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南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的申频激光干涉测量研究 摘要 光学球面曲率半径的精密测量，对高质量球面样板、光学系统的质量控制等方面 具有重要意义。论文在分析球面曲率半径系统中测量方法优缺点的基础上，选用球面 半径的单频激光干涉测长方法，即将球面干涉仪和单频激光干涉测长光路相结合。使 用球面干涉仪，以确定代表被测球面球心和顶点的共焦和猫眼位置，该球面通过刚性 机构，与单频激光干涉测长系统中的测量臂角锥相连，使曲率半径得到测量。论文中 利用稳频光源、波片、偏振分光棱镜、偏振片及分光板空间移相，建立实验装置，得 到相位相差9 0 0 的三束输出光信号。将这三束光信号经过光电二极管探测后，输入到 自行设计的差分放大电路、倍频判向电路、计数和显示电路得到i 8 条纹移动的数目 1 n 。经公式r = cn 可得到曲率半径值。经光机电联调、实验测量与误差分析，结果表 8 明，所建立的单频激光干涉测长实验系统，测量灵敏度可达0 0 0 8 2 。 关键词：曲率半径测量单频激光干涉测长倍频判向 计数显示单片机 a t 8 9 c 5 1 摘要 硕：七论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ep r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fs p h e r i c a ls u r f a c e sr a d i u s i si n t r o d u c e d i ti sv e r yi m p o r t a n ti nq u a l i t yc o n t r o l l i n go fo p t i cs y s t e m a n de t c o nt h eb a s e o fi n t r o d u c t i o no ft h ee x i s t i n gm e t h o d s ，w es e l e c t m o n o c h r o m a t i ci n t e r f e r o m e t e rt om e a s u r et h er a d i u s t h ed e s i g n e ds y s t e m c o n s i s t s o ft h eo p t i cp a r t sa n dt h ee l e c t r i c a lc i r c u i t s t h eo p t i cp a r t s c o n s i s ts p h e r i c a li n t e r f e r o m e t e rp a r ta n dl e n g t h sl a s e rm e a s u r e m e n tp a r t t h es p h e r i c a li n t e r f e r o m e t e rp a r ti su s e dt of i xt h ec o n f o c a lp o i n ta n dt h e c a t se y ep o i n t b yt h er i g i dc o n f i g u r a t i o n ，w ec a nm a k eo p t i cs y s t e m s t o g e t h e r l e n g t h sl a s e rm e a s u r e m e n tp a r t i su s e dt om e a s u r et h el e n g t h o fc a t se y ep o i n ta n dc o n f o c a lp o i n t t h i sd i s t a n c e i st h es p h e r i c a l s u r f a c e sr a d i u s t h i sm e a s u r e m e n t so u t p u t sa r et h r e eb e a m sw h i c hh a s 9 0 0p h a s ed i f f e r e n c e i nt h en e x t ，t h r e eb e a m sa r et a k e do v e rb yt h r e ed i o d e s t h e n ，b e a m sw i l lb ep r o c e s s e db ys u b t r a c t i o nc i r c u i t ，d o u b l ef r e q u e n c y c i r c u i t ，d i r e c t i o nd i s t i n g u i s h e dc i r c u i t ，c o u n t e r c i r c u i ta n dd i s p l a y c i r c u i t i fd i s p l a yc i r c u i td i s p l a y st h en