的间距，大图３－２―３激光器上盖效果图概为ｌｍｍ，以便对激光器紧固。 工艺水平所限，实际加工出来的机械器件要与设计的东西有一些出 入。比如镜头接口和固定座的加工时，都是将下面滑道部分与上面部分分开加工的，然后在焊接到一起，这 样减轻了对工艺水平的要求，否则就 要用铸模的方法加工，由于加工数量 较少，就太不经济了。其实，由于接－３０?图３－２―４严重散射的激光光柬第三章机械设计口的外壁设计得较薄（１．５ｒａｍ），就是铸模加工也是比较困难的；为了方便上盖 的加工干脆就将上盖的两端 与中间部分取平，同样能实 现原有的功能，但就造型不 如设计的那样美观了。 由于激光器发出的光束 两边有散射，如图３．２．４所 示，这样会测量带来很大误 差。为此，为激光器设计一 光阑，将两边的散射出来的 光滤除掉，机械图见３―２―５。 图３－２．５激光光阑３．３仪器实物如图３．２．７。图３－２．７测距仪实物第四章电路设计及分析第四章电路设计及分析本章论文思路：以信号传递方向为主线，分别介绍了正弦波光强调制设计、 前置放大电路设计、后续处理电路（包括滤波器、全波整流、除法电路、调零电 路等）设计，对相敏检波电路作了单独介绍。其中对前置放大电路从抗干扰抑制 噪声的角度对ＰＢＣ板作了精心设计，最后对电路漂移作了计算及仪器系统布线 作了整体设计。这部分的电路见附录１仪器电路原理图。４．１高精度正弦波光强调制设计正弦波光强的调制需要有高精度的正弦波振荡器及安全可靠的激光驱动电 路。故本节分为以下两个部分：高精度的正弦波发生部分和激光驱动部分。４．１．１高精度正弦波振荡器‘３７、３８】由于所选调制频率为２０ＫＨｚ属于低频，这里选 用了文氏电桥来产生正弦波信号。首先简单的介绍 一下文氏电桥。如图４―１―１，Ｒ１、Ｃ１、Ｒ２、Ｃ２，组成选频网络，为正反馈；Ｒ３、ＲＷｌ组成增益控制环节，为负反馈。调整ＲＷｌ可在输出端Ｖｓｉｎ得到 正弦波，但由于增益不能自动控制，这种方法很难 得到稳定的正弦波。为了得到高稳定性、高精度的正弦波，又增加了放大环节、整流环节、增益自动控制环节。组成 框图见图４．１．２所示。 说明：二级隔直放大环节文选频网络 环节 二级隔直 放大环节 ４－１．１基本文氏电桥振荡ｂ；Ｓ一‘｜｜ ｛｝ 整流ｌ卦币ｌ为了对后续电路提供更好的 驱动能力；整流环节是利用全 波整流的原理，较半波整流可 以得到更高的控制精度；幅度 控制环节利用精密的低漂移 的稳压源作基准，来精密控制增益自动 调整环节幅度控 制环节图４－１．２正弦波振荡器控制框图第四章电路设计发分析Ｖｓｉｎ的幅值：增益自动调整环节采用动态电阻范围较大的场效应管。４―１―３振荡器输出波形４―１－４频域内观察的输出波形实验表明，所设计的振荡器幅值稳定性高，谐波失真极小，频率稳定，效果很好，符合本系统的要求。输出波形如图４－１．３所示，图４－１―４为其频域波形， 可见其频率比较单一几乎看不到谐波分量。