（光学工程专业论文）激光平直度仪系统的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 钢板平直度在线检测技术研究在工业生产中是一个有实际应用价值的问题，而利用 激光光源和c c d 测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理、易于自动化控制等一 系列优点。因此本课题研究的钢板激光平直度仪系统具有很大的现实意义和良好的应用 价值。 论文从平直度检测系统设计的基本原理出发，在现有的检测系统的基础上进行了改 进，设计了光学成像、光源控制、信号采集与处理以及相关的硬件接口构成的钢板激光 平直度仪系统的总体方案；重点设计并制作了光源部分的驱动电路和控制程序，具有软 件可调和实时数据监测等特点。利用数字信号处理器( d s p ) ，半导体激光器，d a 、 a d 转换器，恒流源电路和恒温控制电路为检测系统提供了一个比较理想的线型激光光 源。恒流源电路具有防过冲，浪涌，和反向击穿等保护功能。恒温控制电路由半导体电 热制冷器( t e c ) ，热敏电阻，和p i d 控制电路组成。 最后设计了实验室可行的测试方法对所设计系统进行了验证。通过在实验室进行的 模拟实验，对测量结果及误差产生的原因进行了分析，并采用了必要的校准和补偿。结 果表明，本文设计的光源部分具有较高的质量，半导体激光器具有可调节且可以实时监 测的工作电流和工作温度的特点。激光器电流的控制精度为l m a ，温度控制精度为l ，达到了设计的要求。 关键词：平直度；半导体激光器；恒流源；恒温控制；数据采集 激光平直度仪系统的设计 t h e d e s i g no fl a s e rf l a t n e s sg a u g e a b s t r a c t o n l i n ed e t e c t i o no ft h es t e e lp l a t e sf l a t n e s si sa p p l i e dw i d e s p r e a da n dv a l u a b l ei nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o n m e a s u r e m e n tu s i n gc c da n dl i n e a r1 a s e rh a st h ev i r t u e so f n o n 。c o n t a c t ，h i g ha c c u r a c y ，c o n v e n i e n tf o rc o m p u t e rp r o c e s s i n ga n de a s yt oc o n t r 0 1 f o rt h i s r e a s o n ，r e s e a r c ho nt h el a s e rf l a t n e s sg a u g eo ft h es t e e lp l a t eh a sh i 曲p r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u ea n dg o o dp r o s p e c t s n e p a p e rd e s i g n e dt h eo v e r a l lp r o t o c o lo fs t e e lp l a t ef l a t n e s so n 1 i n ed e t e c t i o ns y s t e m ， b a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n ，a n dt h ea m e l i o r a t i o no f e x i s t i n g m e a s u r e m e n ts y s t e m c o m p l e t et h ew h o l ed e s i g no ff l a t n e s sg a u g es y s t e mt h a ti sc o m p o s e d o fo p t i c a li m a g i n g ，l i g h ts o u r c ec o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga n dt h er e l a t e d h a r d w a r ei n t e r f a c e f o c u so nt h ed e s i g na n dp r o d u c e do ft h ed r i v ec i r c u i ta n dc o n t r o l p r o c e d u r e so ft h el i g h ts o u r c et h a ti sa d j u s t a b l ew i t hs o f ：t 、) v a r ea n df e a t u r e sar e a l t i m ed a t a m o n i t o r i n g t h ed e s i g np r o v i d e st