（光学专业论文）激光加工光学定位方法研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，时间分辨光谱技术在免疫分析中 的应用是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：近年上月_ i l 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 址年上月卫日 1 江皿年月且日 趑岬 摘要 光学定位是光电技术领域中的一个重要应用，其应用科学前景不可估量，它 被广泛用于众多领域。 本论文较深刻的分析了有关p s d 的参考资料，并深入研究了p s d ( p o s i t i o n s e n s i b l ed e t e c t o r ) 的工作原理及其应用。对以p s d 为探测器的定位系统的位 置测量原理进行了推导。并对激光三角法测量的理论以及成像系统的放大率进行 了研究，本论文采用的是一种单透镜准直法，该方法结构简单、准直效果良好。 完成了激光加工光学定位系统以及基于p s d 的位移信号检测系统的硬件和软件 设计。通过对定位方法的研究，为激光点焊设计了基于p s d 的光学定位方案，目 的是希望解决激光点焊的方便、安全和精度要求等问题。由于在传统的p s d 信号 处理电路中，存在着许多不足之处，本论文采用了p s d 信号处理专用集成电路 h 2 4 7 6 。 关键字：p s d 激光三角法半导体激光器集成电路h 2 4 7 6 a b s t r a c t o p t i c a ll o c a t i n gi sa ni m p o r t a n tu s e o fp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g y ，i t s a c t u a lv a l u ea n ds c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ew i l lb ei n v a l u a b l ea n di tc a n b ew i d e l yu s e df o ri n d u s t r y ，c o m m u n i c a t i o n s ，m e d i c a ls c i e n c e s ，m i1i t a r y ， s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm a n yf i e l d s t h i st h e s i sd e e p l ya n a l y s e st h e n e w e s t1 i t e r a t u r ef r o md o m e s t i ca n d o v e r s e a s t od e r i v et h el o c a t i o n m e a s u r i n gp r i n c i p l eo fd e t e c t o r sl o c a t i n gs y s t e mb a s e do np s d a n da l s o c o n d u c t sar e s e a r c ho nt h el a s e rt r i a n g u l a ti o nm e a s u r e m e n tt h e o r y ，t h e t r a d i t i o n a li n v e r s i o nf o rl a s e rc o l li m a t i o no ft h et e l e s c o p es y s t e mh a s b e e nu n a b l et ou s e t h i st h e s i su s e das i m p l es t r u c t u r ea n dg o o dr e s u l t s s i n g l ec o l i i m a t i n gl e n sc o l l i m a t i o nm e t h o d ith a sf i n i s h e dt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g no fl a s e rp r o c e s s i n go p t i c a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma n d d i s p l a c e m e n tp s d - b a s e ds i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m - t h er e