（光学专业论文）激光对中仪产品化的研究.pdf

捅要 摘要 在工业生产中，有时要将几台电动机联机作为一个机组。联机时，要求电动 机的转轴对中。否则，电动机的转轴将产生振动，造成电机寿命缩短，甚至对人 员产生威胁。传统的对中方法是用钢尺、百分尺等工具测量，不仅费时费力，而 且精度低。激光对中仪的出现很好的解决了上述的问题，是目前较为理想的精密 对中仪器。与传统的对中方法比较，算法十分简捷，携带方便。 目前，对中仪在我国有一定市场，但主要依靠进口，价格十分昂贵。在这种 情况下，美国派利斯( 北京) 电子有限公司与北京工业大学合作，共同开发激光 对中仪的项目。本课题是继前期研发阶段之后的产品化的研究，因此需要从稳定 性、可靠性、成本以及市场需求等多个方面综合考虑对中仪的设计。 本课题是继激光对中仪研发之后的产品化的研究，涉及到的技术应用包括新 型号的单片机( m s p 4 3 0 f 1 4 9 ) 和新型号的l c d ( 液晶显示模块) 的开发以及应 用。论文首先介绍了激光对中仪的整体结构，然后建立数学模型，给出计算公式， 最后通过大量实验对其进行验证，完善。通过实验数据表明：该仪器十分稳定， 精度可以达到3 0 微米。论文第一章是课题的来源和意义；第二章介绍了激光对 中仪的整体结构并且建立数学模型；第三章讲述了半导体激光器的相关原理；第 四章阐述了p s d 位敏传感器的工作原理；第五章讲解了单片机的工作原理；最 后介绍了l c d 的应用以及行列式键盘的设计。 关键词对中，半导体激光器，p s d ，单片机，l c d a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r ym a n u f a c t u r e ，i ti sd e m a n d e ds e v e r a lm a c h i n e sc o n n e c t e de a c h o t h e ra sag r o u p w h e nt h em a c h i n e sa r ec o n n e c t e d ，i ti se s s e n t i a lt h a tm a c h i n e r y s h a f t sa r ea i m e da te a c ho t h e r o t h e r w i s e ，t h e yw i l lo v e r - h e a tt os o m ee x t e n t i tn o t o n l yc a nr e s u l ti nt h ed a m a g eo fm a c h i n e ，b u ta l s om a ym e n a c et h ew o r k e r s l i f e t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa r ei n a c c u r a t ei nv i r t u eo ft h er u l e r so ro t h e rt o o l s t 1 1 i s p r o b l e mi si m p r o v e do no w i n gt ot h es h a f ta l i g n m e n tt o o lb a s e do nl a s e r - d i o d e ( l d ) p e r f e c ta l i g n m e n to fm a c h i n e r ys h a ri sc r u c i a lt op r e v e n ts h a f tf a t i g u e ，s e a l i n g p r o b l e m sa n dv i b r a t i o n s i to f f e r sa ne a s ya n da c c u r a t ew a yo fa d j u s t i n gt w ou n i t e si s i ns t r a i g h tl i n e n o w , a l i g n m e n ti sn e e d e di nc h i n at os o m ee x t e n d ，b u ti ti sm a i n l yd e p e n d e d o ni m p o r tt h ee x p e n s i v eo v e r s e a sa l i g n m e n t s i nt h i ss i t u a t i o n ，p r e d i c t e c h ( b e i j i n g ) i n c o r p o r a t i o nl i m i t e dc o o p e r a t e d 、析也o u rs c h o o lt oo p e no u tt h ep r o j e c to fl a s e r a l i g n m e n tt o g e t h e r t h es u b j e c ti st h es e c o n ds t a g eo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t