黄涌铭光电系统课程设计.docx

光电系统课程设计报告书学生姓名：黄涌铭学号：201111911108所在专业：电子科学与技术所在班级：1111指导老师：汤照日期：2014年12月15日激光干涉法测量微位移的设计 本课题的主要任务是设计制作一个高精度激光干涉式微位移自动测量系统。课题研究的意义在于：随着近代工业的迅速发展，对计量测试技术的精度、效率和自动化的要求越来越高，并向着动态、在线、实时等方向发展。一些航空领域的测试，要求在特殊的条件下进行，如高温、高压、高速、放射、腐蚀介质或小空间等;在机械工业中，为提高精密加工机床的精度，结构的稳定性和可靠性，要求检测其在承载条件下工作机的动态形变，如大机械的动态变形场(如大型发电机或各种大型机械主轴在运转过程中的变形)、机床导轨在工作中的形变等;在建筑工业中，桥梁承载下的变形场检测、大坝，船舶等工程结构变形状况的检测等，以及对滑坡、地陷、雪崩、地基崩塌等地质灾害的监测都需要进行测量，以获得测量对象的动态测量信息。就这些方面的微位移测量而言，一方面传统的接触式测量技术跟不上现代工业机械加工、材料加工的非接触测量要求，另一方面，传统的静态测量技术同样满足不了现代测试技术中主动测量的要求。因此，在航空、军工、机械等各个领域中的许多测量，非接触式微位移测量方法应用广泛，也起到了十分重要的作用。 干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。因此，由光接收器件光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值。干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，测量范围大，适用于实时动态测量而被广泛应用于位移测量。1、系统测量原理光的多普勒效应是当光源和接收器有相对运动的时候，接收器接收的光波频率物体的运动而变化的一种现象。激光干涉的微位移测量系统就是基于这种原理而实现的。多普勒效应原理如图1示，光源发射一束光入射到运动物体表面，运动物体相对于光源来说，相当于接收器，从光的多普勒效应考虑，接收到的频率将随运动体的速度增加: (1)式中为光源辐射频率，u为运动物体表面速度，为入射光和运动方向夹角，c为真空中光速；运动物体又相当于一个发射天线，把接收到的辐射波图1 多普勒效应原理示意图光源接收器运动体 发射出来，在方向的接收器也因多普勒效应，收到频率增高的光波信号为: (2) 式(2)中 因为在关心的速度范围内,对上面的展开式取一级近似 (3) 把(3)带入(2)中得 忽略式中的高次项，得 (4) 所以速度为u的运动体产生的多普勒频移为 (5)用同样方式可得到 (6) 即当光源和接收器都在运动方向一侧，并且运动物体与接收器做相向运动时，按收器接收的光频率增加，波长减小。当光线垂直入射并接受回波信号时，即，则 (7) 对式(7)两端时间积分得: (8) 式中为被测物体位移量，为干涉条纹移动数,系统只要检测出条纹移动数就可以得出被测物体的位移量。2、系统的方案设计系统硬件主要由光路部分，光信号检测部分，信号调理部分，计数处理部分，信号处理部和显示部分组成。整个系统的硬件结构框如图2示。驱动电路控制接口被测量光电传感器滤波放大整形比较计数器单片机机接口LCD 图2测量电路以单片机AT89S52为控制核心，配合相关硬件电路，进行信号采集与数据处理，完成对被测物微位移的自动测量。主要工作包括设计硬件电路和软件监控程序。硬件设计有光路的设计、PIN光电二极管检测部分的设计、信号调理、计数处理及判向电路的设计、信号处理及显示的设计。软件设计主要是监控测量的启动停止以及位移的数字化还原显示。具体各部分功能如下：（1）光路部分光路设计在基于激光多普勒效应的微位移测量仪中有着至关重要的作用，能稳定光信号，而选择激光比普通电源具有亮度高、方向性性好、单色性好、相干性好。激光器选择氦氖气体激光器，氦氖气体激光器的激光波长为0.632um，很接近光电二极管的峰值响应波长的光谱灵敏度。该激光器的制造技术比较成熟，结构简单、使用方便、价格便宜，故选用氦氖气体激光器作为光源。3、光信号检测部分在光电检测电路中，一般通过对光电二极管的微弱光电流的检测来获取有用信息，其原理是先将光信号转换为电信号，再将调制到光载波上的有用信号解调出来。光电检测电路由光电器件、输入电路和前置放大器三部分组成。光电器件有光敏电阻、光电池、光电二极管和光电三极管等多种, 它将被测的光信号转换成电信号。，输入电路由电源、电阻、电容和电感等元件组成，它为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换。前置放大器可以采用三极管或场效应管等分立元件构成的放大电路，也可以使用集成运算放大器，它将转换后的微弱电信号进行放大，同时要与后面的信号处理电路的输入阻抗相匹配。4、信号调理部分由滤波电路、前置放大电路和方波整形组成其中由于信号中含有频率成分较多噪声的低频成分，因此采用带通滤波器滤除噪声，提高信噪比。系统运用有源带通滤波器，其中有源滤波器成本低，质量可靠及寄生影响小，设计和调整过程简便，阻带衰减速度比无源滤波器快，推动放大电路设计成反相放大，主要由集成运放及外围元件组成。本设计里选用了AD8045集成运放具有超低失真、低噪声、高压摆率的运算放大器。根据系统测位移的原理知道，需将滤波放大输出信号整形为方波以便后续计数器进行计数再送入单片机处理。整形的实现是通过门限比较器实现的。系统采用常用有施密特触发器的六反相器74LS14。5、计数处理部分本部分由4片4位可预置数同步计数器（异步清零）74LS161、数据锁存器74HC573、反向器40106组成。这部分的作用是将测量信号和基准信号的计数值锁存到锁存器以及通过反向器的进位信号产生中断记录进位数供单片机读取从而进行数据处理。6、信号处理部和显示部分本部分由单片机AT89S52和162 LCD液晶显示器组成。核心是单片机AT89S52，数据的处理，控制计数器清零，数据选择器，锁存器锁存及液晶显示器显示位移等都由单片机完成。设计总结本文就激光干涉微位移测量的设计方法，提出了总的设计思想，完成了高精度照度计的软硬件设计。主要完成了以下工作:对测量系统的硬件进行了细致的研究分析，对