h ed e t e c t i o ns y s t e ma ni d e a ll i n e a rl a s e rs o u r c eb yu s i n go f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ，d a ，a dc o n v e r t e r s ，c o n s t a n tc u r r e n t s o u r c ec i r c u i ta n dt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1c i r c u i t c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec i r c u i tf e a t u r e sa p r o t e c t i o no fo v e r s h o o t ，s u r g ea n dr e v e r s eb r e a k d o w n c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i ti s c o m p o s e do ft h e r m a le l e c t r i cc o o l e r ( t e c ) ，t h e r m i s t o ra n dt h ep i dc o n t r o lc i r c u i t a tl a s t ，d e s i g naf e a s i b l et e s tm e t h o di nt h el a b o r a t o r yf o rt h ev e r i f i c a t i o no ft h es y s t e m a n da n a l y z et h er e a s o nt h a tc a u s e dt h ee r r o ro fm e a s u r e m e n tr e s u l t s a i s og i v e sa n e c e s s a r y c a l i b r a t i o na n dc o m p e n s a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no f t h el i g h ts o u r c es y s t e mh a sa h i g h e rq u a l i t y t h el a s e r sc a nb ea d j u s t a b l ea n dr e a l t i m em o n i t o r i n go ft h eo p e r a t i n gc u r r e n t a n do p e r a t i n gt e m p e r a t u r e t h ea c c u r a c yo fl a s e rc u r r e n ti s l m a n l ea c c u r a c yo f t e m p e r a t u r ec o n t r o l i s l m a tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：f l a t n e s s ；s e m i c o n d u c t o rl a s e r s ；c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ； c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l ；d a t aa c q u i s i t i o n i i 激光平直度仪系统的设计 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位 期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借 阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，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，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名：j 导师签名： 气旺粝鲁盈斑议又珏f 机翌谴1 1 i 佩4 日期：逆1 年厶月4 日 日期：丝盟年l 月正日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 生兰三照整聋鱼矗互邈整至銎煎三垒蔓三三 作者签名：j 攀虹卜吼珥年月卫日 大连理工大学硕士学位论文 己l 言 - ji 口 随着工业的飞速发展，传感检测技术是现代测控领域中获取信息的主要途径 和手段，是现代测量和自动化控制的重要技术之一。在工业、国防、科研等各个 领域，传感检测技术都得到广泛的应用，并展现出极其广阔的应用前景与社会效 益。因此，许多国家对传感检测技术的发展十分重视。 