a f t e rt h ep r e p r o d u c t i o nr e s e a r c h ，i tn e e d ss t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , c o s ta n dm a r k e t d e m a n d ，a n dm a n yo t h e ra s p e c t st oc o n s i d e ri nt h ed e s i g no fi n s t r u m e n t t h es u b j e c ti st h es e c o n di n s t r u m e n to fl a s e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e p r o d u c ta f t e rt h er e s e a r c h ，i n v o l v e d i nt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gn e wm o d e l so f s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ( m s p 4 3 0 f 14 9 ) a n dn e wm o d e l so fl c d ( 1 i q u i dc r y s t a l d i s p l a ym o d u l e ) a n da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e h o l i s t i eo ft h es h ma l i g n m e n tt 0 0 1 s e c o n d l y i ti n t r o d u c e st h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o d e l f i n a l l yi tp r o v i d e st h er e s u l t st h r o u g hm a n ye x p e r i m e n t s t h es t a b i l i z a t i o no f t h et o o li sw e l l ；t h ea c c u r a c yc a l lr e a c h3 0 9 r n t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n d ；t h es e c o n dc h a p t e rg i v e st h es t r u c t u r ea n dt h en u m e r i c a lm o d e l ；t h e t h i r dc h a p t e rp r o v i d e st h ek n o w l e d g eo ft h el a s e r - d i o d e ；t h ef o u r t h c h a p t e r d e m o n s t r a t e st h ep r i n c i p l eo ft h ep s d ( p o s i t i o n - s e n s i t i v e d e l i v e r ) t h en e x tc h a p t e r i sc o n c e m i n gt h et h e o r yo fs c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) ；t h ef i n a l l yc h a p t e rg i v e s t h ei m p l e m e n t a t i o no fl c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 勰w e l l 弱t h ed e t e r m i n a n to f t h ed e s i g no ft h ek e y b o a r d k e y w o r d sa l i g n m e n t ，l a s e r - d i o d e ，p s d ，s c m ，l c d n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨醯丛日期：星簟：生：篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复印手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名獬碉都噜隗 蜗一6 生 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 对中技术应用的重要性 本课题是由美国派利斯( 北京) 有限公司与北京工业大学联合建立的研发 项目。