４．１＿２激光驱动电路设计口７＇３８ｊ正弦波振荡器设计已经完成，下面利用该正弦波对半导体激光器ＬＤ进行驱动使发出正弦波变化的光强。 对光强进行正弦波调制 的电路如图４．１．５所示，通过 把交流、直流信号ｆ虚线框部 分）配比后为ＶＲ来驱动半导 体激光器（图中的ＰＤＬＤ），控制框图如图４．１―６中示。 其中，把运放Ｕ２Ｂ视为实际模型，传函为Ａ（ｓ）；ｉＰＤ 为激光器反馈的光电流；Ⅱ 为三极管电流放大倍数；ｐ图４－１．５光强调制电路原理图为激光器电流到光功率的转换系数，单位是Ｗ／Ａ；Ｂ为激光 器光功率到电流的转换系数，单 位是Ａ，ｗ；Ｐｗ为激光器输出的光 功率。对照电路原理图，可知如 下参数：Ｒ３ Ｋ．＿！ ―４（ ｉ）１―１图４－１―６光强调制控制框图第四章电路设计及分析臣：２百Ｒ５‘币≥和，约为０．８Ｖ。Ｋ；／茁。约为５０，（４．１．２）ｖＤ为稳压管Ｄ的压降，为０．７Ｖ，△Ｖ为三极管ＮＰＮｌ的ｖ。。与ＮＰＮ２饱和时的Ｖ。。之局／如口Ｊ调，毛＝ＲＧ，吒＝Ｂｃ５， Ｋ。＝ａｆｌｐＲ。／Ｒ。实测得，ｐｐ大约在ｌＯ－４量级，ａ在１５０左右，Ｒｌ／心约为１。对图４．１．６化筒，得图４．１。７。下 面简要分析运放Ｕ２Ｂ对该控制系统 的精度的影响： 以ＶＲ输入为例，图４－１．７化简后的控制框图该系统误差传递函数为００）塑：尺（ｓ）！１＋Ｇ０）ＨＯ）（４―１―３）其中系统的开环增益为Ｇ（Ｊ）Ｈ（Ｊ）：－华－（１＋Ｋ。）．―冬Ｆ（４―１―４）“６１－：！！！！一０）可见，要提高系统控制精度，应使开环ＩＧ（ｓ）Ｈ（ｓ）Ｉ尽量大。由（４―１―４）式知，运放Ｕ２Ｂ的开环增益Ａ（ｓ）也应尽量大，由于Ａ（ｓ）的幅频曲线与低通滤波器的幅频曲线类似，故在选择运放时，要用单位增益带宽较大的运放，一方面提高误差放大倍数，控制精度高，另一方面减小了运放的相移，保证系统有较大的相位裕度。 由于激光器的Ｂ参数分散性比较大，故本系统设计了两级放大，并在前级放 大中加了电位器ＲＷ３用于调整放大倍数以适应不同的Ｂ，也要求ＲＷ３要有较大 的调节范围。其中图４－１－５虚线框部分，交 流的幅值可由振荡器来控制，直流的大小则由图４―１―５的ＲＷ４来调节。光强调制的最大调制深度最终由激光器的工作电流和阈值电流决定，据此来配比ＶＲ。ＶＤ、△Ｖ共同确定。要保证光功率的直流… 。～…～。一 光２鼍ｊ！！！曼？巴：兰舅，亳鎏曩坌：。酉４－１－８羌强反馈的电压监测波形一部分大于交流的幅值，且留有一定余量，此外，还应综合激光器的Ｉ―ＰＩ特性曲 线考虑，以免光强发生失真，取得最佳正弦光强调制效果。图４－１．５中ｖ０１即为光强控制系统的监测电压，测得该点电压波形如图４―１―８ 示。说明输出是相当标准的正弦波光强。第四章电路设计及分析附：半导体激光器说明 该激光器采用西安华科公司生产的激光器ＤＤ６５０―２．５―３（５），阈值电流２０ｍＡ，工作电流４０ｍＡ，工作电压ＤＣ２，３Ｖ。