（机械电子工程专业论文）基于psd的缠绕制品厚度在线测量装置的研制.pdf

武汉理 大学硕士学位论文 摘要 与传统材料相比，复合材料缠绕制品具有强度高、耐腐蚀以及重量轻等显著 优点，在航天、化工和体育器械等各领域被广泛应用。但是由于复合材料缠绕加 工过程的特殊性，缠绕制品的厚度难以在线测量。因此，急需一种快速、自动 化程度高、适于在线检测、高精度的非接触测量仪器。 激光三角法测厚技术是一种重要的非接触式测厚技术，在工业生产控制、工 业生产自动化中都有着广阔的应用。本文分析了当前国内外厚度测量方面的发 展状况，比较了各种测厚方法的优缺点，确定传统的非接触式激光三角法测量 原理作为本文设计的基础。利用位置敏感器件( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ， 简称p s d ) 进行光电转换，通过电路处理，从而能够实时在线的测量缠绕制品的 厚度。 论文主要内容包括： 1 介绍了位置敏感器件p s d 。作为一种光电效应器件，它具有高速度、高 分辨率、信号处理简单等优点，使用非常广泛。论文选用一维梳状p s d 作为系 统的厚度探测器，提出了测量系统的整体方案。 2 给出了光学系统的总体设计，对光学系统的设计步骤进行了详细地计算， 同时针对光学系统的机械设计给出了解决方案。 3 分析了信号处理电路，数据采集电路，通信电路，以单片机为核心进行 模块化设计，提高了测试的可重复性，并实现系统的自动测试。 4 对影响该实验系统的各种因素和测量误差进行了详细地分析，并对测量 系统进行了标定，从而论证了本文所采用方法的可行性。 关键词：缠绕制品，厚度测量，光学三角法，p s d ，单片机 l l 武汉理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm a t e r i a l s ，c o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ef c a t u r e so fh i g h s t r e n g t h ，l o wi n t e n s i t ya n db e t t e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n da r ew i d e l yu s e di n a s t r o n a u t i ci n d u s t r y , c h e m i s t r y i n d u s t r ya n ds p o r t i n ge q u i p m e n t s w h e r e a si t i s d i f f i c u l tt om e a s u r et h et h i c k n e s so ft h ee n w r a p p i n gp r o d u c ti ni t sm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s ，t h e r e f o r ei ti sw i t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pan o n - c o n t a c t ，o n 1 i n e d e t e c ti n s t r u m e n tw i t hf a i r l yh i g hp r e c i s i o n a sa l li m p o r t a n tn o n - - c o n t a c tt h i c k n e s s m e a s u r i n gt e c h n o l o g y , t h el a s e rt r i a n g l e m e t h o di sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gp r o d u c i n ga n da u t o m a t i o np r o d u c i n g t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h i c k n e s s m e a s u r i n gt e c h n i q u ew a sr e v i e w e di n t h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft r a d i t i o n a lp h o t o e l e c t r i co p t i c a lt r i a n g l em e t h o d ，t h e 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 ) w a su s e da sp h o t o e l e c t r i c i t yc o n v e r t e r , t h r o u g h s p e c i f i e d c i r c u i tp r o c e s s i n g , t h e nt h eo n 1 i n e t h i c k n e s s m e a s u r i n gs y s t e mf o r e n w r a p p i n gp r o d u c tc a nb er e a l i z e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri n c l u d e d ： f i r s t l y , p s dw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a sap h o t o v o l t a i cd e v i c e ，p s di s w i d e l yu s e di nm a n ya s p e c t sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fh i g hs p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n ， s i m p l es i g n a lp r o c e s s i n g ao n e d i m e n s i o n a lc o m bp s dw a su s e da sad e t e c t o ro f s y s t e mi nt h i sp a p e r b a s e do ni t ，t h e r e a f t e r , t h ep r o j e c to fm e a s u r i n gs y s t e mw a sp u t f o r w a r d s e c o n d l y , t h ed e s i g no fo p t i c a ls y s t e mw a sb r o u g h tf o r w a r di nt h ep a p e r , a n dt h e s t e po ft h eo p t i c a ls y s t e m sd e s i g nw a sd e t a i l e d l yc a l c u l a t e d ，a n dt h e nt h em e c h a n i c a l d e s i g np r o j e c to fo p t i c a ls y s t e mw a sr e a l i z e d t h i r d l yt h es i g n a ld i s p o s e dc i r c u i t ，d a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t ，a n dc o m m u n i c a t i o n c i r c u i tw a sa n a l y z e d ，m o d u l a ro r g a n i z a t i o n a ls t r u c t a r ew a sa l s od e s i g n e db a s e do n m c u t h em e a s u r e m e n tr e p e a t a b i l i t yw a si m p r o v e da n dt h e na u t o m a t i ct e s ts y s t e m w a sr e a l i z e d f o u r t h l y , t h em e a s u r e m e n te r r o ra n da l lk i n d so fi n g r e d i e n tw h i c hh a di n f l u e n c e d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw e r ea n a l y z e d ，a n de x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sc a l i b r a t e d ，t h e n t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dw h i c hw a sp r o p o s e di nt h ep a p e rw a sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ：e n w r a p p i n gp r o d u c t ，t h i c k n e s s m e a s u r i n g ，l a s e rt r i a n g l em e t h o d ， p s d ，m c u 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其 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。 