对中技术，就是将两个独立的转轴方向调整到同一条直线上。在工业生 产中，常常需要将几台单独的机器联结起来，成为一个机组，使之在动力机的 带动下完成各种工作。机器之间联接的一个十分重要的课题，机组是装置的核 心设备，其技术含量高、施工质量要求高、难度大，是施工的关键项目。这是 因为机组的安装质量将直接影响机组的试运行，乃至整个装置的顺利生产。据 统计，驱动机与被驱动机之间的不对中是驱动设备产生故障的首要原因，不仅 会影响机器的使用寿命，还会造成机器零部件的严重磨损和损坏。如果对中精 度不高，会存在一些潜在影响：例如磨损增加、联轴器承受异常扭力，能量损 耗增大，造成其他设备零件加速磨耗等等。传动设备对中的目的是使传动轴在 运转时能保持均衡状态，即使得传动元件及被传动元件能在同一旋转中心上。 当两者经由联轴器连接共同转动时，产生较小的振动，延长设备的使用年限， 达到节约成本的目的。因此，驱动机与被驱动机间转轴的对中在整个安装过程 中占有重要的地位。 1 1 2 传统对中技术 传统的找正方法是用钢尺、卡尺、百分表等工具进行接触式测量，要求作 图计算，十分费时费力。因而测量精度低，工作效率低，而且测量结果受测量 人员本身经验的影响。尤其是无法实现测量的自动化及进行测量结果的显示和 数据通讯。 图卜1 机组连轴节找正 传统的对中方法如图1 - 1 所示，在找正支架上装一块千分表，先将找正支 架装在被驱动机上，使千分表触头与驱动机联轴节外圆接触，并调整千分表， 使其在联轴节外圆正上方位置时读数为零，保证驱动机轴不动，然后转动被驱 北京工业大学理学硕士学位论文 动机轴，使其沿驱动机轴节外圆旋转一周。记录千分表在驱动机联轴节外圆每 隔9 0 度标记的四个位置上所测得的数据。然后再将找正支架装在驱动机轴的联 轴上，同样做上述工作。最后用作图法或计算法，画出曲线，如误差超出要求 范围时，则应根据作图得出的偏差数据，以驱动机为基准，调整被驱动机支脚 处垫片的厚度，使驱动机轴与被驱动机轴达到设计要求的对中位置，直到最后 找出机组所要求的安装曲线。 1 1 3 激光对中仪的技术 可以看出，传统的对中方法是十分麻烦的。现在是一个科学技术迅猛发展 的社会，效率高低已经成为一个企业能否适应当今社会这种激烈竞争的一个重 要标准。因此，这就显现出传统对中技术已经不再适应当今的社会的发展了， 需要一种简捷，高效的方法来实现对中，并且要求达到一个更高的精度。于是， 基于激光准直技术的对中仪问世了。 激光对中仪是一种基于激光和微处理器的多功能智能测量对中系统。激光 对中技术是机组安装找正的一次技术革命，测量方法和测量结果得到各国专家 的认可。它不仅适用于水平安装机组和垂直安装机器的找正，而且还可用于水 平度测量及水平校正。具有携带方便、测量运算准确、快捷并可长期保存等特 点，因此，具有广阔的应用前景。激光对中与传统对中方法比较具有以下优点： 精确度高。激光的直线性好，不受重力影响，因此不会下垂出现挠 度。激光接收单元阵间距小，因而灵敏度高。由于激光对中技术精 度可达0 0 0 1 m m ，所以大大提高了对中精度。 效率高。一般3 0 - - 6 0 m i n 的工作时间。与传统方法相比，工时至少 提高5 - - 6 倍。传统的找正方法，不但测量精确度低，而且平行与角 度偏差值需人工计算。人工估计调整值，找正反复次数多，时间长， 而激光对中仪直接给出调整值，而且在调整过程中显示测量值，正 常情况下，一次调整即达同心度要求，提高了劳动效率，缩短了工 期。 无需人工经验。由于激光对中技术操作简单，靠仪器来完成测试过 程，所以不论是谁都可以从事此项测试工作，不需要过去的老经验 和分析能力。 经济效益好。提高了机组安装的技术水平和企业施工技术的科技含 量，具有良好的社会效益。与传统方法相比，激光对中仪节省了胎 具制作费用，同时，效率的提高，工期的缩短，人工成本的降低， 都显示了良好的经济效益。 1 2 激光对中仪的发展状况 2 、i，、夕、，、j q 第l 章绪论 1 2 1 国际激光对中仪的发展状况 在激光对中领域，德国和瑞典处于世界领先水平。尤其是德国，2 0 世纪 8 0 年代初世界上第一台激光对中仪就是由德国普鲁夫公司发明的。使得设备维 护人员更快、更方便和更精确地对中机器成为了可能，做到了简单安装，自动 显示偏差，自动计算轴的移动量和移动角度，尤其是结合手持仪后，十分方便 快捷。并且其精度已经达到了l u m ，测量距离也已经达到l o r e ，完全满足一般使 用的需要。 其技术指标如下：( 以s k ft m e al 为例) 激光器：d i o d el a s e r 波长： 6 7 0 一6 7 5 衄 激光功率： i m w 探测器种类：s i n g l ea x i sp s dl o * l o m m 测量距离：最大1 0 米 最大显示误差：1 i d i g i t 测量精度：0 o l m m ( 尚需补充) 1 2 2 国内激光对中仪的发展状况 我国9 0 年代初开始高价从国外购进激光对中仪，该类仪器的离岸价格需2 万美元。