作为国民经济基础的冶金工业，正朝着提高质量、增加品种、提高效益的方 向努力发展。在电子信息技术高速发展的今天，如何利用电子技术来改造传统的 冶金工业，以提高产品的质量和竞争力，这是冶金行业必然要采取的一项关键措 施。例如，钢板是造船、桥梁、机械、汽车行业中不可缺少的原材料。现代化钢 板生产过程对仪表的自动检测和精度控制要求很高，现代化钢板的生产工艺决定 了特殊检测仪表的重要性，在保证产品的质量及精度方面，全自动非接触特殊检 测仪表起到了重要的作用。 供汽车工业用的热轧板如果存在平直度缺陷，不仅无法在自动焊接机上进行 自动焊接，而且会由于运输受阻使流水线生产中断。供冷轧用的热轧卷如果存在 平直度缺陷，一方面给带钢头尾焊接造成困难，轧制时容易断带；另外也会给冷 轧时纠正缺陷增加难度，甚至会直接影响冷轧带钢的产品质量。平直度不好还会 对后面的卷取、穿带、剪切、退水、平整、矫直等操作带来困难。可以说钢铁行 业中对钢板外形的质量要求越来越高，但目前对钢板断面形状和平直度的控制还 没有达到高质量，因此，提高平直度的检测一- i + 工i - 厶匕月匕就显得重要【1 2 j 。世界大多数钢 铁厂中都增加了平直度仪，为轧制过程提供可靠、有效的数据，用于板形的控制。 因此带钢平直度远程评判显得意义重大。具体体现为如下几点： ( 1 ) 判断的客观性：通过建立合理的平直度评判模型，可以客观地对钢卷给 出评价，避免了人工判断的主观性。 ( 2 ) 判断的定量性：通过对平直度的相关数据进行处理，不仅可以识别出钢 板的缺陷类型，而且可以确切知道缺陷的大小和缺陷的具体位置，而人工判断要 定量知道缺陷的大小和缺陷的具体位置，则显得无能为力。 ( 3 ) 经济的效益性：通过对钢板平直度进行客观、定量的评价，可以供管理 者准确地做出判断和决策，避免了由于误判而增加的开卷费用和质量问题卷引起 的索赔，从而降低了生产成本。 激光平直度仪系统的设计 ( 4 ) 信息的及时性：通过网络技术，可以及时地反馈生产的质量信息，大大 提高了管理对现场的反应速度和满足质量控制的能力。从而解决了目前在对成品 卷的钢板质量进行检查时，由于采用事后开卷检查法而带来的时间滞后的问题。 ( 5 ) 信息的共享性：利用网络、数据库技术，可以使信息在生产层及管理层 之间共享，企业组织等级结构已不再受到管理幅度的限制，纵横交错的信息渠道 使得生产信息、自动化动态参数、过程检测参数和数学模型计算信息得到共享， 可建立起一种新型企业质量模式【3 ，4 j 。 不难预言，带钢平直度远程评判的研究成果将对企业带来新的质量分析和管 理上的创新。这在客观上促进了平直度检测仪的产生，这种非接触表面平直度检 测设备应该内嵌微处理器，兼有信号检测，信号处理，数据存储，数据通信，逻 辑判断能力的检测系统。 本文围绕着激光平直度仪的整体设计，给出了光学系统的设计方案并重点设 计和制作了稳定的半导体激光器恒流恒温驱动电路。详细介绍了系统结构，硬件 和软件的设计方案。 凡连理工大学硕士学位论立 1 激光平直度仪设计的基本原理 1 1 平直度的测量原理 平直度仪所用平直度测量单元由半导体激光器及一次元显示元件组成，用 激光三角法进行测量口 1 。激光器发出的激光照射到被测表面上，反射光经聚光 透镜，照射到受光镜头的c c d 阵列上成像，随着被测表面的移动，在c c d 上所 成像的光斑也相应移动，根据在c c d l 7 1 阵列上成像点的位置的变化，即可对被测 的表面情况进行测量，激光三角法结构示意图如图11 所示： 图11 激光三角法结构示意图 f i g1 is l r u c t u r eo f l a s e r t r i a n g u l a t i o n c c d 阵列根据所受光的强度，在各点处变换成电势并累积起来。各点所累 积的电势是依时序输出的。c c d 在输出信号时，依据受光单元上所成像的光斑 位置，将其所处的信号峰值测量后输出。由初始信号到这个视频信号的峰值为止 的时间为受光单元的成像位置点。随着被测位置的变化，所对应的视频信号的峰 值位置也改变。用被测钢板的位置及视频信号的峰值位置的关系的校正表来计算 被测钢板的移动量，以达到对平直度的测量。但是，传感器本身不能区分测量到 的数值是由被测钢板轧制方向的波浪引起的，还是由于板宽的距离变化所引起 激光平直度仪系统的设计 的，因为二者都可导致同样的测量结果。为了明确这一点，必须对所有通道进行 频率分析。对板宽方向的距离改变进行频率分析后，即可对测量值进行相应的修 正。此时，修正后的平直度值作为每个通道的最终计算值，随后，则可以计算出 被测钢板轧制方向的平直度值，这些值都将在2 d 画面中显示出来，根据轧制和 宽度方向的平直度情况，就可以得知被测钢板的边浪情况。 1 1 1 平直度与延伸率的分析、研究 轧制过程中轧辊的凸度，轧制的负荷、弯辊力、矫直力、矫直辊等因素都会 影响板形，若板宽方向的中央及边界发生浪形的变化，即为板形不良，一般情况 下用平直度及延伸率来表示，并使其定量化。 