研究生( 签名) ：名匆雀缸日期：乒f , 垤 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论 文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录 本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：名b 地蕞毒师( 签名) ：稳球嚷二土期：炒j ，9 留 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论弟一早三百t 匕 与传统材料相比，复合材料制品因其强度高、耐腐蚀、以及重量轻等显著优 点，在航天、化工和体育运动器械等各领域被广泛应用。复合材料缠绕成型技 术是一种把浸有树脂的纤维包在芯模上的加工方法，加工过程为纤维缠绕机用 吐丝嘴控制浸有树脂的纤维束使之沿预先设计的路径缠绕在旋转的芯模上，并 通过多层覆盖形成复合材料缠绕制品。由于加工一次成型，产品具有优异的强 度重量比，缠绕设备简单易实现，因此纤维缠绕已经成为一种重要的复合材料 加工技术【。 通常我们在使用纤维缠绕机进行缠绕制品加工时很难对缠绕制品的厚度进 行实时测量，主要表现在以下三方面：第一方面，在加工过程中，芯模被缠绕 制品完全包裹，很难确定缠绕制品厚度测量的起点，尤其当芯模为非规则圆时， 也很难用直径计算的方法进行厚度测量；第二方面，由于缠绕工艺的复杂性， 含胶量、缠绕张力、胶液粘度等因素对单层缠绕厚度有较大影响，因此通过缠 绕层数来推算缠绕制品厚度往往存在很大的误差；第三方面，由于加工过程连 续，并且加工件表面有一定的黏度，所以很难对缠绕制品的厚度进行实时测量。 因此，目前生产厂家一般凭借经验进行生产，而当制品成型后经常出现缠绕厚 度过厚或过薄，造成原材料的浪费甚至是加工失败。因此，研制一种测量准确、 简单实用的非接触式缠绕制品厚度测量仪器便显得格外重要。 目前厚度测量中常用的测量方法大致有以下几类： 1 机械法如光学机械法、杠杆测量法等； 2 电学法如电阻法、电容法、电感法等； 3 光学法如干涉法、光切法等。 在以上方法中，其中机械法属于接触式测量，无法满足非接触测量的需要。 电学法中的电阻法也属于接触测量，电容法和电感法虽为非接触式测量，但量 程小、精度低、并且不适合缠绕制品厚度的测量。光干涉法测量多数是利用迈 克尔逊干涉原理实现的，当两束具有相同频率、相同振动方向、位相差恒定的 光，在空问某区域相遇并叠加时，便会产生干涉现象，利用同一光源发出的两 束光也能产生干涉现象，这两束光经过不同的反射路径后，就形成两相干光束， 武汉理1 ：大学硕十学位论文 干涉条纹移动和被测物位置变化之间存在着联系，利用此联系就能实现厚度测 量。光电法是一种较为成熟的测量方法，测量分辨率较高，但采用光学法原理 的测量仪器通常仅适用于计量室环境，不适合生产现场的在线检测；光切法测 厚一般是用于在金属、非金属底座上透明物体的厚度测量，因而不适合缠绕制 品厚度测量。 近几十年来，各种高性能光电器件发展迅速并不断完善，促使了传统的测量 物体厚度的激光三角法有了崭新的发展空间，成为一种非常适合于目前工业现 场需求的测量方法。它是采用激光光源发光照射于被测物体上，再利用探测光 点或光条位置的光电器件，如光电管阵列、电荷耦合器件( c c d ) 、位置敏感器 件( p s d ) 等接收来自被测面的反射或散射光，使其成像于光电器件上，由于被 测面位移而引起的接收面上光点或光条位置的变化。测出该位置的变化量，即 可通过三角关系计算出被测面的厚度值。 1 2 激光三角形测厚特点 结合缠绕制品生产过程中的特点，本文采用了激光三角形测厚技术来进行 缠绕制品厚度的测量，该技术具有其它测量方法难以比拟的优点： 1 采用半导体激光器，其体积小，并且激光方向性好，光功率高，从而使 测量仪器分辨率高、稳定性好。 2 位置敏感器件p s d 测量精度高，可与单片机或计算机结合，组成自动化 程度较高的智能型测量仪。 3 可在生产现场实现在线检测。 4 由于测量原理属于非接触式测量，对缠绕制品尤其适合。 1 。3 国内外研究动态 目前，国外很多公司都有激光测微位移方面的产品，日本生产的k e y e n c e 生 产的l c 、l b 、l d 系列，德国m i c r o e p s i l o n 公司的o p t o n c d t 系列，美国m t i 公司的m i c r o t r a k 系列，这些产品精度可以达到几微米到几十分之微米，尺 寸可以达到手掌大小；国内也已经有一些厂家在生产类似产品，但总体情况仍 不理想，测量精度、速度都不高，实用性并不好。目前，激光三角法测厚技术 存在的问题是： 2 武汉理+ r 大学硕士学位论文 1 环境背景光对测量系统有一定影响： 2 分辨力低，精度不高； 3 原理非线性误差大，测量的线性度低。 1 3 1 激光三角法测厚仪的误差源研究 随着工业化进程的进一步深入，生产过程中对控制精度的要求也越来越高， 为了提高激光三角法测厚技术的测量精度，对激光三角法的误差来源的研究占 了很大部分，主要的研究情况如下： 1 基于位置敏感探测器p s d 的误差源【2 , 3 j p s d 是一种对入射光斑位置敏感的光电器件，其工作原理是基于大面积p n 结的横向光电效应。