近年来，国内的一些研究者也开始广泛关注激光对中仪的设计和应用， 天津理工学院的龚正烈、刘昌文等在单光束l d p s d 激光对中测量仪及其数学 模型一文中建立了单光束( l dl a s e rd i o d e ) ，一个位敏探测器p s d ( p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 探测器的激光对中仪的数学模型，给出的四个非线性方 程，但解法复杂，只能在计算机中运行，离实用化距离还遥很远。浙江大学的 鲍雨梅、华永利等在便携式对中仪的研制一文中详细阐明了激光对中仪后 续计算机自动处理电路的设计。而真正的结合激光器、探测器和单片机处理系 统的实用化的激光对中仪器，国内尚没有。国内的激光对中仪基本还是采用转 动轴的测量方法，即通过反射镜分别测量o 度9 0 度1 8 0 度2 7 0 度四个值，记录 值后进行计算，得出轴移动量进行对中，仅仅将激光对中仪作为对准工具，仍 然需要手工计算，远远没有体现出激光对中仪高效快速的优势。 1 3 课题提出的目的和意义 本课题是由美国派利斯( 北京) 有限公司与北京工业大学联合建立的研发 项目。由于我国目前的激光对中仪全部都是进口，不仅价格很高，而且存在修 3 北京工业大学理学硕士学位论文 理不方便的等问题。天津大学在理论上完成了论证，但没有做到产品化。基于 上述方面的考虑，派利斯公司决定与我校合作共同完成激光对中仪的开发，研 发出一种基于激光技术的高精度、高效率的对中仪，以满足工程上的迫切需要。 这不仅符合目前高校的研发工作应该与实际生产相结合的要求，也达到了研发 成果服务于社会，为社会创造经济效益的目的。 4 茎：董耋垄圣耋些呈茎呈塞呈主塞耋堡篓墼耋耋 第2 章激光对中仪的结构组成与数学模型的建立 2 1 激光对中仪的结构 激光对中仪共有三大部分：位置信号传感、数据处理和结果输出。位置信 号传感部分包括位敏传感器p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 的信号输出及放 大。数据处理部分是由键盘控制单片机完成，最终的对中调整数据由l c d 液晶 显示模块给出“3 。 图2 1 激光对中仪结构示意图 f i g2 1l a s e r i m l r a m c n t o i l t h es t r u c t u r ed i a g r a m 21 1p s d 位敏传感器 图22 位敏传感器 f i 9 2 2 p o s i t i o ns c n s i l i v e d e t e c t o r f s d 是基于光电子技术的传感器件，主要功能是采集数据。我们( 这次) 采 用的是枕形f s d ，它在水平和竖直方向都有电流输出，通过放大、模数转换之 后送交给单片机处理数据。在第第四章我会对p s d 做详细阐述9 1 。 2 1 2 放大电路 这部分的主要功能是将p s d 送过来的信号放大，并且根据需要把电流信号 转换成电压信号。我们采用的是型号为l m 2 2 4 运放构成的放大器。 i ! 至三些奎茎塞茎呈圭耋堡耋蚤 图2 3 运算放大器 f i 9 2 3 0 p e r a t i o n a la m p l i f i e r 2 1 3 单片机 m s p 4 3 0 系列微控制器是美国德州仪器公司近期推出的单片机品种，具有超低 功耗、硬件功能集成等技术特点，特别适合应用在自动信号采集、智能化仪器仪 表液晶显示、电池供电便携式装置等领域。图2 3 为在激光对中仪上应用的单片 机内核“。 图2 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机 f i g2 4s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r 214 l c d 液晶显示模块 显示模块采用的是晶晶日昌科技发展有限公司出品的中文液晶显示模块。 它的主要功能是为人机对话提供信息显示，搭建一个交流的平台，与研发阶段 所采用的液晶模块相比较，主要差别是缺少了中文字库。因此，输入输出数据 显示采用描点的方式进行“8 。 至：茎耋耋翌耋些墼茎窒銎星量茎茎茎型坠圣兰 2 2 数学模型的建立 2 2 1 问题的提出 图2 5l c d 液晶显示模块 f i 9 2 5l c d m o d u l e 在工业生产中，经常会存在机械轴的偏差。这种偏差包括2 种：一种是同 轴度偏差，或称“平行偏差”，即相联接的两轴在相互平行的情况下发生错位； 另一种是2 个联接端面的平行度偏差，或称“角度偏差”即两轴的轴线不平 行，相交成一定角度。一般地，两种偏差同时存在。困此需要有一种方法能 使得偏差消除，激光对中仪恰好能够做到这一点。 目前，激光对中测量仪是较为理想的精密对中测量仪器，它的传感核心部 件是小巧而安全的半导体激光器( l dl a s e rd i o d e ) 和分辨率为6 u m 的光电半导体 位置探测器p s d 。激光对中仪可以自动采集、处理数据并给出调整量。 激光对中仪的模型分为两种：单光束模型和双光束模型，两者各有利弊。 单光束模型可以节约一套装置，但是算法相当复杂，需要大量的存储和运算空 间。双光束模型虽然在传感部分成本上要略高于双光束模型，但其算法简单易 懂，节省运算空间，在信号处理部分却降低了成本，并便于实用。因此，本课 胚采用了双光束模型如图2 6 所示。