s e a r c ho fl o c a t i n g m e t h o dd f s i g n sal a s e rw e l d i n gp s db a s e do no p t i c a ll o c a t i n gp t o g r a m , t h eo b j e c t i v ei st os o l v et h ec o n v e n i e n c e ，s a f e t y ，a c c u r a c yr e q u i r e m e n t s a n do t h e r i s s u e so fl a s e rs p o tw e l d i n g t h ea n a l y s i so ft h ed e t e c t i o n s y s t e m se r r o rb r i n g su pt h ed i r e c t i o no ff u t u r ei m p r o v e m e n t sa n ds u p p l y ar e f e r e n c ef o rt h em e a s u r e m e n tm e t h o da n ds y s t e mo p t i m iz a ti o na n d a p p l i c a t i o n o nt h eb a s i so ft h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lp s ds i g n a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，t h i st h e s i sa d o p t e d t h ep s ds i g n a lp r o c e s s i n g s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i th 2 4 7 6 k e y w 6 r d s ：p s d l a s e rt r i a n g u l a ti o ns e m i c o n d u c t o rl a s e r s i n t e g r a t e d c i r e u ith 2 4 7 6 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 激光加工概述1 1 2 光学定位概述2 1 3 位置敏感探测器( p s d ) 发展现状及应用2 1 4 论文研究的主要内容及意义3 第二章激光三角法研究4 2 1 激光三角法概述及分类4 2 2 激光三角测量基本原理6 2 3 成像系统放大倍率的设计及透镜选择9 第三章光电接收器件特性研究l l 3 1 主要的光电接收器件1 1 3 2p s d 结构及工作原理l l 3 2 1 一维p s d 1 l 3 2 2 二维p s d 1 3 3 3 影响p s d 定位精度的几个重要因素1 4 3 4p s d 使用注意事项1 4 3 5 设计所佼刚的p s d 参数1 5 第四章光源的选择以及光源驱动电路的设计1 8 4 1 半导体激光器的介绍1 8 4 2 半导体激光器性能参数1 8 4 3 半导体激光器驱动电路1 9 4 4 半导体激光光束的准直系统2 0 第五章激光定位系统的设计2 3 5 1 光学定位系统设计2 3 5 2 基于p s d 的系统设计2 9 5 2 1h - 2 4 7 6 扩展电路设计2 9 5 2 2 电路的直流工作点调节3 2 5 2 3 典型带通滤波器的设计3 4 5 2 4 系统软件的设计3 6 第六章系统实验结果及分析3 9 总结4 8 致谢4 9 参考文献5 0 1 1 激光a n t 概述 第一章绪论 激光在现代社会里应用已经越来越广泛，它是一种高技术，在大多数领域中 都是利用激光具有的单色性、方向性、相干性以及高功率密度等一些特性( 时间 空间特性和偏振特性) 。激光加工通常可以分为两种，冷加工和热加工。冷加工 是某一种波长的激光束照射在聚合物一类的材料上时可产生光化学反应的刻蚀 加工。而当激光射到金属一类的工件上时会使被照射的工件在瞬间熔化甚至是汽 化，这种加工就是热加工。激光加工中的冷加工或热加工，它们的决定因素是光 子能量的大小。光子能量与光波频率成正比，与其波长成正比。根据光子能量大 小可以分为红外光和紫外光。可以输出红外光有二氧化碳和y a g 激光器。红外光 的光波比较长，光子能量很小。准分子激光器输出的是紫外光，其光子能量可以 达到5 e v ，比某些物质分子的结合能高，其作用机理是光化学作用，可以排除热 影响，得到极高的加工质量。 激光对被加：j ：对象的要求自由度都很大，尤其是在形状、材质、尺、j j 、加1 环境等方面。