p s d 进行位置检测误差时，其位置误差具有中间小、四周 大的特点。它包括光敏层电阻率的影响和负载电阻的影响，前者影响的特点是 关于原点对称，即从原点到边缘，误差先变大后变小，中间点和边缘点的误差 均为零；后者的影响的特点是也是关于原点对称，但从原点到边缘，误差一直 线性变大，两者的共同作用与时间p s d 的位置误差曲线相近。 从p s d 及测量原理的三角结构布局出发，认为p s d 不同位置取向时激光三 角法测距的分辨率与测量范围有对应的关系，从而可以减小误差的影响： 1 ) p s d 倾斜放置与垂直放置，物距对分辨率的影响趋势相同，物距越小， 分辨率越大； 在p s d 不同位置取向时，物体倾斜角对分辨率的影响相反，在恒聚焦光 路下，倾斜角越大，分辨率越低；而在p s d 垂直放置时，分辨率随倾斜角的增 大而增大； 3 ) 恒聚焦光路时，物面的不同位置分辨率影响极大，在物位移正向测量范 围的临界处，分辨率趋于无穷大，p s d 垂直放置时，影响趋势一样，物位移越 往正，分辨率越高。 2 基于被测物面性状的误差源【4 ，5 ，6 1 1 ) 表面粗糙度与光泽、纹理 被测表面的光泽和粗糙度对测量结果有较大的影响。一般情况下，当被测表 面粗糙度的值较低或光泽比较明亮时，会使激光束在产生漫反射的同时发生较 强的镜面反射，反射光强常会引起测量报警或造成较大测量误差。被测表面光 泽暗淡有利于激光位移传感器的币常工作。表面粗糙度过大，表面凸凹不平， 则激光束照射到表面凸凹顶处或边界时，光斑形状发生较大的变化，会引起光 3 武汉理工人学硕十学位论文 敏元件输出不稳定，甚至出错报警。研究表明，在其他条件不变的情况下，被 测表面的粗糙度在0 4 - 3 o u m 范围内对激光位移传感器的测量精度影响不大， 超出这个范围则需考虑数据补充或对被测表面进行预处理。 2 ) 被测物体的表面颜色 目前，国内外最常见的被测物体为金属、木模或经过表面处理的油泥模型表 面，其表面的颜色多变。而目前常用发射激光为接近红外部分的红光，因不同 的被测表面颜色对该色光的吸 收程度不一，在其它条件不变 的前提下，仅表面颜色的变化 就会造成测量结果的差异。如 图1 1 所示，研究结果表明：被 测物体表面的颜色为红色和灰 色时，测量精度最高；表面颜 色为桔黄色和黄色时，误差曲 线基本吻合；表面颜色为蓝色 和绿色时，误差偏移稍大；而 l2，456l9 避给位移r a m 图1 - 1 被测物体表面颜色的影响 表面颜色为黑色时，测量误差偏移最大。这是因为黑色物体吸收光能最多，散 射光斑光强很弱，位置探测器得到的光能很少，引起较大的非线性误差。试验 同时表明数据的重复度比较好，因而针对不同颜色的被测表面，应与出厂标定 值为基础，做出特定的误差补偿曲线，以保证测量精度。 4 竹 盼 船 辨 皓 吃 毗 a n o a n 0 o 皇曩，鼍槲蹬 武汉理r 大学硕士学位论文 3 ) 被测物体表面倾斜 激光三角法测量的重要假定是发射光束始终与被测物体表面法线方向一 致。约定被测表面上入射光点处的法线与入射光方向不重合时称被测表面发生 了倾斜，其央角称为倾斜角。随着被测表面倾斜角的不同，入射光点所产生的 散射光空间分布将发生变化，从而使接收透镜在单位立体角、单位时间内接收 到的光能量发生变化，这就使得光电接收面上的像光斑光能质心相对其几何中 心产生偏移。光电检测元件( p s d ) 检测的是投射到其上的光斑的光能质心的位 置，而不是其几何中心的位置，这种变化的光能分布，将造成在p s d 上像光斑 的光能质心相对于其几何中心发生偏移。这样实际测量结果与三角法测量原理 公式的理论计算结果有一定偏差量，这是表面倾斜带来误差的主要原因之一。 目前研究均假设以被测物体表面为理想 的漫散射表面为假设前提，将其散射光 的空间分布用朗伯定律表达，建立研究 p s d 光能质心与被测表面倾斜角和激光 束位移量的数学模型。但实际测量中， 。 反射光是永远存在的，散射光对称分布墨 于反射光斑周围，且反射光强相对集中，撼 不可忽略。 硼 如图1 2 所示为某一型号的非接触 激光位移传感器进行相关试验，对测量 数据整理后绘制的测量表面倾角变化对 误差影响关系图。数据表明，误差随表 面倾角的增大而增加。此外，还有被测 表面的曲率半径等都会测量结果产生一 麓的影响。 1 3 2 激光三角法测厚仪的标定技术 魏嘲瞳盈籁角， 图1 - 2 被测曲面倾斜角与测量误差关系图 由于激光三角法测厚原理存在非线性，致使该类测距仪器的线性度较低，故 仪器标定方面有许多研究成果以期解决该类问题。目前，常用的标定方法有如 下几种： 1 单直线线性标定法 这种标定方法是在整个量程范围内采用一条直线进行标定的，一般采用过零 直线旋转拟合、端点连线拟合、端点连线平移拟合、最小直线包容拟合及最小 二乘法直线拟合等方式，是应用非常普遍的一种标定方法，适于小量程测距的 标定。但对于大量程测距仪器，无论哪种拟合方式，其残差都是相当大的。 5 武汉理+ l ：人学硕七学位论文 2 逐段折线逼近法 任何一条曲线，置于坐标系里，都可以用固定长的小区间对它进行分割，区 间越小，所分割的区间越多，将各段区间线性化，各线段就越接近待标曲线。 这种标定方法能弥补前一种标定方法的不足，可使标定残差大为减小，适于大 量程测距的标定。