u m b e rn b ye x p r e s s i o nr 2 詈”，w e o c a nc a l c u l a t et h er a d i u sr t h r o u g hm a c h i n ea n de l e c t r i c i t y sc o n n e c t i o n ， e x d e r i m e n ta n de r r o ra n a l y s i s ，t h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n ti s0 0 0 8 2 k e yw o r d s ：r a d i u s s m e a s u r e m e n t ，s u b t r a c t i o na n d d o u b l ef r e q u e n c y c i r c u i t，c o u n t e ra n dd i s p l a yc i r c u i t ，m i c r o c o n t r o l l e r a t 8 9 c 5 l 南京理工大学硕十学位论文 球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 绪论 1 课题背景 随着激光技术、电子技术以及计算机技术的迅猛发展，光学测量的技术与手段发 生了质的飞跃。如：通过引入光电技术、数字显示、自动记录、自动测量和软件编程、 硬件电路等先进技术，极大地提高了光学测量的精度和效率，为光学精密测量技术开 辟了广阔的发展前景。 在光学领域中，球面曲率半径的测量具有着重要的作用。同时，球面曲率半径测 量的方法比较多，如：自准直显微镜法、自准直前置镜法、球径仪法等测量方法较古 典，也最为常用。激光的问世给干涉测量技术带来了实质性的发展，先后出现了莫尔 干涉测量法、t a l b o t 测量法、与激光球面结合的激光干涉测长法、球面补偿自参考 单板剪切干涉法等等。 这些方法不仅能够测得球面曲率半径的数值，而且能够提供球面面形信息，它们 的优缺点分析如下： 使用测量环的球径仪测量范围约为1 0 1 2 0 0 m m ，测量精度为0 0 3 o 0 6 ，精 度较高，球面可以不抛光，但是由于接触球面，使得被测件表面容易损伤，对仪器的 制造精度也比较高。 自准直前置镜的测量范围为几到几百米，可以测量大曲率半径，测量也不接触球 面，但是精度较低，球面需要抛光。 用自准直显微镜测量曲率半径时，凸面范围为2 2 5 m m 、凹面范围是2 1 0 0 0 m m ， 误差大概为0 0 0 2 m m 。精度高，能测量小曲率半径，不接触球面，但是被测件需要抛 光，仪器调整复杂，一般为光机型。 刀口仪法的测量范围为几毫米到几百米，精度为0 0 5 ，能同时检验球面的局部 误差，而且不需要接触被测球面，可以很准确的确定球心的位置，不过被测件需要抛 光而且工作室要暗且震动要小。 平面干涉仪测量曲率半径时测量范围为几米到几十米，精度为0 1 ，也可以测几 百米到几千米，但精度大大的降低，精度比自准前置镜高，能同时检验球面的局部误 差，测量精度受到样板面形误差影响较大。 与激光球面干涉仪结合的激光干涉测长法，范围通常小于两米。当半径大于5 0 m m 时误差约为0 0 1 ，当半径小于5 0 m m 时约为o 0 3 。精度高，能同时检验球面的局部 误差且不需要接触被测件但是仪器精度要求很高，目前国内还没有普及。 绪论硕士论文 因此，有必要寻找到一个成本不高、精度较高的非接触式测量系统。本文将着重 针对曲率半径测量中存在的缺点和不足，研究寻找能够适应球面曲率半径快捷测量的 智能化测量技术，以期将其运用到实际工程测量中。 导师一直从事的国防科工委计量测试c 类项目( 项目代号为j 1 8 1 2 0 0 1 c ) 和横向开 发项目的研究工作，结合球面干涉法的曲率半径测量原理与技术，是以上项目的主要 研究内容之一。本论文拟选择激光于涉测长方案进行研究，结合激光球面干涉法，在 测量球面面形的同时，也能测出球面曲率半径。 2 本文的主要工作 本论文的主要研究工作为：结合已有的球面曲率半径测量原理，从测量的可行性 和便捷性入手，研究分析了球面曲率半径测量的原理和测量方法，并通过测量光路和 处理电路的结合，并通过具体实验调试，最终得出简单、可靠和高精度的测量原理和 最佳的测量方法。 进一步提高测量精度是所有测量研究人员面临的共同任务。根据本课题的特点。 主要研究工作大概概括如下： ( 1 ) 查阅大量国内外技术文献，研究分析球面曲率半径的测量方法。通过对球面曲 率半径测量理论发展和演变的研究，确定了本文球面曲率半径的测量方法。 ( 2 ) 根据已定的曲率半径测量原理，搭建实验光路。在调试出正确的光信号后，绘 制光路系统结构图，经过机械加工后，得到稳定的光路实验装置。 ( 3 ) 查阅相关电路资料，研究干涉条纹计数的处理电路原理与制定。 ( 4 ) 对光路输出信号，选择了适合的光电探测器件进行探测，并设计了可靠的减法 和放大电路。设计倍频、判向电路，提高测量精度，可实现数据处理的目的。使用单 片机驱动l e d 数码管显示，稳定可靠。 ( 5 ) 在万利公司i n s i g h t 系列仿真开发系统集成环境m e d w i n 下，运用仿真器 h e 一5 2 h 进行单片机混合程序的仿真调试。 ( 6 ) 运用电路设计软件p r o t e l9 9 完成了光探测电路、电压放大电路、减法电路、 倍频判向电路和计数显示电路原理图的绘制及p c b 板的制作。 ( 7 ) 将测量光路和处理电路合成调试。 ( 8 ) 对本文曲率半径测量系统进行实验测量，对实验结果进行误差分析。 南京理工大学硕士学位论文 球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 1 激光干涉测长法的基本概念 在绪论中，已对现有的球面曲率半径的测量方法进行了概述。激光干涉法是一种 商精度的测试方法，既能用于高精度的球面面形测量，也能用于高精度的长度测量。 如本教研室已使用小数重复法，用于测量高等级量块的长度偏差量。本文拟采用该干 涉测长法，结合球面干涉的准确定位，测量球面曲率半径。为此，本文章先简单以举 例形式，阐述干涉测长的基本原理。 1 1 迈克尔逊干涉测长原理 迈克尔逊激光干涉仪的测长原理如图1 1 所示。激光具有单色性好、方向性强、 能量集中等特点，用之做干涉仪光源具有无可比拟的优势，所以本测量系统也以激光 作为光源。 目鬣呆群 二二二潍 位置2 图1 1 迈克尔逊干涉测长原理图 在图1 1 中，从激光器发出一束激光，该光束经过分光板或立方分光棱镜以后分 为两束光。一束光为参考光路：即经分光板反射后到静角锥棱镜r 上，经r 反射返回 到分光板上0 点，经分光板透射；另一束光为测量光路：即经分光板透射到动角锥棱 镜上，经m 反射到分光板上0 点，经分光板反射。测量与参考光路重合，形成干涉 条纹。平移动镜m ，干涉条纹便发生移动。每当动角锥棱镜m 移动半个波长时，干涉 条纹明暗变化一次。因此，动角锥镜m 从位置l 平移到位置2 的距离l 就可以表示成： l ：兰n( 1 _ 1 一1 ) 2 其中五为空气中的激光波长，n 为条纹移动数目。干涉条纹由光电探测器接收， 经过电路处理、计数器计数后可以就可测得平移的距离。该测长原理的不足之处就是 只输出一路光信号，不能进行动镜m 移动方向的判别。 激光干涉测睦法基本概念硕士论文 1 2 激光偏振干涉测长原理* ”1 对迈克尔逊干涉测长系统进行改进后，得到本节的激光偏振干涉测长系统。顾名 思义，偏振干涉测长用的是偏振光进行干涉。偏振干涉系统原理如图1 2 所示。 秸硭鹦掣增 一 。2 畏p 监竹 一书俨_ 叫i 丈# l 坚掣一i 图1 2 激光偏振干涉测长系统 在图1 2 中，光束前进方向为z 轴，纸面为y 轴，x 轴满足右手坐标系。稳频激 光器发射出一束频率为f 的激光，经过起偏方向为4 5 0 起偏器只后，成为与x 轴成4 5 0 的偏振光。该偏振光入射到快轴沿x 轴方向的a 4 片q l 后，成为圆偏振光。圆偏振 光经过偏振分光棱镜p b s 分解为振动方向平行于纸面的p 光和振动方向垂直于纸面的 s 光。s 光经过参考棱镜r 反射后，返回并经偏振分光棱镜的0 点反射；p 光经过移 动棱镜反射返回到偏振分光棱镜的0 点透射。两束光经4 5o 方向的2 4 片q 2 ，形成干 涉条纹。该干涉光束经过分光板a ，、a ：和反射镜4 得到光强大致相等的三束光。光 束经过起偏方向为0 0 的检偏器只得到光束l ，经过起偏方向为4 5 0 的检偏器只得到光 束2 ，经过起偏方向为9 0 。的检偏器只得到光束3 。它们的相位分别相差9 0 0 。当动镜 m 移动半个波长时，干涉条纹亮暗变化一次。同样根据公式( 1 1 1 ) 可以计算出动镜 m 的平移距离。 同样，输出光束1 、2 、3 经过探测器d 1 ，d ，d ，探测。经处理电路倍频、判向、计 数，可以得到条纹4 倍的移动数目n ，n = 4 n 。在此处理电路中，加入倍频、判向电 路不仅可以对棱镜m 的移动方向进行判别，还对计量单位进行细分。由此可见，其精 4 处理电路 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 度比迈克尔逊干涉测长的精度要高很多。 1 3 激光稳频原理 由激光干涉测长的基本公式( 1 - 卜1 ) 可以看出，激光的工作波长是测量中计算的基 本单位，一旦变化将直接影响干涉测长的精度。为此，必须使用氦氖稳频激光器，其 特点是出射光的频率和波长稳定。其基本原理是通过传感器件监测激光腔长的变化， 并经闭环反馈进行补偿，保证输出频率的稳定。常见的腔长调节办法有压电陶瓷堆与 温度膨胀调节法。 1 4 偏振光与偏振光的产生“”1 1 4 1 偏振与偏振光概述 光是一种电磁波，电磁波是一种振动方向与传播方向垂直的横波，电振动矢量和 磁振动矢量相伴而行，两矢量的振动方向垂直。由于各种光学作用与电振动相关，因 此一般用电矢量代表光波，通常称单一频率的光为单色光，它的电振动矢量可以分解 为互相垂直的两个分量，如果取出其中的一个分量，就形成了偏振，即把振动方向对 于传播方向的不对称性称为偏振，把具有偏振性质的光称为偏振光，其光矢量的方向 和大小有规则变化。从1 9 世纪初期直到现在，人们一直在了解、研究偏振光的性质， 并且把它应用于各个领域。