为避免光强失真，且留有一定余量，驱动 时取工作电流为３０ａ：７ｍＡ。４．２前置放大电路设计‘２７￣３ ０、４１１光信号经过ＰＳＤ光电转换为电流信号首先就要进入前置放大环节，这一环节是电信号的源头，因此 它在整个系统中占有至关重 要的地位。４．２．１电路原理设计如图４．２．１所示。这一环节分为电流／电压转换和一 个一阶带通滤波组成。电路其实很简单，说它的重要性主要是从抗干扰和噪声抑制的角度出发的，下面先简单说一下其参数的选取和一节 带通滤波，再着重说噪声抑制的问 题。 电流／电压转换环节利用心ｌ、地１ 进行，并与之并联Ｃ。ｌ、Ｃｂｌ以对高频噪声加以抑制。后续所用的一阶带通图４－２．１前置放大电路原理图在通带范围内增益较为平坦，避减小了由于调制频率的漂移对信号增益 的影响。这里一节带通只是对直流等低频分量及远在调制频率之外的高 频分量加以初步抑制。故此处选用了一阶带通而没有选用二阶有源带通滤波器。考虑到信号放大倍数及电阻热噪图４－２－２一阶带通波特图第四童电路设计及分析声的影响，折中取Ｒ。ｌ＝Ｒｂｌ＝５１０Ｋ．Ｏ，后续一阶带通中心频率增益取１５．５ 图４－２．２是其波特图。４．２．２运算放大器噪声模型及直流失调模型为方便起见，这里将运算放大器基本的噪声模型和直流失调输出模型一 并介绍，后续许多电路的计算便是基于此模型的，其中后者模型主要用来计 算温漂，因为直流失调输出是随温度变化的，而不随温度变化的部分，可以 用调零电路来消除。 １、运算放大器噪声模型 分析一个放大电路的 性能时，应找出其中独立 的噪声源，然后确定噪声 源对整个电路噪声性能是 否有很大影响。为了简化 噪声计算，计算时一般采 用噪声普强度而不是实际 的电压值，这样就可以先图４－２．３运算放大器噪声模型不考虑带宽的影响了，如噪声的谱强度以”ｙ／√丽，相当于１Ｈｚ带宽的噪声。运算 放大器的噪声模型如图４－２。３所示，共有６个独立的噪声源，其中３个是电阻热噪声（也称Ｊｏｈｎｓｏｎ噪声），１个运放电压噪声源ＶＮ，２个电流噪声源ＩＮ．，ｈ¨。每 个噪声源对输出都有独立的贡献，噪声一般用ＲＴＩ（ＲｅｆｅｒｒｅｄｔｏＩｎｐｕｔ）表示，实际使用中，先计算出ＲＴＯ（ＲｅｆｅｒｒｅｄｔｏＯｕｔｐｕｔ）再除以放大倍数更能省事一些。所有电阻的热噪声为撕丽丽，其中ｋ为Ｂｏｌｔｚｍａｒｍ常数（１．３８×１０－２３ Ｊ／Ｋ）Ｔ为绝对温度，单位Ｋｅｌｖｉｎ；Ｂ为带宽，单位是Ｈｚ；Ｒ为电阻，单位是ｏｈｍｓ。常温下（２５０ｃ），１ＫＹＩ的电阻、１Ｈｚ带宽会产生４ｎＶ的热噪声。由该噪声模型可以得到如下关系式：ｐ运算放大器同相输入端Ａ到输出端的增益为ＧＡ＝１４－≥；反相输入端Ｂ到 矗，输出端的增益为∞―一鲁ａ其中，Ａ到输出端的增益ＧＡ与噪声的增益等同。故有噪声增益ＧＮ＝ＧＡ。 等效输入端电压噪声表达式为第四章电路设计及分析（４。２．１）输出端电压噪声为ＲＴＯ―ＮＩＯＳＥ＝ＮＧ×ＲＴＩ～ＮＩＯＳＥ。 （４．２－２）２、输入偏置电流和直流失调电压模型 在高噪声增益的电路结构中，即使输入偏置电流和输入失调电压很小，其对输出失调电压的影响也是很重 要的。图４－２－４所示即 为运放综合的失调电图４－２．４运算放大器直流失调模型压模型，可以换算到输入端（ＲＴＩ）或输出端（ＲＴＯ）来描述失调电压。下面以ＲＴＯ为例计算失调电压。输入失调电压和由同相端偏置电流Ｉ。＋流经Ｒ。产生的电压乘以放大器的噪声 增益得到输出端失调电压，反相端偏置电流Ｉ。一流经Ｒ。产生的电压直接加到输出端，二者相加即得输出端总的失调电压。如下式所示。ＯＦＦＳＥＴ（ＲＴＯ）＝聊＋争吨堋１＋争％屿ＯＦＦＳＥＴ（ＲＴＩ）则可由ＯＦＦＳＥＴ（ＲＴＯ）除以噪声增益来得到。ＯＦＦＳＥ丁（姗＝‰一Ｌ＋ｘＲ３＋ＩＢ＿ｘ（糌）电阻值Ｒ３使马＝妻÷惫可使上式后两项抵消，此时有删（Ｒ册＝‰，Ｒ３即是放大电路中通常所指的平衡电阻，它能消除运放偏置电流的影响。通常，Ｉ。与Ｉ。相差较小，可近似认为两者相等，这种情况下，选择合适的４．２．３前置级噪声计算?３７－第四章电路设计及分析基于上面介绍的运放噪声模型理论，前置级噪声等效模型可用图４―２―５表示图４－２．５前置放大电路噪声模型这里忽略了电容的影响。ＲＳ的相当于ＰＳＤ的体电阻。圪－２ｌ（１十习Ｒｒ‰］＋（ＩｎＩ＂ＲＦ）２＋喙＋（惫＋‰）２＋（惫％）２等效到输入端电流噪声的表达式如下：驭脚，＝［ｃ去亩Ｋ卜２。＋印２＋ｃ争２＋ｃ≯２注：对独立的噪声源Ｖ。】ＲＦ由于两个运放的反相输入端都虚地，故通过ＲＳ的 电流为０，也即是说该噪声源不会对另一个运放的输出端造成任何影响。 由于电路对称，有Ｗｈ０２＝Ｖｎｏｌ考虑到运放噪声的相关性及其匹配性，将运放的噪声源规定正负号，并据此在噪声计算公式中各项前加上士以示对结果不同的贡献。圪－＝［＋（１＋每Ｋ?卜（峨‘咚）２＋略＋譬‘‰）２＋（＋惫％）２其中，电阻热噪声是随机的，相关性为０，仅以平方的形式相加。下面以ＬＦ４１２为例对输出端噪声进行计算。取 圪ｌ＝■１＝５０ｎＶ／～ｌＨｚ，ｆｎｌ＝Ｌ２＝Ｏ．０１ｐＡ／４Ｈｚ 系统中，ＰＳＤ的型号为Ｓ１５４５，其体电阻为Ｒｓ＝５０Ｋｎ；ＲＦ＝５１０ＫＱ。 因为常温下（２５０ｃ），ｌＫＱ的电阻、１Ｈｚ带宽会产生４ｎＶ的热噪声。取等效电流噪声单位为州／√胁，Ｒ ｓ、ＲＦ单位为Ｋｏ。则有第粒臻电路设诗及分橇ｆ（ＲＴＩ）＊［ｃ嘉＋南×ｓｏ＝２．３７８（ｐＡ／，ｆ－豆）２ｉ。＝ｌ。５４２ｐＡ，０豫２＋０．０ｔ２＋ｃ赤）２十ｃ赤２＋ｃ》２＝１．０１２十０．０１ ２＋Ｏ．１８２＋Ｏ．５７２十１２由上式可懋，在保证运敖魄滤噪 声的基础上，选择低电压噪声的运 放还可以将噪声进一步减小。这里我们优选了Ｌｉｎｅａｒ公司的运放芯片 ＬＴｌｌｌ３，箕参数嚣下：嗓声毫隳：磙：６ｎＶｌ屈ｍａｘ．；噪声电流；１。；ｏ．０１础，撕ｉ＃增益带宽：５．６ＭＨｚ ｔｙｐ． 