激光的空间控制性和时间控制性都很容易，特别适合于自动化加工， 激光加工系统与计算机数控技术所结合构成的加工设备，具有相当高的效率，为 优质，高效，低成本的加工行业开辟了广阔的前景。与传统加工方法比较，激光 加工有如下主要特点憧1 ： 1 适应性强：可以加工任何材料，不但可以在大气中，真空中也可以在进 行加工。 2 加工功能多：在同一台机床上可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多 种加工项目。 3 加工精度高：对微型陀螺旋子，采用激光动平衡技术，其平衡精度可达 百分之一或千分之几微米的品质偏心值。 4 加工质量好：由于非接触式加工和能量密度高，并可以在极短时间内完 成，工件热变形极小，且无机械形变，特别有利于对精密小零件的加工。 5 加工效率高：在某些情况下，用激光进行深溶焊接时生产效率比传统方法 提高3 0 倍：用激光切割可提高效率8 2 0 倍。 6 经济效益高：与其它方法相比，激光器打孔的直接费用可省2 5 一7 5 ， 间接加工费用可节省5 0 - - 7 5 ；用激光切割钢件可降低加工费用。 7 无公害和污染：激光束不会产生x 射线，并且无加工污染。 8 节能和市省材料：激光束的能量利用率为常规热加工工业的1 0 1 0 0 0 倍， 。友光切割可节省材料15 一- 3 0 。 1 2 光学定位概述 光电技术中光学定位是一种非常重要的应用。在当今的激光加工( 点焊) 操 作中，操作人员还是依靠视觉的判断来确定焊点的位置，一般情况下，这种对精 度要求很高的操作对工作人员的要求也很高。因此，研制出一种人与计算机合作， 利用位置敏感传感器，并通过数字信号处理以及计算机的辅助，可以精确的实现 激光点焊的光学定位系统是目前激光加工领域中所研究的热门内容。这种激光焊 接定位系统最关键的技术就是要根据定位系统设备( 位置敏感传感器) 得到焊点 的多模数据，利用光电转换技术将模拟信号转换成数字信号在计算机中直观显 示，判定目标的空间位置，在这种定位系统设计中，选择合理的光学路径以及合 适的光电器件是最基本的要求。定位系统利用空间位置敏感传感器确定激光点焊 中焊点结构或标志点的空间坐标，从而达到识别目标，实现对焊点的精确点焊。 1 3 位置敏感探测器( p s d ) 发展现状及应用 上世纪7 0 年代p s d ( p o s i t i o ns e n s i b l ed e t e c t o r ) 研制成功。由于p s d 器 件具有体积小、噪声低、线性范围大、分辨力高、灵敏度高、光谱响应范围大、 响应速度快、价格相对经济等b 1 。 l 、p s d 在工业中的应用 在工业生产中，p s d 主要应用于工件的位置、振动、速度、尺寸以及表面测 量等方面。 2 、p s d 在军事中的应用 军事领域中p s d 一般都用在电子自动准直系统。 3 、p s d 在汽车工业中的应用 日本公司在九十年代研制了一种可以提高安全性能的汽车，这种汽车当中就 利用了p s d 。该装置就是通过激光雷达扫描，利用p s d 测定反射镜的角度，并通 过信号处理，便可以探视到前方1 2 0 米以上的障碍物，精度可以达到0 5 米。 4 、p s d 在机器人技术中的应用 上世纪8 0 年代机器人中就已经有p s d 技术应用其中了。其主要技术为位移 和视觉传感器。 5 、p s d 在航天中的应用 在航天中也已经利用到了p s d ，飞行器存对接过程中利用p s d 光学测瞳系统 来测量飞行器的姿态。上世纪八十年代欧洲航天局研究报告中首次提出空间应用 中可以利用p s d 。 2 1 4 论文研究为主要内容及意义 在激光焊接雷管过程中，目前我们只能依靠肉眼或者显微镜去完成焊接对准 工作，即便是经验丰富的技术人员也很难保证长期的注意力集中，这样就会对焊 接精度及效率产生很大影响，所以本论文通过激光三角法原理设计出合适的光路 系统，并结合半导体激光器的特性选择合适的光源，对透镜准直系统进行研究。 根据位置敏感探测器p s d 的原理、特性以及外界因素对其的影响，在设计中利用 抗干扰能力较强的信号处理专用集成电路h - 2 4 7 6 ，通过高速信号处理器d s p 的 应用使p s d 信号处理数字化，大大提高信号采集速度和测量速度，通过这些实验 资料我们可以解决在激光焊接雷管工作中精确定位的难点。根据实验要求，焊丝 的实际直径约为2 0um ，那我们的测量精度就应该在1 0um 以下。 3 第二章激光三角法 2 1 激光三角法概述及分类 激光三角法测距方法结构比较简单，实用性较强。本文将采用激光三角法。 激光三角法微位移检测技术具有以下几种优点h 3 ： 采用半导体激光器，测量仪器体积较小； 半导体激光方向性较好，光的功率高，从而使测量仪器产生高分辨率、好的 稳定性、高测量精度； 可以与计算机结合，组成测量自动化智能型测量仪； 可以在生产现场实现在线检测； 由于具有上述特点，激光三角法微位移检测技术在工业领域具有广阔的应 用前景晦1 。 