分段越多，线性化后的残差越小，但同时使用起来就越不方 便。故在测量误差允许的范围内，应尽量减小分段数。 3 误差拟合曲线补偿法 这种方法是从实验中测得几组位移与输出对应关系的可靠数据，对其取平均 后用最小二乘法拟合出条满足精度要求的曲线，以此作为准标定线求出误差 变化，对误差拟合后加到准标定线上就得到实际的标定曲线。此外，对小同参 数测量系统或不同的精度要求，拟合多项式的项数将有差异，精度越高，项数 越多，计算趋于复杂。文献资料表明，该方法是一种有效的标定方法。 1 4 本文主要的研究工作 针对工业实践和复合材料缠绕制品材质的特殊性，本文从应用的角度做了以 下工作： 1 光学设计方面的精确计算，包括光路的设计，激光功率的调整，p s d 光 敏面接收光强、像光斑尺寸的计算分析。 2 机械方面的设计，计算及加工，并且最终搭建了试验平台。 3 进行了一系列数据采集电路和通讯电路的设计、精密计算及p c b 制图， 且在绘制p c b 图时尽量从e m c 的角度出发做到使电路效果最好。 4 进行系统的调试，并充分利用l a b v i e w 软件强大的数据处理功能，对实 验数据集中进行了采集、处理与分析。 6 武汉理j ：大学硕士学位论文 第二章厚度测量系统方案设计 本章从工程实际出发，介绍了直射式和斜射式激光三角形测量方法以及p s d 的基本原理和应用的性能，并且在此基础上提出了缠绕制品厚度测量系统的整 体设计方案。 2 1 激光三角形测量原理 p s d 用于厚度测量主要是利用激光三角形测量原理。三角测量法是一种古老 的测量方法，它的基本思路可以追溯到遥远年代的灯塔导航和土地丈量等。近 年来，随着激光技术、计算机控制技术、电子技术、计算机信息处理技术、光 学元器件工业等的发展使高准确度的激光三角形法测量成为了可能，借助现代 科学技术，古老的三角形测量法又恢复了活力。 直射式激光三角法测量原理如 图2 1 所示，半导体激光器发出的 光线，经聚焦透镜聚焦后垂直入射 到被测物体表面，接收透镜接收来 自入射光点处的散射光，并将其成 像在位置探测器p s d 的敏感面上， 当物体移动或表面变化导致入射光 点沿入射光轴由初始位置a 点移动 到b 点时，移动距离为x ，其像点 也在位置探测器p s d 敏感面上的移 动距离为x ，其它参数如图2 1 所 敫光器ii b b 泌 焦透镜c i 以锯 广浓 b ：一。 3x 示。在a o a b 宁乙冉要 图2 1 直射式三角法原理图 么o b a = j t 一口一日。，由正弦定理得 aaz 一=-一_-。一 s i n 加一以一p )s i n ( o ，+ 口)s i n 吼 由于s i n p + 哦) = s i n o c o s 0 ，+ c o s 0s i n 0 ，把( 2 - 1 ) 整理如下： 可得 口 z = 一 s i n 0 + c t 9 0 。s i n 0 在直角a o a b ( 么o b 么= 9 0 。) 中， 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) c t g 吼。_ b ，将其带入到( 2 2 ) 式中， z 武汉理1 ：大学硕士学位论文 z t 。兰：垒墨! 里翌( 一z - j 一) z 一 k， a x c o s p 式中，a 为激光光束与被测物表面的交点到接收透镜前主面的距离( 物距) ，b 为接收透镜后主面到p s d 敏感面上成像点的距离( 像距) ；0 为激光束光轴与初 始位置时接收透镜光轴之间的夹角。 镜 a 图2 - 2 斜射式三角法原理图 斜射式激光三角法测量原理如图2 2 所示，半导体激光器发出的光和被测面 的法线成一定角度入射到被测面上，同样用接收透镜接收光点在被测面的散射 光或反射光。当被测面由a 点移动到b 点时，移动距离为x ，此时光点的像在 位置探测器p s d 敏感面上由a 点移动到b 点，移动距离为z ， x t 。兰；垒型冬竺!( 2 4 ) x + c o s ( 0 , + 0 2j + a 。c o s 吼 式中，e 1 为激光束光轴和被测面法线的夹角；e 2 为成像透镜光轴和被测面法 线的夹角。 上述两种方案各有如下特点： 1 直射式由于其接收的是散射光，所以更适合表面较为粗糙的物体表面； 斜射式可接收来自被测物体的大部分反射光，适合的被测面范围较宽，而要接 收散射光，如果被测面较为平滑，则可能由于耦合到探测器的散射光强过弱无 法进行。 2 入射光光点照射在物体不同的位置上，直射式可以直接得到位移；而斜 射式需要通过标定的方法才能得出位移，并有较大的误差。 3 直射式的优点时光斑较小，光强集中，不会因为被测面不垂直而扩大光 斑，而且一般体积较小，而斜射式分辨率一般高于直射式，但它的测量范围较 8 武汉理r t 大学硕+ 学位论文 小，体积较大。 结合复合材料缠绕制品表面的特殊状况和工业应用实际，本文比较了上述 两种方案的优缺点，选用直射式激光三角形方案为本文系统的理论核心，该方 案具有体积小、测量范围大、测量精度高等优点。 2 2p $ d 基本原理、特点及应用 位置敏感器件( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ，简称p s d ) 是一种对其感光面上 光点位置敏感的连续型模拟器件，也称为坐标光电池。