1 1 2 平直度表示方法 平直度i 常用板浪形的浪高h 与峰距p 之比来表示，见公式1 1 和图1 2 ： ，= h p 1 0 0 ( 1 1 ) 一 p 1 图1 2 平直度图示 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l a t n e s s 1 1 3 延伸率的定义及计算方法 延伸率，定义为直线与其对应弧长的差与该直线长之比，如图1 3 ： p = ( s 一上) l ( 1 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 延伸翠图不 f i g 1 3 s c h e m a t i cdia g r a mo fe l o n g m i o n 沿轧线方向的延伸率的计算方法：测量到的正在轧制中的钢板的表面形 状，实际上由浪形的成份和振动成分两者构成。因此，可以假设这个被测量的 距离信号为f ( x ，f ) ，则： f ( x ，f ) = ( x ) + v ( f ) ( 1 3 ) 式中：厂( x ) 为板浪成分；v ( t ) 为振动成分。对公式( 1 3 ) 在位置上进行微分， 得： 8 f _ ( x , t ) = _ d r ( x ) ( 1 4 ) 由此可以将振动成分除去，也就是说当测量出浪形的状态后，利用微分法除 去振动成分。弧长s 可表示为： s = f 搬= f 瓜再丽丽 = 三+ 吉f i d f ( x ) 胁 ( 1 5 ) 因此，轧制线方向的延伸率可以表示为： p = 董出 ：些2 n 2 a x 2 6 ) 式中，血为双光束之间距离；缈为平直度变化差。在实际的测量中，则通 常采用式( 1 7 ) 表示： 1 e ( a x ) i lc a x ) = 可 ( 1 7 ) 激光平直度仪系统的设计 首先，钢板的浪形成份在板宽方向上所发出的波浪中有一部分是边界或中央 所发生的不良形状混在其中。为了测量板的不良形状，对应全宽上所发生的板波 浪找出最小弧长，因此延伸率的定义如下： 夕坠屈一m 讯 ( 1 8 ) ) m i n 式中f 为板宽方向的测量通道。在实际工程应用中，各通道( i = 1 ，2 ， 1 3 ) 的延伸率由式( 1 9 ) 表示： p ：= p 、一p 丽。 ；= ：一m i 。 孱= 屈一氏。 ( 1 9 ) p 毛= p 、3 一l b 咖 根据式( 1 9 ) ，即可求得1 3 个通道的延伸率。 1 1 4 平直度与延伸率的关系 一般情况下，假设板形为正弦波，则平直度i ，与延伸率之间的关系可表 示为： = z 4 ( i l o o ) 2 ( 1 1 0 ) 如果被测钢板的材质处处相同，且各处的材质均匀，则钢板在轧制方向上的伸缩 变形是一致的；如果被测钢板各处的材质不完全相同，或者钢板的材质不是处处 均匀的，那么钢板轧制方向上就会产生波浪，即为轧制方向的平直度嘲。 1 2 光学系统模式选择 目前用于非接触式测量的结构光有点、线和面三种。在本课题中，考虑到对 测量速度和测量精度之间的折衷，我们选用线结构光来进行检测。在光源方面， 如果采用普通光源，因其由各种不同频率的单色光组成，容易受到外界光源的影 响，会影响到最终的测量精度。所以，我们选用半导体激光器扩展得到的线型激 光作为光源【9 1 。 1 2 1 线型激光的优点 在稳定谐振腔中产生的激光束既不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波， 而是一种结构比较特殊的高斯光束，其辐照强度随着离开中心轴距离的平方指地 大连理工大学硕士学位论文 衰减，因此能量非常集中。c c d 摄像器件的光敏单元为光注入方式，光生电荷 与入射光的光强成正比。如果线激光束的光强分布不均，各像敏元上的辐照度就 不同，在相同的时间里累积的光生电荷也就不一样i l0 。因此，在实际测量时，如 果光源的光强分布差别太大，将不能如实地反映被测表面的图像，使得不同位置 的测量精度不同，以后在对图像进行二值化处理时，还可能丢失信号。当被测表 面为曲面时，如图1 4 a 所示。 ( a ) 被测面为球面 面 ( b ) 区域i 放大图样 图1 4 线光源几何尺寸对测量的影响 f i g 1 4 e f f e c to fm e a s u r e m e n tb yt h eg e o m e t r i cs i z eo fl i n e a rl a s e r 假设为一圆弧面，入射光的入射角为口。，摄像机的倾斜角为，由于入射光 是具有一定宽度的细光束，经被测表面漫反射后，在c c d 像敏面上形成一亮圆弧 带，选择圆弧带中心的那段圆弧作为被测表面的图像。图1 4 b 为区域i 放大图 样，设s 为圆弧a b 的中点，s 为弦的中点，护为圆弧中心线与z 轴的夹角。根 据几何关系可知，像面上的中心圆弧必然经过弦a b 的中点s ，而不是圆弧的中 点s 。于是在提取被测点的位置信息时就产生了一个误差： 丹 = r ( 1 一c o s ) s i n ( f l 一口t ) ( 1 1 1 ) 2 ” 从上式可以看出，对同一个测量点，线光源越宽，圆弧a b 就越长，相应地， 中心角口也就越大，测量的误差就越大。综上所述，为了保证一定的测量精度， 传感器光源应当是一个光强分布均匀、宽度较窄的线光束。根据以上要求，我们 激光平直度仪系统的设计 采用下面的非线型光源扩展光路，把半导体激光器的发射出来的光束扩展成线型 光源。 1 2 。2 非线型光源单向扩展光路设计 非线型光源单向扩展光路如图1 5 所示。