例如，很久以前人们利用偏振光分析物质内部产生的应力， 形成了光弹性学：偏振光在物理学、化学和工程学领域中，作为主要的测量手段起到 了重要的作用，例如为了研究物质的表面状态，把偏振光作为入射光，然后分析它的 反射光，由此可获得很多信息，通过透射光也可以推测物质内部分子的排列和取向。 偏振光技术可作为c d 唱片等高密度载体的信息读出及检索手段，可作为计算机r o m 加以利用，而且能与高密度的i c 存储器相匹敌。在光通信中，偏振光由于其抗干扰 性能而被广泛应用，波片作为基本的光通信元件，和偏振分光棱镜一起可组成光隔离 器，零级波片在梳状滤波器、环行器中有重要的应用。从普通光源发出的光不是偏振 光，而是自然光。自然光可看成一切可能方向上振动的光波总和，即在观察时间内， 光矢量在各个方向上的振动几率和大小相同。自然光可以用两个光矢量互相垂直、大 小相等、相位无关联的线偏振光来表示，但不能将这两个相位没有关联的光矢量合成 为一个稳定的偏振光。自然光在传播的过程中，由于外界的影响，造成各个振动方向 上的强度不等，使某一方向的振动比其它方向占优势，这种光就叫做部分偏振光，光 矢量沿垂直方向的振动占优势，其强度用，一表示；与其垂直方向的振动处劣势，其 激光干涉测长法基本概念硕士论文 强度记为，。当部分偏振光只是线偏振光和自然光的混合时，把，。一，。在部分偏 振光总强度i m m + i m i 中，所占的比率p 叫做偏振度，即p = 乏 丢；：，与对比度的 定义相似。显然，偏振度越大，其光束偏振化程度就越高。自然光的p = o ，完全线偏 振光p = i ，其它情况下p 0 ，当测量棱镜向左平移时，妒前取加号，当 测量棱镜向右平移时，妒前取减号。两束光经过分光棱镜后再进入 4 波片q 2 ，q z 的快轴方向淞。方向，由前面的波片公式可知g ：= 击 二。卜s 光公式变为： 激光偏振干涉法测量曲率半径的数学模型 硕士论文 = 出j p 删叫0 = 击e 蚋 ： ，( 2 2 - 8 ) p 光公式变为： e ，。g 2 e 7 = 出_ j f a oe x p ( i ( w t + 似棚 = 击e 卿蜊州( 2 2 - 9 ) s 光、p 光经过波片q 2 以后形成干涉条纹，即 e - e s “e p = 击2 2e x p ( i ( w t + ： + 击e 榔捌州 = 击2 2e x p ( i ( w t + ? 二黜 ( 2 2 - 1 0 ) 经过分光镜和偏振片鼻、尸2 、b 后三束光的相位角各有不同。透光轴为0 0 的鼻的 琼斯矩阵为g ，= l 习，透光轴为4 s 。的b 的琼斯矩阵为g ，：2 ，z 1 ： ，透光轴为 ，。的只的琼斯矩阵为g ，= 曙0 。 ( 1 ) 由此可得经过只检偏器的光矩阵为： e 2 g p le = 嘲隽e x p ( i ( w t + 卜1 + 硫e x p 附( + i 卸a ( a ) 妇 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 = 击2 2e x p ( i ( w t + 丸，r + e x 妒 ( 2 2 - 1 1 ， ( 2 ) 经过另检偏器的光矩阵为： e p 2 2 g p 2 e 叫： 4 - o x p 似w r + 删 ? 舞粼 = 缸唧似w 瞄蒜篡慧骝翕 ( 2 2 - 1 2 ) 由于p 2 只透过4 5 0 方向的光，所以e ，2 投影到4 5 0 的方向后可以得到 1 b 2 。妻一oe x p ( i ( w t + 丸) ) ( 1 + i + e x p ( + i a q g ) 一i e x p ( i a 0 ) ) ( 2 2 - 1 3 ) ( 3 ) 经过只检偏器的光矩阵为： e p 3 2 g p 3e = 艄0 啦a o e x ( i ( w t + 彻 ? 二黜 = 隽e 蚋k x 麓， 眨z 州， 2 2 3 光电探测器的输出信号 光电探测器探测到的是光强信号，所以： ( 1 ) 光线1 通过检偏器e 后的光矢量表示为e 。，其表达式见公式( 2 2 - 1 2 ) ，光 电探测器探测后，所得的光强表达式表示为： ，= l e e , x 1 2 = a o2 ( 1 + c o s a o ) ( 2 2 - 1 5 ) ( 2 ) 光线2 通过检偏器b 后的光矢量表示为e ，：，其表达式见公式( 2 2 - 1 3 ) ，光 电探测器探测后所得的光强表达式表示为： 1 激光偏振干涉法测量曲率半径的数学模型硕士论文 j ：= i e p 2 1 2 = a 0 2 ( 1 + s i n a 口o )( 2 2 1 6 ) ( 3 ) 光线3 通过检偏器b 后的光矢量表示为e 其表达式见公式( 2 2 - 1 4 ) 则其光 强表达式表示为： ，= i e ，l 2 = a 0 2 ( 1 一c o s a o )( 2 2 1 7 ) 2 2 4 球面半径量的获取 光线1 、2 、3 经过光电探测后得n - - 组正弦信号， 到两组相位相差9 0 0 的正弦信号： ，l 一，2 = a o2 ( 1 + c o s a 妒) 一a 0 2 ( i - + s i n a r p ) = a o z ( c o s a q ，s i n a q ，) = 4 j a 0 2 ( c o s ( a q ，+ 4 5 0 ) ) 再经过后面的减法电路可以得 ( 2 2 1 8 ) l 一厶= a o2 ( 1 一c o s a 伊) 一a 0 2 ( 1 - + s i n a 妒) = a 0 2 ( 一c o s 妒p s i n 力 = 一j 4 0 2 ( c o s ( 妒p 4 5 0 ) ) ( 2 2 - 1 9 ) 由公式( 2 2 一1 8 ) 与( 2 2 - 1 9 ) 可以看出，两组信号相位相差9 0 0 。