“”“。 北京工业大学理学硕士学位论文 图2 6 双光束l d p s d 模型 f i g2 6d u a lb e a ml d p s dm o d u l e 2 2 2 激光对中仪工作过程介绍 图2 7 所示的流程即为激光对中仪工作过程示意图，首先需要给设备上电， 机械测量部分由两个p s d 和两个激光器的组成。上电之后可p s d 可以输出电流， 将电流值通过适当大小的电阻转换成电压，之后再送入单片机进行a d 转换。完 成a d 转换之后，数据交由软件处理计算出轴偏移量。最后将修正值显示在液晶 模块上，知道操作人员完成对中工作。在计算过程中，需要主动轴和从动轴之 间两p s d 的间距、从动轴p s d 与前脚以及后脚的距离作为常量个计算，因此需 要用键盘输入数据，本课题中，计量单位为毫米，因此设计了数字键0 - - - 9 以及 确认键和取消键。 8 第2 章激光对中仪的结构组成与数学模型的建立 图2 7 激光对中仪工作过程示意图 2 2 3 双光束l d p s d 数学模型的建立 ( 1 ) 三个坐标系的建立 主动轴坐标系的建立过主动轴作直角坐标系，o 为原点，x 、y 、z 为坐标系的 三轴线，使主动轴与z 轴重合。其中p s d l 可在x o y 平面内旋转。如图2 6 所示。 9 北京工业大学理学硕士学位论文 从动轴坐标系的建立过从动轴作直角坐标系，o “为原点，x 。、y 。、z 。分别为 三轴线。使从动轴与z 。轴重合，p s d 2 可在x w o 乡平面内旋转。如图2 8 所示。 p s d 坐标系的建立调节p s d l 的光敏面与x o y 在同一平面内，p s d 2 的光敏面 与x o y 在同一平面内。分别以p s d l 和p s d 2 的光敏面中心为原点，建立直角 坐标系x o y 和x 移。】，坐标系的设置情况如图2 7 所示。 几个交点说明z 轴与x o y 。平面的交点为尸o 点，坐标为p o 。( ，y 。，0 ) ；z 。轴 与x o y 平面的交点为p 0 点，坐标为p o ( x o ，y o ，0 ) 。如图2 6 所示 图2 7 数学模型坐标建立图及测量旋转示意图 ( 2 ) 数学公式的给出 设测量时先将p s d l 置于x 轴负半轴一侧，p s d 2 置于x 轴正半轴一侧。与 p s d 2 固定在一起的半导体激光器l d 2 投射到p s d l 光敏面上的光点p 1 在x o y 坐 标系上的坐标为( x ，y l ，o ) ，而在x o y 坐标系上的坐标为( x l y l ，o ) 。与、p s d l 固定在一起的半导体激光器l d l 投射到p s d 2 光敏面上的光点p ”l 在x o y 坐标 系上的坐标为( x ”l ，y ”l ，0 ) ，而在x 幻y 。坐标系上的坐标为( x ”1 ，y ”l ，0 ) 。第 1 0 第2 章撤光对中仪的结构组成与数学模型的建立 二次测量是将两个位敏传感器分别绕主、被动轴都旋转1 8 0 。，此时，l d 2 投射 到p s d i 光敏面上的光点p 2 在x o y 坐标系上的坐标为( x 2 ，y 2 ，0 ) ，而在x o y 坐 标系上的坐标为( x 2 ，y 2 ，o ) 。l d i 投射到p s d 2 光敏面上的光点p 2 在x o y 。坐 标系上的坐标为( x 2 ，y 。2 ，o ) ，而在x 。】，。坐标系上的坐标为( x 2 ，y 2 ，0 ) 。 通过数学计算得出( 而y o ) 的坐标为： = 。r 2 厂- r , 一x i x 2 y o2 彳 ( 2 一1 ) 卜毕 1 ” 卜= 半 中的坐标为o i ( 孕，半一，其中z 为两p s d 间的距离a 伽【9 】 以水平方向上的对中为例。将从动轴z 。投影到x o z 平面上，如图2 7 所示。 由图可知，要想将从动轴与主动轴在水平面上重合，则从动轴支架前脚需要移 动的距离为0 6 1 ”，后脚需要移动的距离是6 6 “2 阳汹1 。下面具体分析。 北京工业大学理学硕士学位论文 x 轴 ( 工o ) d o b ( 后脚) 图2 7 从动轴在x o y 坐标面的投影图 经过计算可求得前脚需移动的距离为： 删o 一昭= 华一 圣：圣二兰二圣聊 其中，m 为p s d 2 与前脚间的距离。 2 z 由图2 7 中相似形的比例关二z i 2 百m + n 可得： b c = 盟b + 刀) z 其中，n 为p s d 2 与后脚间的距离。 后脚需移动的距离为： 纠”俐= 华+2 z ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 前脚和后脚水平挪动的距离口口。和6 6 。已经求出，由式( 2 3 ) 、( 2 - 5 ) r 9 可看 出未知数有( k 、e 、k 和匕，这几个数可由p s d 测得。因此通过公式计算 得出的结果即可完成两轴的对中。且当a q 。和6 6 。为正时，轴向左挪；为负时， 轴向右挪。 同理可以求出从动轴前脚和后脚竖直方向需要挪动的距离。计算公式如式 ( 2 - 6 ) 、( 2 7 ) 所示。 