激光三角法可分为直射式和斜射式： ( 1 ) 直射式 直射式：一角法是激光器发 l 光束，经过汇聚透镜垂直入射到被测物面上，随 着物体移动入射光轴也会移动，并通过散射光，在光电位置探测器上成像。 d ( a ) 4 d ( b ) 图2 1 直射式三角法原理图 直射扎：的援收旧又叫以分为两种情况： ( a ) 接收面垂直于物镜光轴 根据光学成像原理以及图2 1 ( a ) 的几何关系，可以得到以下近似关系式 x = d p s i n a为透镜的横向放大率，这种不知满足近似的线性关系，测量 范围受到非线性的限制，测量范围受到非线性的限制。 ( b ) 接收面平行于激光器入射光轴 为了满足测量的线性要求，同时又要具有一定的测量范围，接受面可以平行于射 轴线设置，如图2 1 ( b ) ，这样的设置可以得到 x = d p 这种方法解决了线性问题，可有较大的测量范围，一般的直射法都采用这种 设置采用这种设置。 ( 2 ) 斜射式 图2 2 为斜射式三角测量原理图，激光器发出的光与被测面的法线方向成一 定角度入射到被测物面上，同样接收透镜接收的光点是在被测面的散射光或反射 光。 5 图2 2 斜射式三角法原理图 由图2 - 2 中几何关系可以得到 0 0 o mo m c o 1 9 c l i 、( x 2 - a 0 ) s i n ( o r + 0 ) 倒：d 墅! 竺盟 c o s 0 x ：f l o m ：x s i n ( a + 0 ) c o s 0 作为斜入射的一个特例，当口= 0 时，即为斜入射直接收式，那么， x = f l d t a n 0 2 2 激光三角测量基本原理 ( 2 一! ) ( 2 - 2 ) 激光三角测量是一种非接触测量位移的重要方法。其原理是将激光束照射到 被测物面，利用透镜收集漫反射光斑会聚到光接收器件上。被测物体移动时，光 斑在光接收器上也会相应移动，然后根据位移大小和各种参数来达到各方面数据 信息。为了准确的反映物面位置变化时不受其表面质量的影响，通常采用激光束 入射的三角测量方法口1 。 6 p 图2 3 入射式激光三角法测量原理图 介9 夼。 唆| ，二二j j 二、 ( 一 n d 图2 4 物一像位移轨迹图 图2 4 入射光斑及其象点位移轨迹图。图中p 和l 分别为入射光斑及其像点 的位移量。 图中d 。和d ：分别为基准点的物距和象距，0 为0 像点，m 和n 分别为1 1 1 和 n 的像点，0 为散射光入射角，巾为成像角，i 为成像透镜，焦距为f 当激光光 束照射剑1 1 1 点时，可知l n d l = p s i n 0 ，m o l = l s i n q 伊 7 山删以确形撕卜m d l 。嘴面m o i 2 i o i 专 即生坐：d l + p c o s o l s i n 矽d ，一厶c o s 矽 p s i n p统+ p c o s 0 一= - _ 二- - - - - - - - - - 一l s i n q ，畦一l c o s ( 0 三： 丝墅里 碣s i n r p + p s i n ( o + 伊) 令彳= 五d 而2s i n o ，召= 主黟则由上式可简化为 s i n ( 汐+ 矽)s i n ( 乡+ 矽) 一 综合上面可得 尸：旦 a l 式中，符号“+ 对应于图2 3 由o 移至b ， 三：旦 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 符号“一对应物面由o 移至e l , ( 2 - 1 0 ) 式中，符号“+ ”对应于图2 3 物面由0 移至m ，符号“一”对应物面由。移至n 。 由p l 关系公式可得p l 关系曲线，图2 5 所示。从图中可以看出该曲线为 非线性曲线，只有当物面在。点附近较小范围移动时，上述曲线可近似按线性关 系处理。 8 b 一 a j a o l 暨呈5 a l o 5 b 。 一b 图2 5p l 非线性关系曲线 图2 5 所示。精密测量中须采用非线性补偿措施求减小j r 线。r 测嚣误差。 2 3 成像系统放大倍率的设计及透镜选择 激光三角测量传感器的放大倍率即为图曲线的斜率，其数学表达式为 d l p = d p ( 2 - 1 1 ) 由图2 - 5 所示的p l 关系图可知，以0 点为参考点，向下( a 点) 为负， 向上( b 点) 为l - e ，对应的像平面07 向a 方向为负，向b 方向为正随1 。 9 一功亳垫缈 珥i 1 | 一r d l 。 d p o d 2 s i n o z d l s i n ( 秒+ 砂 图2 6成像系统的放大倍率示意图 在如图2 3 所示，当入射光斑由0 向m 方向移动时，对应像点向m 方向移动， 即从0 点向负方向移动，则成像系统的放大倍率不断减小，分辨率不断下降。反 之，其分辨率不断提高。 