p s d 基本结构类似于光 电二极管，当光敏面被非均匀光照时，由于横向光电效应，在平行于结平面的 方向形成电势差，光生电流在扩散层被分流，通过电极收集电流。由于从电极 输出的电流和入射光斑的重心位置相关，根据输出的电流能连续、直接的检测 出入射光斑的重心位置。与其他光电位置探测器相比，p s d 具有分辨率高、响 应速度快、信号处理相对简单；对光源、光学系统要求比较低、光谱响应宽等 优点。p s d 特别适用于厚度、位置、位移、距离、角度以及可以间接转化为光 斑位置或者位移的其他物理量的非接触高精度快速测量，可以广泛应用于工业 检测和监控、自动聚焦、三维形貌测量、机器人传感和生物医学等领域，是一 种具有广阔应用前景的器件。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 一维p s d 结构及工作原理 p s d 从结构上可以分为一维和二维两种。一维p s d 的工艺结构比较简单， 国内厂家一般都能做到位置线性度好、噪声低等优良特性。一维p s d 结构如图 2 3 所示f 7 , 8 1 。 石个 i 电极1 图2 - 3 一维p s d 结构 p 层 i 层 n 层 p s d 工作的物理基础是横向光电效应【9 1 。横向光电效应指的是当p n 结或金 属半导体结的一面被非均匀光照时，平行于结的一面出现电势差的现象。一维 p s d 的结构是一种p i 。n 结构，它是在p 型半导体和n 型半导体之间夹着较厚 的本征半导体，从而使p n 结双电层的间距加宽，减小结电容，增大结电阻。电 极1 和电极2 接在p 层两端，光照射到p s d 表面就产生电子空穴对，到达结面 的载流子由p 层分配，并从两个电极取出，分配大小与入射光重心位置到电极 的距离成反比。根据电流值可以计算出光的入射位置。 当以光敏面中心为坐标原点时，两极的光电流1 1 和1 2 大小可以表示为【7 1 ： h 孥i 。 协5 ， 卜毕i 。 沼6 ， 其中，1 1 ，1 2 分别为从电极1 和电极2 流出电流的大小；i o 为总的光电流，和 入射光光强成正比；l 为p s d 光敏面的总长度；x 为入射光在p s d 上的光斑重 心到光敏面中心的距离。 1 0 武汉理t 人学硕士学位论文 于是可以得到： x 。l 量l( 2 7 ) i l + 1 2 2 由于式( 2 7 ) 中没有i o ，说明x 值的大小不受入射光的光强影响，即入射 光强满足p s d 的光强感应范围时，测量过程中光强的改变对测量结果不会产生 影响。 p s d 工作等效电路及工作原理【8 1 如图2 4 所示： 2 r l 图2 - 4 一维p s d 等效电路图 图中，r l ，r 2 分别是入射光斑重心到两电极之间的等效分配电阻，d 为理想 二极管，c 为结电容，r 为结电阻，i o 为光生电流，r l 为p s d 负载。其中，虚 线框内为p s d 芯片结构。 在光照射下，半导体内产生光生载流子。它们在耗尽层内电场作用下发生漂 移，空穴进入p 层，电子进入n 层。假设光敏面的电阻层具有理想均匀特性时， r l 和r 2 大小与入射光照射点离两电极的距离成正比。进入p 层的空穴根据电阻 r l 、r 2 进行分配，并以i l ，1 2 的形式从电极1 ，电极2 输出。 当负载r l 相对于p s d 感光层等效结电阻r 而言不可忽略时，1 1 和1 2 的表达 式分别为： l ，：丝坚幺! 生i 。 ( 2 - 8 ) r + 2 r l 。 i ，。丝坚狴：些i 。 ( 2 - 9 ) r + 2 r l 。 于是可以得到： 武汉理1 二大学硕士学位论文 x ；坠垃i n ( 2 1 0 ) 2 r +i ，+ i ，” 其中，r 为p s d 感光层等效结电阻，r l 为负载。其他符号同公式( 2 5 ) 七一7 ) 。 可见，负载r l 对位置信号也存在一定的影响，我们应该选取适当的r l ，在满足 增益的情况下使得误差最小。 2 2 2p s d 使用分析 通过资料查阅，发现在p s d 的使用过程中，外界因素和电路参数对p s d 的 性能有很大影响，下面针对一部分情况做简单的分析： 1 入射光对p s d 性能的影响。从理论上讲，入射光点的强度和尺寸大小对 位置输出均无关。但当入射光点强度增大时，信号电极的输出光电流也增大， 有利于提高信噪比，从而提高器件的位置分辨率。当然，入射光点强度也不能 太大，以免引起器件饱和。此外，在选择光源时，应尽量选用与p s d 光谱响应 有良好匹配的光源，以充分利用光源发出的光能。 2 根据p s d 的工作原理，p s d 的位置输出只与入射光点的光能“重心 位 置有关，而与光点尺寸的大小无关，这给p s d 的使用提供了很大的便利。但当 光点位置接近有效感光面边缘时，一部分光就要落到感光面之外，使落在有效 感光面内的光点的“重心位置偏离实际光点尺寸“重心 位置，从而使输出 产生误差。光点越靠近边缘，误差越大。显然，入射光点的尺寸越大，边缘效 应就越严重，从而缩小了器件实际可使用的感光面范围。因此，尽管当入射光 点全部落在器件有效感光面内时，位置输出与光点大小无关，但为了减小边缘 效应，入射光点的直径应尽量小一些。 