前脚竖直方向挪动的距离为： 1 2 第2 章激光对中仪的结构组成与数学模型的建立 x 卜x ； 2 后脚竖直方向挪动的距离为： 趟+ 羔墨2 二茎；二圣肌 2 z 茎i 茎! 二茎；二茎! 刀 2 2 z 若计算结果为正，则从动轴下移；计算结果为负，轴上移3 m m 瑚瑚1 。 2 4 本章小结 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 本章首先展示给读者一台激光对中对中仪的整体结构，阐述对中仪的各部 分组成，并且对各个部分的功能作简单介绍，使得读者能够对一台激光对中对 中仪有了一个整体上的初步了解，在后面的章节将着重介绍每个部分的功能。 其后，着重分析了双光束数学模型的建立，并且给出了数学计算公式，得 出的最后公式简单、实用，且易于单片机编程。按照此模型，只要测量l d p s d 在两个角度时光斑的坐标，即可求得两轴的相对位置。 1 3 第3 章半导体激光器 第3 章半导体激光器 3 1 半导体激光器简介 3 1 1半导体激光器历史 半导体激光器即为激光二极管，记作l d 。它是前苏联科学家h t 巴索夫于 1 9 6 0 年发明的。 它的发光是利用光的受激辐射原理。处于粒子数反转分布状态的大多数电 子在受到外来入射光子激励时，会同步发射光子，受激辐射的光子和入射光子 不仅波长相同，而且相位、方向也相同。这样由弱的入射光激励而得到了强的 发射光，起到了光放大作用。另外，作为激光器还要有谐振腔，它是利用半导 体晶体的自然解理面来充当的。 半导体激光器的主要优点是：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和 尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好瞰1 。 3 1 2 半导体激光器的发展与应用 上世纪九十年代初，欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二 极管，使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。随着半导体激光器的技术 进一步成熟，价格逐步降低，其应用批量和应用领域不断扩大，就目前的发展 速度来看，应用前景十分看好。半导体激光器在军事方面、产业和技术方面以 及医疗和生命科学研究方面都有十分广泛的应用，发挥了十分重要的作用。洲 3 2 半导体激光器原理 激光的发射，必须要满足以下三个基本条件： i ：形成分布反转，使受激辐射占优势； 2 ：具有共振腔，以实现光量子放大； 3 ：至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗。 3 3 光的能量中心不变定理 如图2 1 所示。由于激光发生器发射的光束不可能各点照射强度一致， 因此s 内各点的能量不尽相同h 1 。 1 5 北京工业大学理学硕士学位论文 y j 图2 1 光的能量中心示意图 设名( 石，y ) 为区域内任意一点( x ，y ) 处的能量强度，根据重心公式，不难计算 出，s 的能量重心点在c 点位置： 价五( x ，y ) d x d yf f y 五 x , y ) d x d y z c2 _ i i j 丽j ，c = s 葡i j 乏丽 2 - 1 该点c 称为能量中心。激光对中仪计算照射区域的能量中心位置，它是一个点。 当照射区域伴随物体间相互位置变化时，能量中心点发生位移。下面我们要证 明的是，激光对中仪感应面距离变化不大，照射倾角发生变化后，能量中心是 不动点。即原先能量中心的光线在改变位置后的感应面上的照射点仍然是照射 区域的能量中心。 图2 2 激光器照射位置变化前后对比图 上图所示的是物体间发生相互位置变化后，接受器感应而上激光照射区域 前后的变化。变化前后感应面夹角为口，x 与x 分别是垂直于两个感应面相交 1 6 第3 章半导体激光器 线的轴线，x 经过照射前区域的能量中心o ，x 经过原先能量中心的光线在变 化后感应面上的照射点。显而易见，x 和s 是x 和s 在变化后感应面上的投 影。 经证明，在测量中，激光的光束中存在一根能量中心光线，如图2 2 中c 0 0 7 所示的直线。 能量中心不变定理为激光对中仪的开发奠定了坚实的理论基础，使得对中 仪的精度有了保证。 3 4 本章小结 本章简单介绍了半导体激光器的发展及类型，着重论述了光的能量中心不 变定理，以此作为激光对中仪的理论依据。 1 7 第4 章p s d 位敏传感器 第4 章p s d 位敏传感器 4 1p s d 位敏传感器简介 4 1 1p s d 的产生与发展 位置敏感传感器( p s dp o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 的工作机理是半导体 的横向光电效应。早在1 9 3 0 年，s c h o t t k y 将白一c h ：d 金属半导体结的c “：d 表 面边缘的彳，电极通过安培表短接于国层，发现当用一束光照射c “，d 表面时， 外电流随光入射位置与电极之间的距离的增加指数下降，这是横向光电效应的 首次发现。1 9 5 7 年w a l l m a r k 在圆形i n g e p + 刀结上重新发现了这个效应，他用载 流子复合理论对此现象做了解释，并提出可以用来检测光点位置。