电压增髓：１．２ Ｍｉｌｌｉｏｎ ｍｉｎ．且图４－２＿６ ＬＴｌｌｌ３封装管脚图ＬＴｌｌｌ３双逡拔其青匹配性能，可以 在诲多经戆上安稳于蕈独镬嗣一个运效辩酌毪蘸，茏冀在噪声莲琵上胃疆菱有 效的抑制噪声。其封装管脚图如上图所示。利用ＬＴｌｌｌ３时，其等效输入电流噪声如下：、欢ＲＴＩ）＝陆＋南×６］２＋０，０１ｚ＋ｃ南２＋晦ｎ套２＝０。ｔ３２÷０．０１２＋Ｏ．１８２＋０。５７２＋０．１２２＝ｏ．３８９（ｐＸ／ｘｌ＇诱ｚ）２Ｌ＝ｏ．６２３硝，√磊两者对比，可见采用ＬＴｌｌｌ３胼噪声只有原来的４０％，实验表明最终结粜 噪声毙原来凝小了好多。强４砣一７是 ＴＬｌｌｌ３俸麓黉放大芯片辩魏最终赣出噪声。 目前从上式看来，噪声主瓣集中在ＰＳＤ体电臌的热噪声上。选墩体电 阻较大静ＰＳＤ落有拳』于增强信漾魄。图４－２．７最终输出噪声波形在ＰＳＤ酌逡嫠一节中，我褒选髑了Ｓ３９７９，墓钵奄黻大鳕是Ｓｔ５４５豹３倍，这也是利用￥３９７９有利的重要方谣。下面再简单计冀～下此时的等效输入电流噪声：第四章电路设计及分析宁ｃ月＂，＝［ｃ去＋而１，×ｓ卜２岫２＋ｃ丽４）２＋ｃ志，２＋ｃ击，２＝Ｏ．０５２２十Ｏ．０１０２＋Ｏ．１７７２＋Ｏ，３２７２＋Ｏ．０４０２＝ｏ．１４３（ｐＡ／－，－Ｈｚｚ）２，。＝０．３７８ｐＡｌ．厄ｚ此时，噪声己降到原来的２４．５％。（这种情况下的噪声尚未实验。）４．２．４前置级电路板抗干扰设计为增强电路抗干扰能力，并有效的抑制噪声，设计电路板时，主要考虑了以 下几点： （参考原理图如图４―２～１）ｌ、电源多次滤波，抑制电源纹波引起的干扰（图中４－２―８中有表示）； ２、使Ｕ１Ａ和Ｕ１Ｂ共用同一封装的运放即ＬＴｌｌｌ３，可以有效的抑制噪声； ３、ＬＴ“１３管脚２、６脚的导线周围敷地，减小外界干扰对之的耦合； ４、大面积附地，减小地线电压扰动： ５、避免地环路，减小低频磁干扰。 布好后的电路板如图４－２―８、４－２．９所示。图４＿２―８前置放大板（正面）图４－２．９前置放大板（背面）４．３高低通二阶有源滤波器分析阱３７、３８】尽管前置放大电路对信号有所放大，但输出信号幅值仍然很小，不能满足要求；且调制频率以外的为噪声，所以这里需要用有源滤波器对信号进一第四誊电路设计及分析步放大，同时对调制频率以外的频率进行抑制。下面介绍电路中用到的无限 增益多路反馈型的巴特沃斯高通、低通滤波器。４．３．１低通滤波器如图４―３一ｌ低通滤波器。低通滤波器的高频截止频率取ｚ＝２１ＫＨｚ，先选定Ｃ＝２ ０００ｐＦ，则系数 ｋ：！竺：４．７６增益Ｋ，＝４，查表得（单位：ＫＱ）ｒｌ＝１．５５，ｒ２＝６．１９，ｒ３＝１２．４０：Ｃ１＝０．０３３Ｃ２３３ｐＦｒ１，ｒ２，ｒ３分别乘以归～化系数 ｋ，得Ｒ１＝７，３７，Ｒ２－－－－－２９．４７， Ｒ３＝５９．０６；取系列值后Ｒ１＝７．５ＫＱ，Ｉ也＝３０ ＫＱ，Ｒ３＝５６ＫＱ。ＧＮＤ图４－３－１无限增