1 0 第三章光电接收器件特性研究 3 1 主要的光电接收器件 目前在激光三角法微位移检测领域中，使用的较为普遍的有三种光电接收组 件。 1 、二象限硅光电池 二象限硅光电池的原理是光斑在光电池上移动时，两象限接收到的光能会 发生变化，电流也会变化，经过处理后位移变化便可以测出。但它对光斑要求比 较高，仪器的分辨率还要靠光电池灵敏度来决定。 2 、电荷藕和器件( c c d ) 电荷藕和器件( c c d ) 是一种新型半导体器件，出现在上世纪7 0 年代。c c d 微 位移测量装置具有高精度、动态测量范围大、功率低、体积小等优点。 3 、位置敏感组件( p s d ) 目前在激光三角法微位移测量中p s d 是应用最为广泛的光电接收组件，p s d 是一j ， p n 结不仁光l | j l 池，结构特殊。 3 2p s d 结构及工作原理 3 2 1 一维p s d p s d 工作的物理基础是横向光电效应原理，横向光电效应又称侧向光生伏特 效应或殿巴效应。 图3 1 为p s d 一维的原理图。图中光点位置c 决定了均匀扩散层( p s i ) 中 a c 段和b c 段的电阻的比值n 2 1 3 3 。 设a c 段的电阻值为兄，b c 段的电阻值为r ，兄和心并联电阻值为r ， 则光电流分两路( 分别通过兄和咒) 由电极a ，b 流出其值分别设为l 和厶 图3 1 一维p s d 原理图图3 2 一维p s d 等效电路图 l 心= i b r b ( 3 1 ) 则有兄= 旦x ( 3 2 ) s 设表面电阻层的电阻率为p ，面积为s ，以a 为坐标原点，光点c 的坐标为x ， 则： r = 詈( h ) 肛, s oc 、a ( 1 y ，马 生：墨：生 i br d x z 舻觋 1 + 1 a ，b 两个电极的电流之比表示为： 州亡a i ) x 与l 厶是非线性关系，如图3 3 所示。可表示为： 由( 7 ) ( 8 ) 式可得 生：旦= 生 i qr ；l 量：旦= 三 i qr b l 1 2 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) l 一厶= ，u ( 1 一 吨圳( 1 一芋) x = 扣措， 若以a b 的中点为坐标原点，则光点c 的坐标x 为 x 了l x 专糟 3 - q ，x = 一一x = 一匕2 f、 22j + ，。 7 上式l 一厶和l + 厶的比值线性地表示了与光点位置x 的关系其曲线如3 4 所 l 2 3 l 1 ，2 i 1 1 4 t jli 一粥l l ，2 1 弋 1 4 i i 。ll l2311 20l ，21 图3 3 x 与的关系 图3 4 x - 与( i o z a 6 r o + 厶) 的关系 上述表达式还能抑制背景光的影响和光点光强的变化n 4 儿坫。 3 2 2 二维p s d 1 + l 。) 二维p s d 其实就相当于两个一维p s d ，可以测量两个方向上的位置坐标。 y 图3 5 二维p s d 原理图 1 3 x 在图3 5 中 - - h _ 光斑在 缝标任一位置时，电极a ，b ，c ，d 均有电流蝣出，其 f f t 没j , j 厶，6 ，l ，厶，当毵= x b = 0 ，光斑在中心时，则l = 厶，l ：= i d ； 当光斑落在x 轴上且靠近电极a 上时，则i1 0i j 厶i ，i 乞i ili ：当光斑落在第三象限， a p 咒 lli 其余类推。 以p s d 的中点为坐标原点，可得 z ：三尘玉 2i ，+ i b y = 三鲁( 3 - 1 0 ) 2lc id 所以，由x 方向和y 方向流出的电流就能确定光点在p s d 平面的位置。本实验采 用的是二维p s d n 6 m 3 。 33 影响p s d 定位精度的几个重要因素 1 、光束倾斜的影响口蜘 在实际应用中，光束对称轴不可能一直与p s d 光敏面的法线相互平行，而会 成一定的夹角，这样就会对定位产生一定影响。 2 、入射光斑大小和强度分布的影响u 卅 研究显示，运用计算机对均匀光斑和高斯光斑进行精确的计算后，得出的数 据表明，均匀光斑灵敏度低于高斯光斑，因此在实际工作中，直接利用高斯光斑 定位更为有效率。 3 、光斑形状不规则的影响 有时激光器输出的不严格的基模高斯光束在经表面粗糙的物面反射后，散斑 效应会影响光强分布的不对称，定位精度随之下降。 3 4p s d 使用注意事项 在使用p s d 器件时，应该在储藏、固定、焊接以及清洗方面注意以下几个问 题删： ( 1 ) 储藏的时侯，要防止引脚污垢和氧化，在没有打，f ：单元组件h , t j ；, 2 放在 干燥的储存盒 1 4 ( 2 ) 固定的时候，在需要切割或者是弯曲引脚时，我们一定要保证引脚底 鄙截面的环氧树脂包装不会受到压力。 ( 3 ) 焊接的时侯，电烙铁的温度2 0 0 c 一- - 2 3 0 c 之间，时间在1 - - - ，5 秒，也 可在底部辐射。 ( 4 ) 清洗时应用氟隆或乙醇溶剂。 3 5 设计所使用的p s d 参数 根据实际测试中激光波长约为7 5 0 h m , 由此可确定探测器的峰值响应波长， 然后考虑探测器的响应灵敏度、等效噪声功率、供电电压、器件价格、购买难易 程度等因素，本设计中采用浙大富通的二维p s d 传感器，选用该器件的具体性能 参数如表3 1 ： 表3 1 二维p s d 性能参数 规格四边形二维p s d ( 3 m m x 3m m ) 光谱范围( r i m )3 8 0 - 11 0 0 峰值响应度( a w ) 0 5 位置测量误差( um )4 0 一4 0 0 ( 中间一边缘) 位置分辨率( 1 am ) 3 暗电流i d ( n a ，v r = 5 v ) 。v j 一。：， 矿 。十矗 _ 娃- t 勰 v 下 一 l35791 1 1 31 51 7 1 92 i 2 3 2 5 2 72 93 13 33 53 73 94 14 34 54 7 图6 3 归一化误始曲线图 4 2 6 1 6 7 3 3 8 1 o o 1 0 0 0 o o 0 0 0 0 o o o 0 o o 0 o 1 3 5 7 9 1 3 3 3 3 3 3 4 4 o 0 o o o o 0 6 1 4 3 7 3 8 2 3 4 5 8 l 3 3 3 3 3 3 4 4 0 o o o o o 0 5 7 6 2 4 9 2 3 4 8 l 2 1 9 3 3 3 4 5 7 o 2 2 2 2 2 2 3 6 5 6 6 3 1 4 0 o o o 0 o o 0 o o 0 0 0 o o o o o 0 0 0 3 1 9 7 5 3 l 1 l o o o 0 o o o o o o 0 0 一 一 一 一 一 一 一 6 5 6 6 3 9 6 3 1 9 7 5 2 o l 1 o o 0 o o 0 o o o 0 o 0 一 一 一 一 一 一 一 3 2 9 3 8 1 8 5 8 3 4 3 5 1 3 0 4 5 1 上 1 上 l11，li 误差平均值= 0 0 0 5 0 8 7 ； 标准差为： ( 6 - 1 ) = o 0 0 3 71 2 5 m m 观察上图，y 轴为位移系统测量值与实际被测物的位移值之间误差，我们观 察发现，除了两端位移偏差超过1 0 l am ，在p s d 线性区内( 图中x 轴上1 5 3 5 之 间) ，位移偏差在7l am 内，只要我们在实际使用时将p s d 入射光控制在a 区范围 内，对于我们激光加工中焊丝厚度为2 01 tm 的检测，基本可以满足检测精度要求。 研究入射光强度大小对p s d 检测精度的影响，我们是通过分别对二维p s d 的 a 区和b 区的两点位置，在暗室条件下进行连续1 0 次的采样求标准差进行比较， 电信号处理单元采用的是改进型放大电路模式，通过数字运算解算被测物体位 置， 在测量过程中，我们通过微调半导体激光器串联回路中的电位器，来实现其 亮暗的调节，通过电阻分压测电流推算出激光器的大致输出功率值分别为：3 嗍 和5 r o w 两种状态；入射光斑直径为0 5 m m 。数据如表6 0 表6 3 激光器输出功率为5 唧状态位移表 激光器输出功率为5 m w 状态 5 m w 入射光强状态下，在a 区测得： 4 3 x 位移平均值为：0 2 5 6 9 n l m 标准差为o 0 0 3 5 7 3 m m ； y 轴位移平均值为：0 3 5 9 3 m m ；标准差为0 0 0 4 1 3 m m ； 光斑对于原点位移为：0 4 4 1 7 m m ；标准差为0 0 0 4 2 8 m m ； 在b 区测得 x 位移平均值为：1 0 6 2 3 m m ；标准差为：o 0 0 8 5 2 5 咖； y 轴位移平均值为：1 3 3 0 7 咖；标准差为：0 0 0 9 6 9 m m ； 光斑对于原点位移为：1 7 0 2 7 咖；标准差为：0 0 1 0 8 m m ： 表6 4 激光器输出功率为5 m w 状态位移值表 激光器输出功率为5 m w 状态 二维p s da 区 二维p s db 区 x 轴位移咖y 轴位移相对原点位x 轴位移y 轴位移相对原点位 0 1 7 0 2 i i f f n 移 0 2 3 2 m m 0 2 8 80 6 9 7 m m 0 8 7 3 移 1 1 1 7 0 1 6 9 0 2j 60 2 90 7 0 3 0 8 7 5 1 1 2 3 0 1 6 5 0 2 3 40 2 8 70 7 0 6 0 8 8 6 1 1 3 3 0 1 6 7 0 2 3 7 0 2 90 7 0 30 8 7 5 i 1 2 2 0 1 6 80 2 3 8 0 2 9 20 6 9 8 0 8 7 6 i 1 2 0 1 7 00 2 4 0 