此后才真正 开始对p s d 的研究。1 9 6 0 年l u c o v u s k y 推导得到了描述横向光电效应的 l u c o v u s k y 方程，从而奠定了p s d 的理论基础1 。这个时期制作的p s d 被称为 w a l l m a r k 型p s d ，其特点是电极设计为点状，使用时不加偏置，灵敏度、响应 速度和线性度等性能都比较差。之后，出现了四边形结构p s d ，电极设计成条 形，使用时加反偏电压，各项性能指标均得到提高。但由于四条电极设置在同 一面，电极间相互影响，非线性仍然较大( 6 8 ) 。为了提高线性度，后来开 发了双面结构p s d 。该结构将收集x 和y 方向位置信息的电极分别设在p - n 结 的两面，这样避免了电极间的相互影响，线性度显著提高，但这种结构存在暗 电流较大，不便于加反向偏压的缺点。其后，g e a r 提出了g e a r 定律，随后枕 形结构p s d 问世n u ，这种结构虽有良好的线性度，但是有效使用面积较小。近 些年来，随着科学技术的快速发展，p s d 的应用范围不断扩大，研究不断深入。 通过优化结构和不断改进制作工艺，p s d 的发展有了一些新的动向和进展聆1 。 4 1 2p s d 的分类 p s d 从产生到今天经历了几十年，曾经产生过单晶硅p s d 、氢化非晶硅 ( a s i ：h ) p s d 、有机材料双异质结p s d 、大面积挠性薄膜p s d 、阵列型p s d 。 而阵列型p s d 又分为一维阵列p s d 和二维阵列p s d 。目前，二维p s d 应用最为 普遍，被广泛的应用于传感、测量领域。 4 1 3p s d 的优点 位置敏感器件p s d 与通常的入射光位置的检测仪不同，它没有分离元件， 仅用单光束照射通过光电二极管的表面电阻即可输出连续的位置数据，这就为 测定物体运动的轨迹，自动聚焦和机器人视觉提供了良好的条件。p s d 可以获 1 9 北京工业大学理学硕士学位论文 得与光斑强度、形状、尺寸无关的准确定位信息，加之它输出线性好，分辨率 高、响应速度快、噪声低、器件尺寸小，易于实现测量装置小型化，因而使它 在物体对准、定位、位置及角度测量、变形和振动的测量方面均可获得广泛的 应用。 与其他探测元件相比，p s d 有许多独特的优点，如： ( 1 ) 没有工作死区，可给出光点在整个光敏面上移动时的连续性位置数据。 ( 2 ) 分辨率高，响应速度快，线性较好。 ( 3 ) 不需扫描，可简化外围电路，具有较高的性价比。 ( 4 ) 检测时不受入射光束的形状以及光强波动的影响。 由于这些优点，p s d 正被广泛应用于位置测量、自动调焦、目标跟踪、机 器人视觉、飞行器对接等测试和控制系统中。 4 2 阵列型p s d 位敏传感器结构及原理 阵列型p s d 位敏传感器在当今的科技领域具有不可缺少的作用。在前面已 经提到过，它主要分为两类：一维p s d 和二维p s d 。现就两类p s d 的结构和原 理分别加以说明。 4 2 1 一维p s d 的结构和原理 2 图4 1 一维p s d 结构示意图 f i g4 1o n e - d i m e n s i o n a lp s d a r c h i t e c t u r e 如图4 1 所示，其中，1 、2 表示光电流引出电极，5 是反偏电极，箭头表 示激光的入射方向。设电极输出的光电流分别为i i 、厶，以p s d 光敏面中心为 坐标原点，电极间距为厶则可以根据电极电流和电极间距求出光斑距坐标原 点的位置x ，计算公式为： x = 剽 1 ， 4 2 2 二维p s d 结构及原理 第4 章p s d 位敏传感器 二维p s d 有一般型和改进型两种，如图4 2 所示。 图4 2 二维p s d 结构示意图( a ) 为一般型( b ) 为改进型 对于一般型来说，光点坐标x ，y ( 以光敏面中心为坐标原点) 分别是：。1 lix l i 晓 x - - - 二= ：- ：= 2ix k + i x 2 4 3 改进型p s d 在激光对中仪上面的应用 4 3 1 枕型p s d 的技术指标 表4 - 1p s d 位敏传感器参数 t a b l e4 一lp a r a m e t e ro fp s d ( 4 2 ) 参数名称 芯片尺寸位置检测误差cp m )位置分光谱工作 瓢 c 姒)a 区b 区 辨能力响应温度 淤 典型值最大值典墅值最大值 ( m ) 范围 ( 。c ) c 1 0 i1 x 3 2 07 00 5 3 8 0 。1 l 1 0 晒0 c 1 0 21 x 1 2 1 2 52 卯 63 8 0 ，1 1 0 01 0 一+ 6 0 c 1 0 2l x l 21 2 52 5 067 0 0 一1 1 0 01 0 - + 6 0 c 1 0 31 3 x 1 51 2 52 5 063 8 0 1 1 0 01 0 - 斗6 0 i d p s dc 1 0 3l3 x 1 51 2 52 5 067 0 叽1 1 0 01 0 - + 6 0 c 1 0 42 0 x 2 0 1 2 52 5 0 67 0 0 。