激光器发出的椭圆光首先经过倒置 望远镜系统进行准直，近似成为平面波，再用一个大小为口6 ( a b ) 的矩形 光阑遮拦成矩形光束，然后通过一个反高斯分布的液体吸收滤光镜使光强分布均 匀化。最后依次由两个相互垂直的柱面镜分别在y 方向和x 方向进行拉伸和压缩， 形成能量均一的线光源，聚焦在被测器件的管脚上。 激 图1 5 非线型光源单向扩展光路 f i g 1 5 u n i d i r e c t i o n a le x t e n d e do fn o n l i n e a rl a s e r 1 2 3 高斯光束的强度均匀化 设准直后的激光光斑半径为国，光束中心强度为，。，其光强分布为 ，= 1 0 p 一2 ，2 7 国2 ( 1 1 2 ) l 口 。 妒 r k o 一 蕈、i 阿? ( ，) 予r 1 图1 6吸收滤光镜 f i g 1 6a b s o r p t i o nf i l t e r 大连理工大学硕士学位论文 如图1 6 所示，吸收滤光镜由一个平凹透镜和平面镜组成，空腔部分充满了 折射率与平凹镜相同的液体，设吸收系数为口，离吸收滤光镜光轴为，处的液体 厚度为，( ，) ，则该处的透过率t ( r ) ， 丁( ，) = e - a t ( 7 ( 1 1 3 ) 若液槽的半径为口，平凹镜曲率半径为p ，由几何关系可知， l ( r ) = i p 2 一，2 一p 2 一口2 = 一p l 圭( 古) 2 + 吉( 云) 4 + l c - 4 ， 其中f 0 一p 一0 孺为吸收滤光镜液体的中心厚度。当二竺 1 时，由 式1 1 3 和1 1 4 得： 丁) 兰t o e 甜2 7 2 p ( 1 1 5 ) 式中t o = p 确为滤光镜中心的透过率。则激光束经过滤光镜后，强度分布为： ，o ) = ，r ( r ) 兰i o t o e ( d 1 2 p - 2 1 m 2 卜2 ( 1 1 6 ) 当吸收系数为口= 4 p 缈2 的液体充满滤光镜空腔时，有 j 兰i o t o ( 1 1 7 ) 即可实现颈项强度分布的均匀化。 1 2 4 高斯光束的整形 柱面镜一般由一个平面与一个圆柱面或两个圆柱面组成。 一崭 t 龟) 柱面镜两薇面9 ) 栌面内的光线传播t c ) 嘏面内的光线传播 图1 7 光路分析 f i g 1 7o p t i c a lp a t ha n a l y s i s 激光平直度仪系统的设计 柱面透镜在子午、弧矢方向的截面如图1 7 ( a ) 所示。可以看出，子午截面 有光焦度，对光线有会聚和发散作用，而弧矢截面无光焦度，对光线的传播方 向没有影响。由于准直后激光的发散角很小，对于面内的光线( 如图1 7 ( b ) 所 示) ，经光阑、准直系统和吸收滤光镜变换后，近似成为宽为b 的平行光，柱面 镜l 在子午面内( y 方向) 对矩形光束进行扩展，以一定角度照在柱面镜2 上， 柱面镜2 在弧矢面内只放大光斑半径而不改变光线的斜率，又投射在投影面上； 而对于o x z 面内的光线( 如图1 7 ( c ) 所示) ，柱面镜变换前是宽为口的平行光， 柱面镜在弧矢面内对其没有影响，经柱面镜2 在子午面内( x 方向) 进行压缩后， 聚焦在投射面上。这样，光斑大小为口b 的激光束分别在x 和y 方向得到了压 缩和拉伸，通过调整柱面镜间的相对位置，就可以获得光强均匀、形状理想的线 光源【1 1j 。如图1 8 所示： 图1 8 线型激光 f i g 1 8 l i n e a rl a s e r 大连理工大学硕士学位论文 2 光学系统的设计 2 1 平直度仪光学系统结构图 c c d 摄体激光器 被测表而俯视图 图2 1 光学系统结构示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fo p t i c a ls y s t e ms t r u c t u r e 平直度仪光学系统结构如图2 1 所示，将固定在铝制基板上的1 3 个半导体 激光器作为测试系统的光源，每个激光器的前端用柱面镜进行光束扩展，柱面镜 结构及扩束原理见第一章的介绍。最终得到线型激光照射到被测表面上，使表面 上形成1 3 道均匀的激光条纹。经被测表面反射后的反射光通过聚焦镜头最终成 像在摄像机的c c d 感光表面上。 激光平直度仪系统的设计 2 2 半导体激光器 2 2 1 半导体激光器的选择 本系统采用的是日本三菱公司的m l l 0 1 j 2 7 激光器，m l l 0 1 j 2 7 是一款大功 率，高发光效率的a 1 g a l n p 半导体激光器，它可以提供稳定的单横模输出，标准 的输出波长是6 5 8 n m ，峰值功率可达到3 5 0 m w 。光源部分的基本结构就是在一 个点激光半导体激光器前，加一个柱面镜，将点光源折射成线光源。 2 2 2 半导体激光器的性能要求 激光器在系统中作为光源，其特性能将直接影响拾取信号。因此，需特别 考虑三个问题 ( 1 ) 发光强度： 入射光信号越强，则经固体表面散射之后随机光信号也越强。因此信号灵敏 度也越大，同时入射光强应保持稳定。 ( 2 ) 波长： 半导体激光器从红外到可见光区域均有产品，可根据激光相关测量特点选择 适当波长，考虑到调试的方便，选择可见光波长。 ( 3 ) 指向性 由于入射光为一束，要求光源指向性要好。激光本身具有很高的单色性、方 向性好。方向性越好，聚焦光斑越小，聚焦点上光的能量密度越高，从而形成了 激光的又一个特点：高亮度。半导体激光器具有全固态、体积小、质量轻、寿命 长、效率高、可靠性高、可调制和稳定低压运转等特性【12 1 。因此，半导体激光器 是作为本系统光源的最佳选择。综合上述各种特殊要求，选择工作波长为6 5 8 n m 、 连续输出功率1 3 0 r n w 带准直的单横模半导体激光器。激光器的发射波长和激光发 射功率是激光器的两个重要的指标。而影响半导体激光器性能的主要因素是温 度。半导体的性能和温度对激光器的增益有很大的影响，当温度上升时，由于能 带隙变窄，激光光谱的中心波长变宽。温度升高，阈值电流也会上升，激光器的 输出功率降低。为了保证激光器的功率稳定输出，必须保证输入功率的变化率， 或者保证激光器的温度稳定。 2 2 3 半导体激光器的优点 采用半导体激光器具有以下一些优点： ( 1 ) 半导体激光器结构简单，体积小，维护容易。 大连理t 大学硕士学位论文 ( 2 ) 线激光的宽度可以调整。通过调整半导体激光器的柱面镜的焦距就可 以对线激光的宽度进行调整。如果在光源的前方再加上一片线型偏光板，除了可 以调整光的强度外，还可以使线激光变得更细，以避免由于条纹过宽而影响到整 个系统的测量精度。 ( 3 ) 采用6 5 8 n m 的红光单频激光器作为激光源。不易受到外界的干扰，容 易分辨。 在实验时，我们还发现，在某些情况下，如果背景反光太过强烈，还是会对 测量本身产生影响，带来不必要的测量误差，因此，我们在具体实现的时候，还 在c c d 和镜头之间加上了一片滤镜( 6 5 0 - 士1 0 n m ) ，这样就可以完全滤除背景噪音， 正确的读取出线激光的条纹中心【1 3 】。 2 3c c d 摄像机介绍 本课题采用c c d 摄像机来进行检测，所以，系统的解析度将和c c d 摄像机 本身的像素点数目，以及测量范围息息相关。在这里我们采用敏通的m t v 0 3 6 5 1 3 ”黑白高解析单板摄像机，如图2 2 所示。在本研究当中，经过图像采集卡最 终出来的图像像素为6 4 0 x 4 8 0 ( c c i r ) ，这就是我们图像采集系统的解析度。图2 2 m t v 0 3 6 51 3 ”黑白高解析单板摄像机光学测量系统的解析度除了和图像传感器 的特性有关外，还和它所能测量的范围有关，它们之间的关系如下：系统解析度 = 测量范围成像范围。如果我们要求系统各轴向的解析度均为0 0 5 r a m 像素，那 么，系统的整体测量范围将为：0 0 5 x 6 4 0 = 3 2 m m ，0 0 5 x 4 8 0 = 2 4 m m 。此时，我们 如果再辅以采用亚像素的测量技巧等一些视觉测量技巧，将可以进一步提升整个 系统的测量精度，经实验验证，可以使检测精度达到o o l m m 。当然，系统的整 体测量精度还和c c d 与光源的光轴的夹角以及c c d 的前面所加的光学镜头有很 大的关系【1 4 j 。 激光平直度仪系统的设计 图22 m t v 一0 3 6 51 3 4 c c d 摄像机 f i 9 2 2 i v i t v - 0 3 6 51 3 ”c c dc & r f l c r a 大连理工大学硕士学位论文 3 驱动电路系统的设计 3 1半导体激光器的驱动方式 ( 1 ) 在激光二极管泵浦固体激光器中，为实现对激光晶体的谱线耦合，必 须调整半导体激光器的输出波长使其与激光晶体的吸收峰值匹配。半导体激光器 的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定。半导体激光器的输出 波长随温度漂移。在电流恒定的情况下，温度每升高1 ，激光波长将增加大约 o 2 o 3 n m ”】。目前固体激光器的吸收谱线带宽很窄( 对n d ：y a g 的8 0 81 a m 吸 收峰宽度只有4 - - - 5 n m ) ，因此需要将温度控制在激光器适合的温度下，这样才 能使激光器输出稳定的波长。 ( 2 ) 延长半导体激光器的使用寿命，正常工作时，大功率半导体激光器的 热耗很大，约占总功耗的5 0 - 7 0 。若不能及时散热，就会使芯片温度急剧升 高，输出功率严重下降，并影响其使用寿命。粗略估计，壳温每升高3 0 ，寿 命就减少一个数量级【l6 1 。因此，研究半导体激光器的温度控制可以及时对其进行 散热，既延长了激光器的使用寿命，又节约了成本1 1 7 , 1 8 】。 ( 3 ) 使半导体激光器能够稳定的工作，大功率半导体激光器最大输出功率 以及功率波动都与温度相关。温度的升高将引起阈值电流增大，进一步使输出功 率下降，功率波动变大。所以，必须给半导体激光器提供恒定而且能够精密调整 的工作温度，才能保证激光二极管稳定地工作。综上所述，温度对半导体激光器 的波长、使用寿命和输出功率等都有很大的影响。所以，为了激光器能够长久使 用，我们必须对其温度的稳定采取相应的控制措施。半导体激光器驱动电路主要 包括恒流源控制电路和恒温控制电路，这样才能输出一个稳定的功率和发光强 度，为平直度仪提供一个良好的光源i l 州。 