3 反偏电压对p s d 性能的影响。加上反偏电压后，p s d 的感光灵敏度略有 提高，并且结电容降低，这对提高p s d 的动态频响是有利的。因此，p s d 在使 用时均加上1 0 v 左右的偏压。但加上反偏电压后会使p s d 的暗电流也增大。 4 背景光的影响。通常p s d 在使用时总存在一定强度的背景光，背景光的 存在将会影响器件的性能。假设背景光在两个信号电极上产生的光电流为i ， 则( 2 5 ) 式应变为： 弘孥l o + - ， 而( 2 6 ) 式应变为： 1 2 武汉理j ：大学硕七学位论文 弘毕1 0 + i 当对p s d 的输出电流进行处理时，就会造成一定的误差。因此，背景光的 存在对p s d 的使用是相当不利的。 消除背景光影响的方法有两种：光学法和电学法。光学法是在p s d 感光面 上加上一片透过波长与信号光源匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光。电 学法可以先检测出信号光源熄灭时的背景光的大小，然后点亮光源，将检测到 的输出信号减去背景光的成分；或者可以将光源以某一固定频率调制成脉冲光， 对输出信号用锁相放大器进行同步检波，滤去背景光成分，再进行后续电路的 处理，就可以得到位置输出信号。 5 使用环境温度的影响。温度上升会引起器件的暗电流增大，一般来说， 温度每上升l c 暗电流就要增加1 1 5 倍。暗电流的存在不仅要带来误差和噪声， 而且具有类似背景光产生的不利效应。采用光源调制、锁相放大解调的方式同 样可以滤去暗电流的影响。 此外，温度变化对p s d 的光谱响应灵敏度也有所影响。 2 3 测量系统的实现 根据以上对系统相关原理的分析，在直射式激光三角形测量原理的基础上， 提出厚度测量系统的整体设计方案。结合工业生产实际，其中厚度测量系统包 括： 1 测量脉冲信号产生模块。在缠绕机芯模传动部分上放置触发器，当芯模 转动时，触发器产生信号，该信号传递给单片机处理模块。 2 单片机处理模块。主要功能为：首先进行零厚度参考点的确定。单片机 处理模块应用测量模块定位未缠绕芯模上的测量点并进行位移测量，并且将得 到的位移量作为零厚度参考值存储；其次缠绕生产开始后，每当收到触发器产 生的测量信号后，单片机处理模块应用测量模块对芯模上对应的的测量点进行 位移测量，通过信号的处理，与存储的零厚度参考值进行比较，得到缠绕在芯 模上的缠绕制品的厚度值。 3 测量模块。当收到单片机处理模块要求测量的指令后，可以对由脉冲信 号定位的测量点进行位移测量，并且将测量值传递给单片机处理模块，其特征 在于非接触式测量。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 4 显示模块。采用1 6 2 的液晶模块对得到的厚度值进行实时显示。 5 键盘模块。由操作人员通过键盘对系统进行设定。 6 报警模块。当测量的厚度值达到预定厚度时触发声光报警信号。 7 上位机通信模块。通过r s 4 8 5 串行总线与工控机通信，将厚度变化信 息传递给生产控制系统。 其系统组织方案如图2 5 所示 图2 - 5 厚度测量系统的模块连接图 1 4 定位测量脉冲信号 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 6 厚度测量系统的原理示意图 如图2 - 6 所示，该系统由固定在芯模传动部分4 上的测量信号触发器5 、综 合处理模块( 包括单片机处理模块、显示模块、报警模块、键盘模块与上位机 通讯模块) 和测量模块1 组成，适用于非圆形芯模。其预想的厚度测量过程为： 1 首先进行零厚度参考点2 的确定。通过键盘选定该功能后，芯模3 在没 有缠绕材料的情况下进行空转，此时综合处理模块6 中的单片机处理模块通过 测量模块1 对芯模3 上的测量点2 定位并进行位移测量，得到零厚度参考值， 存储到非易失性e e p r o m 存储器中； 2 通过图2 5 中的键盘模块进行缠绕制品厚度告警值的设定，存储到 e e p r o m 存储器； 3 缠绕生产开始，芯模传动部分4 转动，触发器5 产生触发脉冲信号后， 综合处理模块6 中的单片机处理模块连续应用测量模块1 对芯模3 上的测量点2 定位并进行位移测量，之后经过信号的处理，与存储的零厚度参考值进行比较， 得到缠绕在芯模3 上的缠绕制品的厚度值，并在图2 5 中的显示模块显示并传递 给上位机，同时经过数据判断，当测定的厚度值达到预设的厚度值时发送报警 信号给图2 5 中的报警模块，进行声光报警。 1 5 武汉理r 大学硕十学位论文 第三章光学系统设计与分析 光学系统的作用是将被测面的位置变化的信息传递到位置敏感器( p s d ) ， 实现空间位置变化的测量。通常光学系统设计包含发射光学系统、接收光学系 统的光路设计。发射光学系统将激光器发出的光束聚焦到被测面上，使光点尽 量的小，如果所使用的激光器发散角较大( 如半导体激光器) ，就需要对激光器 进行准直；接收光学系统对能否实现精确测量位移至关重要，由于加工、装配 的原因，光学系统都会存在一定的误差，会严重影响测量的精度，这些问题都 需要在设计时得到较好的解决。 