0 2 9 5 0 7 0 3 0 8 7 1 i 1 1 9 0 1 7 3 0 2 3 50 2 9 10 6 9 1 0 8 7 5 i 1 1 5 0 1 7 20 2 4 0 0 2 9 60 6 9 4 0 8 8 1 i 1 2 2 0 1 7 00 2 3 6 0 2 9 10 7 0 7 0 8 9 1 i 1 3 8 0 1 6 90 2 3 9 0 2 9 20 7 0 3 0 8 7 6 1 1 2 3 5 m w 入射光强状态下，在a 区测得： x 位移、f 均值为：0 1 6 9 5 m m ；标准差为0 0 0 2 3 5 n u n ； y 轴位移j f 均傀为：0 2 3 1 7 m m ；标准差为0 0 0 2 7 1 m m ； 光斑对于原点位移为：0 2 9 1 5 m m ；标准差为0 0 0 2 8 3 m m ； 在b 区测得 x 位移平均值为：0 7 0 11 m m ；标准差为：0 0 0 5 6 3 m m ； y 轴位移平均值为：0 8 7 8 3 硼；标准差为：0 0 0 6 3 9 m m ； 光斑对于原点位移为：1 1 2 3 8 m m ；标准差为：0 0 0 7 1 3 m m ； 图6 4 位移误差特性曲线 图6 4 纵轴y 为相对原点位移的误差值，入射光功率为2 0 w 状态下，峰值较 高部分为h 区位移误差特性曲线，另一部分为b 区位移误差特性曲线。我们通过 比较可以看出当光斑入射a 区内，所测位移的波动范围小，稳定性好。 4 5 图6 5 位移误差特性曲线 图6 5 纵轴y 为相对原点位移的误差值，光斑位置均在a 区内，峰值较低部 分为入射光功率为4 0 w 日、j 位移误笼特性曲线，另齐= j 分为入射光功率为2 0 wu , j + 位 移误差特性曲线。我们通过比较可以看出4 0 w 入射先状态卜所测位移的波动范围 小，稳定性好。 根据我们记录的数据分析，我们发现对于同一强度的入射光斑，其入射在a 区的位置标准差( 即系统测量位置的稳定性) 要比入射在b 区的标准差小( 即受 光强的影响相对小一些) ，当入射光强度较大的时候，光斑相对于p s d 坐标中心 的位移标准差小，即测量精度比较高，当然，如果光强过大，则会造成p s d 光敏 面内部p n 结饱和，造成较大的误差，所以我们在实验中选择合适的光强对于提 高测量精度也是极为重要的因素。 表6 5 不同背景光下测试数据 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一m m - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ v 71 3 3 50 6 9 4 1 1 9 90 5 8 3 l ：9 3 80 4 2 2 1 51 3 3 6 0 6 9 21 1 9 8 0 5 8 30 9 3 6 0 4 2 2 _ 一_ _ - - i - _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 4 7 4 6 4 3 2 2 3 2 翻2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 m m m m m m m l l l 7 c u 7 c u 4 4 4 3 3 3 3 9 9 9 9 9 9 9 m m m m m m m 4 3 3 4 4 4 3 8 8 8 8 8 8 8盼勰鹃弱鹃鹃鹃 m m m m m m m 8 8 2 8 7 曙b 吲引 9 9 9 l l l l l l 3 1 2 3 3 3 3 9 9 9 9 9 9 国 d 8 6 6 6 6 m m m n n m m 6 7 7 7 5 5 6 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 l l l l l l l lll工tl 8 9 o l 2 3 4 总结 本文首先介绍了该课题的研究背景以及国内外发展状况，提出了本课题的研 究目的和意义，阐述了整项研究的设计流程以及具体步骤，运用激光三角法设 计出适用于本课题的光路系统设计，并对p s d 的原理、结构、特性以及在本试验 中的选取做了大量的研究工作，对多种信号处理手段，通过模拟和数字相结合， 辅助软件补偿的方法，并且通过高速的d s p 运算能力，实现微弱位移信号的精确 检测，使得整个二维p s d 处理电路解算的位移量精确度控制在1 0l am 左右( 所使 用的p s i ) 为3 r a mx 3 m m 光敏面，最小位置分辨率为3um ) ，达到了微量位移测量 的目的。在此基础上我们提出了使用p s d 位移信号专用电路h - 2 4 7 6 进行位移检 测的方法，使得整个测量过程更为简便和实用，实验结果表明基本能达到实际激 光焊接加工中所需位移检测精度的要求。