再经倍频判向、 计数显示处理后，可以求得相位差p ，妒跟动镜m 移动的距离或速度有关。经倍 频计数以后，将相位差妒以n 个脉冲数来表示，这样被检球面曲率半径r = 詈州。 可以有效地提高整个测量系统的精度。 2 3 测量电路设计框图 由前面的光学系统，得到三束相位相差9 0 0 的光信号。经过光电探测器接收、放 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 大电路放大、减法电路后得到相差9 0 0 的两路正弦信号。该正弦信号经整形电路整形 后，得到两路相位相差9 0 0 的方波。经倍频判向电路倍频后进入计数显示系统显示 电路系统原理图如图2 5 所示。 图2 5 测量电路框图 由于显示的是倍频以后的数据l i ，而电路为4 倍频电路，相当于一个条纹周期被 分成四个脉冲计数，故光电探测器接收到的条纹周期数n 为：n = n 4 。这样，同2 2 4 节所述，曲率半径r 可被求得。 其中，接收放大电路是将光信号转化为电信号并将其放大；减法电路实现信号的 差分，即减去三路相差9 0 0 信号的直流部分，保留其交流部分；模拟信号变为数字信 号则是经过整形电路：为了提高测量精度则有了倍频电路，每移动1 8 个条纹计数就 增加1 个，测量精度提高了4 倍；判向电路是用于判别移动棱镜m ( 相当于五维调整 架) 的瞬间移动方向，是向左还是向右。假设调整架是从起点移到终点，则为正向， 反之为反向；计数显示电路的功能，是完成条纹移动数目的计数和数字显示。 2 4 本章小结 本章阐述了论文所用的球面曲率半径测量系统，光路与电路的总体设计。偏振激光 干涉测长系统的数学模型，并阐述了处理电路所包含的模块及各个模块实现的功能。 处理电路各功能模块的设计硕士论文 3 处理电路各功能模块的设计 由前一章对曲率半径测量系统原理的阐述，可知整个测量系统是一个光机电相 结合的测量系统。根据前一章的总体设计要求，需要对测量系统中模块及其设计的 难点和要点做分解。 3 1 光电处理电路 3 1 1 光电探测器的选取 光电探测器是整个信号处理系统的前置部分，是连接测量光路和处理电路的纽 带。将光强信号转换成相应的电信号，并输出给下一级信号处理电路。可以看出， 光电探测器是整个信号处理系统的首要环节，其性能的好坏直接影响测量精度。为 了达到精密测量的目的，正确选用光电探测器是至关重要的。下面对几种光电探测 器分析如下： ( 1 ) 光电子发射探测器：光电倍增管( p m t ) 作为弱光探测的有力手段之一，弱光 检测时精度高，灵敏度高，输出电流大，具有响应速度快、接收面积大、动态范围 宽等优点，使其在科学技术的各个领域都得到广泛应用。缺点是需要高压，在强光 下需要加衰减器，增加了光路和测量的复杂性，并且价格昂贵。 ( 2 ) 光电导探测器：硒化镉( c d s e ) 光敏电阻，响应波长为0 6 2um ，是可见光范 围内使用最广泛的光电导器件，一种为单晶型，另一种为多晶型。单晶型光敏电阻 不但对可见光灵敏，而且对x 、a 、卢、y 射线也灵敏，但受光面积较小；而多晶 型光敏电阻受光面可以做得很大。这类光电探测器的缺点是响应慢，只适用于直流 和低频光探测。 ( 3 ) 光伏型探测器：利用光伏效应的光伏型探测器都用单晶材料制作，所用的 材料和光电导探测器材料基本相同。光伏型探测器按使用要求不同可分为两类，一 类是用作能源和探测的光电池。光电池是一种扁平器件，空间尺寸小，可以把它粘 在信号处理电路板上，安装较方便。这种器件输出的光电流大，一般为毫安级，受 光面积大，对于平均光源误差有好处。光电池目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓 光电池和锗光电池四大类，硅光电池的光谱响应范围为0 4 - 1 1um ，峰值波长为 0 8 - 0 9um 。可响应弱光( 月光) 和强光( 直射太阳光) ，宽的动态范围，电阻变 化从有光到无光可达几个数量级，低噪声和低失真，最大工作电压5 0 4 0 0 v ，可用 于交直流电路。它的缺点是响应速度慢，而且面积越大，响应速率越慢，由于它的 工作电流小一般在1 0 1 0 0ua 这个范围；另一类主要作为光电信号变换的光伏探测 南京理工太学硕士学位论文球面曲率半径的单频撇光干涉测量研究 器，如必邀二极管、兜电三掇管等。光电二极繁是一耪蟪皮遮度极抉熬搬邀器待， 它的响威时闻一般谯0 11 1s 戬内，可醣在育编置电压的控制下使用，穗可以在无 偏置电服的状态下工作。光电三极管具有电流放大作用，有较大的受光顽积，响应 频率低予光电二极镑。 ( 唾) 党功率诗：蹩凌搴诗楚溅试竞凌率、炎焱减量戆豢瓣溅量铰器，楚一静宽走 谱范围，多功能，快响应测量的仪器。 