3 2 驱动电路的原理 半导体激光器恒流和恒温控制系统的硬件电路的整体框图如图3 1 所示。 核心是一个可调的恒流源电路和可调的恒温控制电路。对于恒流源部分，通过 d s p 控制d a 转换器产生调节电压，这个调节电压作为恒流源控制电路的参考电 压，它的大小由电路器件的参数和需要具体的电流值确定。同时电路还需要监测 每一个激光器的实时工作电流和电压，保证激光器稳定的工作并在发生异常的时 激光平直度仪系统的设计 候做出相应的处理。恒温控制部分是通过硬件运算电路实现的，d s p 通过d a 转换器设定一个调节电压这个调节电压用于控制测温电路的平衡点。使系统最终 稳定在设定的温度。调节电压的大小由电路的参数决定，这两个部分的详细的控 制原理请参考电路分析。 图3 1 驱动系统硬件示意图 f i g 3 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fh a r d w a r es y s t e m 半导体激光器温度控制的过程是：将传感器反馈的采样温度与设置温度进行 比较，把比较后得到的差值作为输入变量，经过p i d 控制电路对其计算产生相应 的控制量，控制变量经由功率驱动器产生相应的电流驱动t e c ，对安装在t e c 上的被控器件半导体激光器进行加热或制冷，同时半导体激光器的温度又被热敏 电阻反馈回采样电路，调整输出电流的大小，直到激光器的温度稳定在设置的温 度点上，从而实现工作时温度的自动调节【2 0 | 。 半导体激光器温度控制执行器件t e c 和n t c 热敏电阻在整个温度控制中起 着非常重要的作用。它们决定着系统运行的分辨率以及系统的稳定性等性能指标 2 1 , 2 2 】。温度控制电路的参数是控制的关键，而半导体激光器的温度控制执行器件 t e c 和n t c 热敏电阻的变化规律是电路设计的前提与依据。所以我们首先必须 大连理工大学硕士学位论文 了解半导体激光器的温度控制执行器件t e c 和n t c 热敏电阻的相关知识，然后 再后重点对控制做进一步的理论分析和实验。 3 2 1 控温执行元件t e o 概述 半导体制冷器是用两种不同半导体材料( p 型和n 型) 组成p - n 结，当p - n 结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越p - n 结移动过程中的 热效应( 即帕尔帖效应) ，就会使p - n 结表现出制冷或制热的效果，改变电流方 向即可实现t e c 的制冷或制热，调节电流大小即可控制制冷量输出。t e c 各参 数之间的关系为： q 。= m t c 一，2 r k ( t h 一疋) ( 3 1 ) o ， n = v = 1 2 r + a i ( t j l l 一疋) ( 3 2 ) 绕= n + q c ( 3 3 ) s = q c ( 3 4 ) 式中，q 。为制冷量；q 为热端发热量；疋为冷端温度；n 为输入电功率； v 为工作电压；i 为工作电流；s 为制冷系数；r 、k 、口分别为t e c 内阻、冷 热端之间的热导和塞贝克系数。将公式( 3 1 ) 对i 求导，可知当1 = 麟= 詈疋时， t e c 的制冷量最大，此时t e c 工作在最大产冷量状态。将公式( 3 2 ) 对i 求导， 可智当，2刁r习一1+-三 r 时，s 取最大值( 式中z 2 丢称为优值系 数) ，此时t e c 工作在最佳效率状态。t e c 工作在最佳效率状态时，效率高、 耗电少、热点放热少，但产冷量低，需要的t e c 元件多。t e c 工作在最大产冷 量状态时，效率低、耗电多、热端放热多，但产冷量高，需要的t e c 元件少。 当t e c 电流一定时，产冷量随热端温度的升高而降低，为了保证所选择的t e c 可以提供足够的制冷量，必须对t e c 热端进行充分散热，以提高t e c 的制冷效 果。大功率半导体激光器的温度控制系统的散热功率很大，故采用强迫风冷散热。 在众多的温度控制元件中，选择t e c 作为半导体激光器温度控制系统的温度控制 执行元件，这是因为半导体激光器的温度控制执行器件必须满足特殊的要求： ( 1 ) 激光器的工作温度为2 5 左右，鉴于环境温度可能高于或者低于这 个值，其控制系统必须同时具备加热和致冷的功能。t e c 正是具有此能力的器件； 激光平直度仪系统的设计 ( 2 ) 半导体激光器的温度控制系统必须能够精确的控制温度，保持温度控 制精度在l 之内，t e c 可使温度控制的精度达到0 0 0 1 ，完全能够满足此要求。 ( 3 ) 激光器的系统是密集的，需要温度控制系统尺寸小，以防过多的热消 耗。 t e c 的尺寸很小，如4 0 m m x 4 0 m m ，2 0 m m x 2 0 m m 等，可以满足激光器系统 对尺寸的要求。 ( 4 ) 控制器必须工作在单极性、低电压电源下，其工作不损害电源，t e c 也满。 足这样的条件综上所述，t e c 是半导体激光器温度控制系统首选的温度控 制执行器件乜们。 本文选用的t e s l 0 4 7 0 5 t 1 2 5 半导体制冷器( t e c ) 根据厂家给定的t e c 参 数( 最大电流3 a ，最大电压5 6 v ，最大制冷功率1 7 4 w ，外形尺寸2 0 * 3 0 * 4 2 ( m m ) ) 进行优化设计。 