在后期的对于位移信号软件处理和解算 上，我们一方面利用软件对信号进行多次采样滤波，另一方面，我们也对采集信 号进行标定，并通过数值分析中的曲线拟合方法进行非线性补偿，使得整个测量 系统的精确度得以保证和提升。 但本设计还存在着诸多不足之处，比如光路的设计还需要改进，系统的信噪 比还需要进一步提高；需要考虑使用更好的滤波方式对噪声信号进行控制，a d 转换部分可以考虑采用专门a d c 转换芯片，以获得更高的采集速率和精度。 致谢 在本论文完成之际，首先衷心感谢我的导师张秋鄂教授。在我二年半的研究 生过程中，老师对我的学习和生活中都给了我很大的帮助，尤其是在我论文写作 阶段，张秋鄂教授严谨的治学态度和严肃的科学精神给了我极大的帮助和影响， 相信在未来的工作中也必定会让我继续从中受益。 在此也感谢实验室里各位老师在我学习和论文期间给予的热情帮助和指导， 从他们身上我学到很多东西。在撰写论文期间，许多同学给了我各方面的照顾和 支持，还有我的父母他们理解和支持使我能够在学校专心完成学业，在此向他们 表示最崇高的敬意。 4 9 参考文献 1 江海河，激光加工技术应用的发展及展望光电子技术与信息 j 2 0 0 1 年8 月第1 4 卷第4 期3 3 8 3 6 5 2 曾超，李峰，徐向东光电位置传感器p s d 特性及其应用 j 光学仪器2 0 0 2 年8 月2 3 3 方秋华，田新启，孙定光电位置灵敏探测器及其应用 力东南大学学报1 9 9 5 年9 月第2 5 卷第5 期5 2 - 5 7 4 冯俊艳，冯其波高精度激光三角位移传感器的技术现状 j 应用光学，2 0 0 4 ，2 5 ( 3 ) ：3 3 3 6 5 朱尚明，葛运建激光三角法测距传感器的设计与实现自动化仪表 j 第1 9 卷4 7 3 4 8 4 6 迟桂纯激光三角法微位移测量技术仁 j 工具技术1 9 9 7 3 1 ( 6 ) 3 7 4 0 7 侯金龙p s d 激光三角测量系统的研制 硕士学位论文 ，武汉：华中科技大学，2 0 0 5 4 8 5 0 8 林眉德基于p s d 的微距离测量系统研究：( 硕士学位论文) 杭州：浙江大学，2 0 0 7 3 5 4 0 9 1 p c o n n o r s l a t e r a lp h o t o d e t e c t o ro p e r a t i n gi nt h ef u l l yr e v e r s e b i a s e dm o d e i e e e t r a n s e le c t r o nd e v i c e se d ( 2 0 0 3 ) 4 81 4 8 4 1 0 吴赛燕，p s d 的性能分析及其应用机械工程与自动化2 0 0 7 年4 月3 4 1 1 梁凤超，续志军，胡君，邹振书基于p s d 的微位移传感器国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2 0 0 7 年9 月1 2 - 1 3 1 2 务察义，李州利，徐台善p s d 激光汛微仪i 0 研 i i j 亏精披分析中国科学技术人学学报，2 0 0 3 年笫6 期1 - 2 1 3 张广军p s d 器件及其在精密测量中的应用 j 北京航空航天大学学报第2 0 卷第3 期1 9 9 4 年7 月： 2 5 9 - 2 6 2 1 4 王占强，徐伟弘，汪开源一维p s d 信号调理电路及其应用仪表技术与传感器，2 0 0 3 年4 6 1 5 张小星，孙桂林，施涌潮一维p s d 定位精度的实验研究 j 测试技术学报1 9 9 6 年卜2 1 6 郭书立，李立军，谭定忠一维、二维p s d 的检测原理及测量电路佳木斯大学学报：自然科学版，第2 期1 - 2 1 7 任树梅。蒋圣平，郝晓剑用位置敏感传感器进行位移测试的技术研究测试技术学报，2 0 0 1 第2 期2 3 1 8 l ( a ic h e n ，z e p i n gy a n g ，h a i y i n gw a n g ，e n d el i ，f a ny a n g ，y u d o n gz h a n g p s d - b a s e di | a = r t m a n n s h a c k w a v e f r o n ts e n s o r j i n s t i t u t eo fo p t i c sa n de l e c t r o n i c s ，c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s 2 0 0 3 1 9 i t a m 锄a t s ut e c h n i c a l d a t a p h o t o n i c sl 【k s o l i ds t a t ed i v i s i o n ( 2 0 0 0 )