光电探测器件的作用是将载肖被测信息的光辐射能量变换为电能，弗在实现这 秘交换豹过程中完成信息熬簧递。怒电搽溺器黪载选择要注意其与辐射源及光学系 统在光谱特性上的殴配；与输入嘏路在电特性上豹匹配；光电转换特性和入射辐射 能量大小的匹配；探测器件与光信号的调制形式、信号频率的匹配等。 实骏中光电探测器的选择有多种，如光电二缀管、光魄三级管、光电浊、光电 倍辔警簿，各光毫搽溯爨斡淫麓分耩院较如表3 1 。 表3 1 几种媳型光电探测器件特性参数的定性 时间噪声 光谱和光电将挂电特性 特毪孛孥蛙 光谱 伏安外加碚电输出 d 灵 敏竣憔 瞧痰 特性媳蓬漉邀流 痉 光电 从紫外到 很 最好 饱合 髂增管 锰孙高 型 很高小小很小很高 c d s 光敏可见先至电阻 电阻 级外 高麓嵩很大大很大低 型 s i 光电 可见光至低 瓣 光伏 不需 攫大缀大大 低 涎熟强 s 0 墼魄滚 光电二 可见光至 光伏 极管 红外 般 好型饱低 小最小小高 合型 可冕免至 镪台 p i n好低小小禳夺 菇 近斑外般型 光电三可见光至 高 较好 饱合 低大 小大低 投警近缎外型 从袭3 i 中，可以看出灵敏度瀚的有光电管、光电倍增鬻、光敏电阻年日光电三极 2 7 处理电路各功能模块的设计硕士论文 管，另外光电倍增管的暗电流很小，时间特性也很好，所以首选光电倍增管做光电探 测器。另考虑光电倍增管的结构复杂，需加高电压，使用不方便，则考虑选用光电二 极管或光电池来作为电路测试用的光电探测器件。 实验中选用了光电二极管，它是一种响应极快的光电器件，它的响应时间一般 在0 1 s 以内，光谱响应范围包括红光，其外加电压也很小，输出电流虽小，可以 通过后面的放大电路来放大。该探测器具有体积小、重量轻、耗电省等优点。 3 1 2 光电信号接收、放大电路2 ” 图3 i 光电接收放大电路 对大多数微弱信号的检测，需要接放大电路。本系统选取光电二极管做为探测 器件，其输出电流较小，通过并联电阻的方法来得到输入电压，对该电压进行放大 得到一级输出电压。图3 1 就是电压放大形i c 变换电路。也就是本文所采用的光 电接收放大电路。 硅光电二极管的正端接在运算放大器的同相端，运算放大器的漏电流比暗电 流多，有很高的输入阻抗。当负载电阻r ，取l m q 以上时，运行于硅光电池状态下 的硅光电二极管，处于接近开路状态，可以得到与开路电压成正比例的输出信号。 即 圪，= a ( 3 1 1 ) 式( 3 i - i ) 中a = ( r 。+ r 2 ) e ，是该电路的放大倍数：圪。是输出电压，一为输入 电压。 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 3 1 3 减法电路 实验中的减法电路主要是实现两组信号的差分，消除其直流部分，留下交流部 分，根据前一章的原理以及公式推导，可知三组相位相差9 0 0 的信号相减，得到两 组相位相差9 0 0 的交流信号。 要实现减法y = a l x ，一a 2 x ：运算，可以有两种方案：一种是用反相比例放大器将 x ：反相，然后再运用加法电路将一与( 一x ，) 相加；另一种是运用差动输入的运放， 使得五与工，直接相减。而基本的差动输入运放的输入电阻较小，往往不能满足要求， 原因是输入信号同时由运放的反相和同相端输入。为了使运算电路具有高输入电 阻，可采用同相端输入的运放。 图3 2 带有增益的减法电路 如图3 2 所示，由两级同相输入运放4 和a ：串联而成的减法电路，其中a ，是同 相输入比例放大器，而a ：是差动输入的放大器。不难得出： 【，。= ( 1 + 鲁) ( _ 鲁) + ( 1 + 堕r 3 ) ( 3 i - 2 ) 从图3 2 中可以看出，u 。和u 。相当于加在一个差动放大器的反相端和同相端的 两个信号。将输入信号u 。和u 分成差模部分和共模部分u 一即 2 e 0 = 以l 一阢2 ，2 c 乞= “。+ ：，则公式( 3 卜2 ) 变成： u o , - - v o ( 1 + 争c 一扣+ 讣 ( 1 + 争c 一扣刳 ( 3 1 3 ) 处理电路各功能模块的设计 硕士论文 为了抑制共模部分，必须使： o + 争c 一分抄。( 3 1 - 4 ， 即 生：生 r 1r 4 本实验中取r 2 = r 3 ，r 。= r 代入式( 3 1 - - 2 ) 得： ( 3 1 - 5 ) = ( 1 + 鲁) ( _ u j 。) ( 3 1 - 6 ) 该电路有很高的输入电阻，并可以有效地抑制输入信号中的共模部分。其实际 输入电阻可达到几十兆欧。为了提高抑制共模信号的能力，要求运放a 。、a ：具有 较高的共模抑制比。此外，应按照公式( 3 卜5 ) 选配电阻r 。r 。电路输入的共模 电压，即输入的电压只受到运放最大共模输入电压范围的限制。 实验所用的测量电路中，电阻取r l = r ：= r ，= 髓= 1 0 k ，则公式( 3 卜5 ) 转变 为： 3 1 4 整形电路”叫 u 。= 2 ( u n u m ) ( 3 1 - 7 ) 整形电路主要是将正弦波转变为方波，本论文利用电压比较器完成这个功能。 电压比较器( 简称比较器) 的功能，是比较两个电压( 一个输入电压u ，和一个参考电 压u ) 的大小，并用输出高、低电平表示比较的结果。