3 1 入射光源 半导体激光器是近年来发展起来的一种新型激光光源，国内的制造技术已经 成熟，可以进行批量生产。由于具有体积小、重量轻、效率高、发射的激光波 长范围宽及寿命长等优点，半导体激光器的应用范围覆盖了整个国民经济领域， 从c d 、光盘系统到激光打印机、复印机等常用设备到医疗、测控、光纤通讯的 各个领域。结合本系统实际需要，选用可调激光光斑大小的半导体激光器作为 激光光源，出瞳半径为5 m m ，出瞳功率为5 r o w ，激光器自带准直透镜，可以对 光点直径进行调节。 3 2 光学系统设计 3 2 1p s d 动态范围匹配 在直射式三角法测量原理图2 1 中，根据工程实际，在对厚度测量系统的试 验装置进行设计时，取a = 2 5 0 m m ，b = 4 0 7 m m ，l o = 3 0 。，可以由原理公式( 2 3 ) 得：| + f ；三型e 工正二二= ：二二二础 石= 一匕。- j l j 与l 一 a x c o s o ： ：o ： 故有，艾： ： 文： 设x = o n l m 时，x 。2o m 肌5 图3 1p s d 示意图 贝0 当x = + 3 0 m m 时，x + 加= 2 7 2 5 m m ； 1 6 武汉理一r 大学硕士学位论文 系统采用的p s d 的光敏面的有效长度为l = 8 m m ，以p s d 的光电中心为零点 来算，像光斑在p s d 光敏面上的位置介于x n 和x 瑚之间，如图3 1 所示，o 点 为p s d 光敏面的中心，圆点代表像光斑，两端的灰色区域为离p s d 光电中心士 7 5 以外的区域，p s d 工作在该区域中时，位置检测误差明显增大，性能将显著 降低。p s d 的光电中心士7 5 以内区域为_ + 3 m m 。可见，相对于本系统而言，该 p s d 工作区域有较大的余度，选取比较合适，动态范围匹配较为恰当。 3 2 2 像光斑大小的计算 物平面 p b f 焦平面 图3 - 2 光斑成像原理图 在原理图2 1 中取0 = 3 0 0 ，物距a = 2 5 0 m m ，像距b = 4 0 7 m m ，透镜焦距 f = 3 5 m m 。透镜直径d = 2 5 m m ，设物光斑直径为z = 2 m m ，测量行程s a a = 3 0 m m ， 显然，a 点在p s d 上所成的像a 最小，其像斑直径为 z ，：旦z ；0 3 3 m 所 由图3 2 中所示的几何关系，得 b 点物距晶一a s a b c o s 0 2 2 4 m m 再由 ；+ 歹1 7 1 可以求得， b 点像距s4 1 4 8 r a m z ：。学d + z - - 0 4 7 + 0 3 3 = 0 8 m m 仪器在测量范围内，光斑最大不超过l m m ，是比较小的，有利于提高测量 精度【1 0 1 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 接收光能计算 当一束激光入射到被测面时，除部分吸收外，其余将被反射和散射。一般， 散射光强的空间分布都对称于反射光斑，若将入射光斑视为一点，则散射光斑 为一锥状i 句j l - 辐射，因此，空间某一点处的光强为散射角0 的函数，其大小随 散射角的增大而减小。 如图3 3 所示，d 为接收透镜的直径，a 为 光点到透镜的距离，e 为仪器工作角，q 为接收 透镜对光点形成的立体角，q 为透镜对光点形成 的半平面角，有 d 口4 优增石 q 一幼( 1 一c o s a ) 光点a炉 被测物面 在本系统中，选取d = 2 5 m m ，a = 2 5 0 m m ，0 图3 3 光能接收示意图 = 3 0 。，则可得q = 0 0 0 7 8 ( 立体弧度) 。 通过对缠绕层表面情况的研究，可以假设激光器光束照到缠绕层表面上散射 的情形为余弦辐射，即符合朗伯模型，如图3 4 所示，i 为入射角。则i 口一i m c o s o 设激光器输出光强为片，经出射透镜及被测物面反射及接收透镜后总的衰减系 数为n 。则有： 幔i k m l l x d q i n 如图3 4 所示，式中，。为q 空间立体角范围内 对应d q 方向上的发光强度。可见，要想确切求得只相 当复杂，由前面的计算q = o 0 0 7 8 ( 立体弧度) ，知q 很 小，于是可以假设在q 立体角范围内，发光强度是均 匀的，即i l i c o s 0 ，则有，p s d 接收光强只可 以近似表示如下： p ；竺旦c o s 口q 厂 辩 衫 图3 - 4 郎伯散射模型 根据本系统采用的激光器，取弓一l o m w ，保守估计光强损失至少2 0 ， 此处取r l = 0 8 ，计算得到只= 2 1 5 x1 0 r l p r ；1 7 2 u w 实际应用中，光路上还有其它许多损耗，p s d 接收的光强不过2 0 u w 。 1 8 武汉理t 大学硕士学位论文 下面计算一下仪器工作在测距极限时，p s d 接收光强的情况。 光点a 3 0妒如 jl 罗 ；0 m m 被测物面光点a 图3 - 5 系统极限工作时接收光强图 当x = 3 0 m m 时，如图3 5 所示，图中参数与上述对应参数意义相同，为示区 别，仪器在此工作状态下的这些参数统一加以下标3 0 来区分。虚线为仪器初始 状