3 2 2 负温度系数热敏电阻( n t c ) 概述 人们根据温度变化会使半导体的导电性能发生显著变化的特性，用半导体材 料制成各种电子元件，把用于温度变化有关的半导体材料制成的电子元件( 电阻) 称为热敏电阻。热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件。其电阻 值会随着热敏电阻本体温度的变化呈现出阶跃性的变化。热敏电阻按照温度系数 的不同分为：正温度系数热敏电阻( 简称p t c 热敏电阻) 和负温度系数热敏电 阻( 简称n t c 热敏电阻) 。n t c 热敏电阻为温度控制电路提供了一个近乎最佳 的设计方案，它的主要优点有： ( 1 ) 灵敏度高，它的电阻温度系数的绝对值要比金属膜电阻的大1 - - 2 个数 量级； ( 2 ) 稳定性好； ( 3 ) 体积小，可制成各种形状，目前最小的珠状热敏电阻器的直径尺寸可达 0 2 m m ； ( 4 ) 功耗小，一般热敏电阻器的阻值在1 0 2 1 0 5q 之间，因此不需要考虑 线路引线电阻的影响，适合于远距离的测量； ( 5 ) 价格低廉。 在课题中选用的是n t c 热敏电阻作为大功率半导体激光器的温度传感器件， 我们选择m i t s u b i s h 公司生产的f h l 0 6 e 1 0 3 f 型热敏电阻它的参数如下： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 室温下标准电阻值2 5 ，r = 1 0 k ( 热敏电阻在2 5 时的电阻值) ； ( 2 ) n t c 热敏电阻材料常数1 3 = 3 6 6 6 k e l v i n s ( 1 3 的单位是k e l v i n s ) ； ( 3 ) 最大额定功率：1 0 m w 2 5 ； ( 4 ) 热时间常数： 1 0 s ； ( 5 ) 测温范围：一4 0 - + 1 5 0 。 n t c 热敏电阻的阻值是随着温度而变化的，其函数表达式为： r 丁rc e l 4 i 志) 删) 5 ，r =，r 【l 。1 + 2 7 7 、。0 7 j j ( 3 5 ) 其中，r ：，r 是热敏电阻在2 5 c 下的阻值，1 3 是热敏电阻材料的k e l v i n s 常t 是热敏电阻的实际摄氏温度【2 5 】，分别定义这三个参数：疋；r 为1 0 k ，1 3 为 3 6 6 6 k e l v i n s ，在实际应用当中t 的变化范围为2 0 + 7 0 ，采样间隔为1 。 其温度一阻值变化曲线如图3 2 所示： 热敏电阻( q ) ； ； l 、 、 h - 一 - 2 0- 1 0 0 1 0 2 03 0 4 05 06 07 0 图3 2n t c 热敏电阻的温度一阻值变化曲线图 f i g 3 2 p l o to f t e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ef o rt h e r m i s t o r 韫度( 一c ) 由该曲线图3 2 可以看出温度范围为2 0 + 7 0 ，对应的热敏电阻的阻值 范围为0 8 8 k 。我们还可以看出n t c 热敏电阻的阻值随着温度的变化非线性严 重，就其本身而言，很难直接应用到线性电路中2 6 1 。在实际的控制当中，我们采 用的是查表法，查询要设定的温度对应的热敏电阻阻值。f h l 0 6 e 1 0 3 f 型热敏电 阻的温度阻值对照表见附录a 。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 激光平直度仪系统的设计 3 2 3p i d 控制的原理和特点 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个 部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误 差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正 确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。p i d 控制器由比例单元( p ) ， 积分单元( i ) 和微分单元( d ) 组成。其输入p ( f ) 与输出“( f ) 的关系为： r1， u ( t ) = k p ip o ) + l _ i e ( t ) d t + d e ( t ) l d t ( 3 6 ) l ， j 式中积分的上下限分别是o 和t 因此它的传递函数为： g ( s ) = u ( s ) e ( s ) = k p ( 1 + 1 ( t ，s ) + s ) ( 3 7 ) 其中k 。为比例系数；乃为积分时间常数；死为微分时间常数。它由于 用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数( k 。，乃 和死) 即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的 一到两