对比较器的要求是：鉴别准 确，反映灵敏，抗干扰能力强，有保护措施。简单比较器一般分为零电平比较器和 非零电平比较器。 本文所用到的比较器为零电平比较器，即将输入信号与零电平比较，即该电路 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 的参考电压u 一= o 。如图3 5 所示。 图3 5 整形电路 这是一个利用电压比较器的整形电路，所用电压比较器是l m 3 9 3 ，l m 3 9 3 是低功 耗的双电压比较器，l m 3 3 9 是低功耗的四电压比较器。l m 3 9 3 中有两个比较器且分 别独立。当输入电压比0 大时，输出电压为高电平，当输入电压小于0 时，输出为 低电平。 3 2 倍频判向电路哪! 町 光电二极管接受的电流是正弦波形，经过放大、差分、整形以后变为方波。其 波形图对应关系如图3 6 所示。 为了提高测距精度，本文所用的倍频判向电路如图3 7 所示。该图是一个简化 的倍频判向电路原理图，这样可以简单明了的说明它的工作原理。在图的左方，有 三个输入信号：圪、圪和c k 。其中屹、就是光信号经过接收、放大、减法和整 形电路的输出电压信号。c k 是7 4 7 4 组件d 触发器接收数据用的时钟信号。d 触发 器的输出信号发送至7 4 1 2 3 单稳电路的上跳沿触发端b 端，q 端是它的输出端。每 有一个上升沿，输出端q 端就输出一个宽度可调的脉冲。单稳电路7 4 1 2 3 的输出信 号经过与门、与非门进行数字运算，得到输出脉冲信号和方向信号。 处理电路各功能模块的设计硕士论文 b ( a ) 棱镜右移 ( b ) 棱镜左移 图3 6 二极管接收电流及整形后电压波形 图3 7 中所用单稳的完整电路如图3 8 所示。一个7 4 1 2 3 组件包含两个独立的、 相同的单稳电路，图中只是给出了其个一个的电路图，所以用7 4 1 2 3 2 来表示，它 的输出脉冲宽度约为1 6 0 n s 。 倍频判向电路的工作过程可以用图3 9 说明。该图中给出了图3 7 中各个标志 点在光电二极管输出波形一个周期内，四个象限内电平的变化情况。图3 9 ( a ) 反映 的是五维调整架右移，即圪比屹领先9 0 0 的情况。而图3 9 ( b ) 反映的是调整架左移， 即圪比圪领先9 0 0 的情况。 输入时钟信号c k 的频率为i m h z ，远高于圪及波形变化的频率。因而可以认 为，图3 7 中d 触发器的输出端q 能跟踪数据输入端d 的变化，即珥的电平变化与 圪相同；a 3 的电平变化与相同：而口2 与a l 的位相相反；a 。与a ，的相位相反。这 四个端点在吼、a ：、a ，及口。上述四个象限中的逻辑电平如图3 9 所示a 陪卜时 阿陟防 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 图3 7 倍频判向电路 图3 8 单稳电路 对于d 触发器7 4 7 4 的输出端接单稳电路7 4 1 2 3 的上跳沿触发端b 端。每当a 端出现一个上升沿时，b 端输出一个短脉冲。同理，a ：端出现上升沿时，屯端输出 短脉冲。依此类推6 3 端和b 。端。故6 l 、b ：、b 3 和b 。的输出脉冲分布在四个象限中， 如图3 9 所示。 原理图3 7 中的7 4 0 3 为与非门，根据原理图可知q 点的逻辑电平为各个与非门 输出信号相与。故q 点的逻辑电平表达式为： c l = ( b i a 4 ) ( b 3 口1 ) ( b 4 d 2 ) - ( 6 2 - a 3 ) = f i 再再再b 2 a 3 ( 3 2 - 1 ) 处理电路各功能模块的设计 硕士论文 首先分析调整架右移的情况，如图3 9 ( a ) 中所示。 在第一象限，由于口。= 0 而封锁了b 。脉冲( c 1 表达式中的第一项) ；在第二象限， 由于口2 = 0 而封锁了b 。脉冲( c 1 表达式中的第三项) ；同理，b ：和b 3 脉冲也被码和q 所封锁( 分别见c 。表达式中的第四项和第二项) 。所以，当调整架右移时，c ，端无脉 冲输出。 再分析调整架左移的情况，如图3 9 ( b ) 中所示。 在第一象限，由于口。= 1 ，b l 端有短脉冲输出，由c ，表达式的第一项可知q 在第 一象限有负脉冲输出；在第二象限由于疗。= l ，6 3 有短脉冲输出，由q 表达式中第 二项可知q 在第二象限也有负脉冲输出；同理，可知c 在第三象限和第四象限也都 有负脉冲输出。所以调整架左移时，q 端有负脉冲输出。并且其频率为圪或吃的四 倍。这就实现了倍频的功能。 同理，根据图3 7 所示的电路图，也可以求出c 2 点的逻辑电平表达式为： c 2 = ( 6 i a 3 ) ( b s 盯2 ) ( b 4 口1 ) ( 如a 4 ) = b i 口3 + b 3 d 2 + b 4 口l + b 2 口4 ( 3 2 2 ) 用与q 相同的分析方法可知，c ：点的输出正好与c i 相反，即当调整架右移时，c ： 端有负脉冲输出，其输出频率也是圪或圪频率的4 倍，而当调整架左移时，c ：端 无负脉冲输出。 由此可知：当调整架左移时c 。