1 1 0 01 0 _ + 6 0 c 1 0 52 5 x 3 41 5 05 0 0 1 03 8 0 一1 1 0 0 1 0 膏+ 6 0 c 1 0 6 30 x 中1 4 1 03 8 0 ，“0 01 0 _ + 6 0 c 1 0 7 4 0 x 5 5 2 0 08 5 0 1 03 8 0 。1 1 1 3 0 1 0 一+ 6 0 c 2 0 11 2 x 1 2 1 0 01 5 0 1 5 0 3 0 0 63 8 0 1 1 0 01 0 _ + 6 0 c 2 0 21 3 x 1 31 0 0 3 5 0 1 5 0 3 0 0 63 8 0 。1 1 0 01 0 一+ 6 0 2 d p sc 2 0 32 1 x 2 1 1 5 08 0 04 0 07 0 0 1 23 8 0 1 1 0 01 0 _ h 6 0 c 2 0 42 7 x 2 73 0 01 0 0 02 5 0 03 5 0 02 03 8 0 。1 1 0 0- 1 0 ，斗6 0 c 2 0 54 3 x 4 35 0 0 1 5 0 0 - i - 铀n n士5 n n n 3 03 8 0 1 1 0 01 0 _ + 6 0 2 1 糕 三一2 = y 北京工业大学理学硕士学位论文 ! i , i i i 皇曼鼍曼曼寰曼寰曼鼍 位敏探测器的特性主要是由暗电流大小和灵敏度的高低决定的，我们使用 的二维位置敏感探测器的型号为c 2 0 1 ( 光敏面为1 2 r a m 1 2 r a m ) 。它有五个电极， 四个电极输出电流信号，一个电极为共用电极，用于加反偏电压。在反偏6 y 时 暗电流约为1 5 n a ，反向击穿电压在8 0 v 左右。表4 一l 列出了p s d 位敏传感器的 参数。 4 3 2 枕型p s d 位敏传感器性能研究 通过p s d 的x 、y 轴方向线性度测试、激光器不同光强对x 、y 轴单点影响 以及不同背景光对p s d 的x 、y 轴单点精度的影响的实验等一系列的实验，得出 以下三点结论： lp s d 的x 轴和y 轴的线性度非常好。 2 在一般激光器稳定情况下( 3 - 4 5 v ) ，p s d 及电路测量值基本不变，激光电 压对p s d 每个点的值影响很小。 3 强光源或近光源的背景光下，对p s d 的准确性会造成一定影响。 4 3 3p s d 在对中仪上面应用 o u t p u t i n i u t i m p u t b h d i n p u tj +i n p u trd i i i p u t1 图4 5 双列直插型l m 2 2 4 管脚图 f i g4 5p i nm a po f l m 2 2 4 p s d 的作用是采集数据并且将数据传送给单片机处理。每个p s i ) 位敏传感 器共有四路输出信号，一共八路模拟信号。在处理之前要对信号进行放大，因 此，在单片机和p s d 之间设置了放大电路。如图4 5 所示，我们选用的放大器 型号是l m 2 2 4 ，该型号放大器共有1 4 个管脚，采用单电源供电，管脚中4 脚为 正电源供电，1 1 脚为地。1 、2 、3 脚组成第1 路，5 、6 、7 组成第2 路，8 、9 、 1 0 脚组成第3 路，1 2 、1 3 、1 4 组成第4 路。每一路均有两个输入端和一个输出 端，两个输入端分别是同向输入端和反向输入端口。 第4 苹p s d 位敏传感器 取其中第1 路详细分析。如图4 5 所示，反向输入端接p s d 的y 2 输出，向输 入端接公共地g n d 。r i 为反馈电阻，c 1 是滤波电容。设输入为y 2 ，输出为l 2 ， 则根据运算放大器的两条规则“虚断 和“虚短”，可得出输入电流y 2 与输出 电压圪：之间的关系为： 2 = 一e r ( 4 3 ) 同理，可得出另三路输出为： j 巧。= 一k r l = 一五r ( 4 - 4 ) 【2 = 一x 2 r 位置坐标( x ，y ) 的计算p s d 输出的四路微弱电流信号不直接反应光点打 在p s d 坐标平面的位置( x ，y ) ，这个位置坐标是这四路电流经过一定的加减法 运算得到。 位置x 的坐标由l m 2 2 4 第l 路完成，根据放大器原理和叠加定理可推出x 具有这样的表达式： x = ( 巧2 + 2 ) 一( 巧l + 1 ) ( 4 - 5 ) 位置y 的坐标由l m 2 2 4 第2 路完成，同理可推出y 的表达式子为： y = ( 圪l + 巧2 ) 一( 吆2 + 巧1 ) 第3 路完成加法运算，的表达式为： = 巧2 + 吆2 + 以i + l ( 4 6 ) ( 4 - 7 ) a d 5 3 8 完成除法运算，即坐标的归一化，完成光点的坐标( x ，y ) 与( ， 巧) 成对应关系，每m m 对应输出电压为i v 。a d 5 3 8 第8 脚输出圪为： 儿= 一l y ：兰! 么! 兰1 2 二! 么2 堡1 2 “ 2 2 ( l + 巧l + 2 + 巧2 )2 ( 五+ x 2 + + e ) ( 4 8 ) 巧也使用一块a d 5 3 8 做除法，这里就不详细画出电路图，把图3 1 4