有负脉冲输出，c ：= 1 ： 当调整架右移时c ：有负脉冲输出，q = 1 。 首先分析吐点的状况，由图3 7 的电路图可知d 。点的逻辑电平表达式为： d l = c 1 c 2 = c l + 。2 ( 3 2 - 3 ) 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 r h ：广1 ： l100 0l10 骑研 a l11u 0 a 2001 1 a 3 1 00 l a 40 1l 0 b 】几 b 2 几一 b 3 几 b 4 l 。2 几几几几 d 】n 几几几 10 01 1l d0 ( a ) 调整架右移 ( b ) 调整架左移 图3 9 调整架平移时各点的电平或电压波形 所以，无论调整架左移或右移，d 。点都会有正脉冲输出，且频率都为v o 或圪频 率的4 倍。 再分析d ：点的情况。由图3 7n - 圭i d ：为r s 触发器的一个输出端，当r s 触发器 的输入端c 。出现负脉冲时，可使d ：置l ，当贴触发器的c 2 输入端出现负脉冲时，可 使吐置0 。 当调整架右移时，d ：输出低电平0 。当调整架左移时时，d ：输出高电平为l 。 鬻 n 队 m 岳拦 一一一 处理电路各功能模块的设计硕士论文 由于d ，的电平反映了五维调整架左移还是右移，即移动棱镜左移还是右移。所以， 可以用d ，来控制计数器是做加法还是减法运算。而z 无论是调整架左移还是调整架 右移都有四倍频脉冲输出，故用d ，的输出做为计数器计数脉冲。 由于调整架的移动方向改变时，以电平的变化几乎与矗产生的脉冲前沿同时发 生。为了使后面的计数器能先判定是做加法还是做减法，然后再计数的话。可以用 d 的后沿进行计数。 该电路允许输出的最大计数频率，与电路中单稳7 4 1 2 3 电路的输出脉宽和采样 时钟信号c k 的频率有关。由于我们使用的光源是激光，波长为6 3 2 8 n m ，采用上述 4 倍频判向电路后，系统的读数精度可达7 9 】舢。 3 3 计数电路 上面阐述的电路部分已经完成了对信号的倍频和判向功能，得到了计数脉冲和 方向脉冲。本节讨论对计数脉冲进行计数，同时根据方向脉冲来判别计数器是做加 计数还是减计数。 技术的方法有很多，大体分为：软件方法和硬件方法两类。 ( 1 ) 使用软件的方式，降低了系统的实时性，而且可靠性也不如硬件电路。不 过，当外围电路比较简单，在计数频率不高的情况下，使用软件具有一定的优势。 ( 2 ) 使用硬件计数，在执行速度上有着软件不可比拟的优势，通常采用多个可 预置4 位双时钟加减计数器，7 4 l s l 9 3 级联组成的加减计数电路。如图3 1 0 所 示，异、只、最、e 为计数器的4 位预置数据端，与数据输入锁存器相接；q a 、q b 、 q c 、q d 为计数器的4 位数据输出端，与数据输出缓冲器相接；m r 为清零端，与上 电清零脉冲相接：p l 为预置允许端，由译码控制电路触发；c u 为加脉冲输入端，c d 为减脉冲输入端；t c u 为进位输出端；t c d 为借位输出端。 图3 1 0 加减计数芯片7 4 l s l 9 3 南京理工大学硕士学位论文球面曲率半径的单频激光干涉测量研究 当c u 和c d 中一个输入脉冲时，另一个必须处于高电平，才能进行计数工作。 3 3 1 计数电路硬件制作 由于使用纯软件计数虽然电路简单，但是计数速度慢，难以满足实时性要求， 且容易出错。用外接加减计数芯片的方法，虽然速度快，但硬件电路复杂。要制作 一个1 2 位计数器需要5 个外围芯片，成本较高。因此在本论文中采用单片机内部 的计数器来实现加减计数。 本文选用m c s 一5 1 系列的a t 8 9 c 5 1 单片机。虽然其内部有三个计数器，但是用 减法编程内存消耗较大。考虑到多普勒效应产生频移后条纹亮暗变化频率为k 数量 级，倍频以后还是这个量级。而a t 8 9 c 5 1 的晶振频率为1 2 m h z ，远高于计数条纹的 计数频率，并且中断产生的周期对条纹周期的影响可以忽略不计。所以本实验中采 取计数脉冲接到中断0 端，判向信号输入到只。端，运用计算中断的次数，来达到 计算脉冲数目的目的。大大的节省了资源。其硬件结构如图3 1 1 所示。 晶 振 图3 i 1 单片机计数器硬件不意图 将经过倍频判向之后的方向脉冲d ：接到单片机的只。端，当d ：为高电平时则判 别为加计数，d ，为低电平时则判别为减计数。并将计数脉冲d ，接到单片机的中断口 1 n t o 端。当一个计数脉冲的下降沿过来时即发生一个中断，设置一个计数变量a ， 判别e 。端为高电平时日+ + ，只。为低电平时则a 一一。做好了运算即恢复中断。继 续等待下一个下降沿的输入。这种方法所耗内存较少，稳定简单可靠。 电路图3 1 i 中晶振是为了提供时钟脉冲，其频率为1 2 m h z 。两端分别接电容接 地，有效地抑制噪声。r s t 端为复位端，与2 2 i 的电容相连接到5 v 电压端，与l k 的电阻相连接地，实现上电复位的功能。 处理电路各功能模块的设计硕士论文 3 3 2 计数电路软件设计 上一小节阐述了利用a t 8 9 c 5 1 单片机进行加减计数功能的外围电路。其软件编程 如下( 在c 语言环境下实现计数功能) ： # i n c