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东北大学硕士学位论文摘要 全自动石英晶片分类机回转台动态倾角测试系统的研制 摘要 石英晶片已被广泛的应用于电子技术的各个方面，例如凡是用到微处理器的电子元 件，都需要采用晶体谐振器作为时钟振荡源来保持系统的频率稳定，而要保证晶体器件 的频率稳定度，则必须要求石英晶片的切角非常准确，因此石英晶片切角的测量就显得 非常重要。传统的石英晶片切角测量仪器x 射线定向仪，不能测量不能确定其x 轴 方向的圆形晶片。目前只有德国e f g 公司推出的全自动x 射线石英晶片角分类机可以 测量任意形状的石英晶片切角，该分类机的核心部件是一个不但能够长期稳定工作，而 且台面倾角要求控制在秒级以上的高精密回转台。要达到如此高的测量精度，仅仅依靠 提高回转台的机械精度并不现实，同时也会大大地提高回转台的成本。为了满足高精度 回转台的动态精度要求，其最有效的方法就是动态测量出回转台的瞬时倾角误差，并对 回转台的动态精度进行补偿。而采用接触式测量方法，则会在系统工作时对工作过程产 生干扰，并且存在划伤回转台表面的可能。本课题就是要配合研制国产全自动x 射线石 英晶片角分类机的需要，研制一套基于激光和c c d 技术的非接触式回转台动态倾角测 试系统，从而在对石英晶片切角测量时进行必要补偿，以达到准确测量出石英晶片切角 的目的。 c c d ( 电荷耦合器件) 是一种高精度的图像传感器，它在图像信息的摄取、记录方面 独具特色，同时又有体积小、功耗小、分辨率高、灵敏度高等优点，因此在高精度测量 领域得到广泛应用。利用激光和c c d 技术的角度测量技术是计量与现代测试领域中的 重要方法，其具有非接触、高灵敏度、高准确性、高效率等特点，是当前最先进的测试 技术之一。 本论文主要包括三个方面：测量系统总体方案的设计、数据采集和处理、精密回转 台的改进。测量系统总体方案的设计部分，主要通过对面阵c c d 和线阵c c d 的特性分 析以及在激光在非接触测量领域的应用特点，提出了采用激光与线阵c c d 有机结合的 回转台二维误差的测量方案，并根据在石英分类机上的实际位置完成了该系统的设计、 制作与安装；在数据采集与处理系统中，设计了基于线阵c c d 的信号采集硬件系统， 包括c c d 信号的二值化处理、频率测量、d a 输出以及采用l c d 液晶显示屏实时、动 态的显示回转台倾角变化过程，并设计了相应的软件；在对石英分类机回转台的改进部 分主要针对原设计中回转台力矩电机驱动能力不足进行了相应的改进，以保证精密回转 台能够长期、稳定工作。 关键词：石英晶片；角度测量；c c d 传感器；在线测量； 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a e t t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fd y n a m i cd r i f ta n g l em e a s u r es y s t e mo f t u r n i n gp l a t f o r mo f f u l l a u t o m a t i cs o r t i n gm a c h i n eo f q u a r t zw a f e r a b s t r a c t q u a r t zw a f e ri sp o p u l a ru s e di nm a n yf i e l d so fm a n ye l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o n s f o r e x a m p l e ，a l ls i t u a t i o n sf o ru s i n gm c u n e e dq u a r t zw a f e rt ok e e ps y s t e ma tn o r m a lf r e q u e n c y i f t h ec u ta n g l e so f q u a r t zw a f e ri sv e r yn i c e t y , t h e nt h es y s t e mw i l lw o r ka ln o r m a lf r e q u e n c y s ot h em e a s u r eo ft h ec u ta n g l e so fq u a r t z 、】i 妇i sg r e a t l yi m p o r t a n t t r a d i t i o n a la n g l e m e a s l l r em a c h i n eb yx r a yi su n a b l et om e a s u r er o u n dq u a r t zw a f e rf o rt h er o u n dq u a r t zw a f e r c a nn o te a r m a r ki t sxa x i s i ti sf u l l a u t o m a t i cs o r t i n gm a c h i n eo fq u a r t zw a f e rb yx m yo f e f go fg e r m a nt h a tc a l lm e a s u r et h ec u ta n g l e so fq u a r t zw a f e ro fr a n d o ms h a p e s t h ek e y c o m p o n e n to ft h i sm a c h i n ei sah i 【g hp r e c i s i o nt u r n i n gp l a t f o r m t h eh i g hp r e c i s i o nt u r n i n g p l a t f o r mn o to n l yc a nl o n gs t a b i l ew o r k ，b u ta l s oi t sd r i f ta n g l em u s tu n d e rs e c o n d i ti s u n r e a l i s t i ct op u ta l lh o p eo nm e c h a n i c a lp r e c i s i o no fl l i 曲p r e c i s i o nt u r n i n gp l a t f o r m a n d t h a th a v eag r e a tc o s t f o rm e e t i n go f n e e do f d y n a m i cp r e c i s i o no f t u r n i n gp l a t f o r m , d y n a m i c m e a s u r i n gi n s t a n t a n e o u sd r i f ta n g l ee r r o ri st h em o s ta v a i l a b l em e t h o d ，a n dc o m p e n s a t e d y n a m i cp r e c i s i o no ft u r n i n gp l a t f o r m i fa d o p tc o n t a c t i n gm e a s l j r e ，t h e nt h em e o r ew i l l d i s t u r bt h ep r o c e s so ft u r n i n gp l a t f o r ma n di tm a ys c u l ls u r f a c eo ft h et u m i n gp l a t f o r m t h i s t a s kd e v e l o pau n - t o u e hd y n a m i cd r i f t a n g l em e 鹤u r es y s t e mo ft u r n i n gp l a t f o r mb a s e d o i l l a s e r - c c dt e c h n o l o g y , f o rc o o p e r a t i n gt h en e e do fd e v e l o p i n gf u l l - a u t o m a t i c s o r t i n g m a c h i n eo fq u a r t zw a f e rb yx - r a yi nh o m e l a n d t h ed y n a m i cd r i f ta n g l em e a s u r es y s t e mc a n c o m p e n s a t et h em e a s o r er e s u l to fc u ta n g l e so fq u a r t zw a f e r ，t h e r e b yc a l ln i c e t ym e a s u r ec u t a n g l e so f q u a r t z 、v a f b r c c di sai m a g es e n s o r i th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c si ni n e e p t i n ga n dr e c o r d i n go fi m a g e i n f o r m a t i o n a n di th a sm a n ym e r i t s ，f o re x a m p l es m a l lv o l u m e ，s m a l lc o n s u m e ，h i l g h d i s t i n g u i s h a b i l i t ya n dh i g hd e l i c a c ye t e s oi ti sb r o a d l ya p p l i e di nt h ef i e l do fh i g hp r e c i s i o n n l e a s u r c l a s e r - c c dm e a s u r et e c h n o l o g yi st h em a i na n di m p o r t a n tm e t h o di nt h ef i e l do f m o d e r nm e a s u r et e c h n o l o g y i th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c sa su n - t o u c hm e a s l l r e ，h i g h - d e l i c a c y ， h i g h - e f f i c i e n c ye r e i ti so n e o f t h em o s ta d v a n c em e a s o r e t e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rh a st h r e em a i np a r t s ：t h ed e s i g no fp r o j e c to f m e a s u r es y s t e m , t h ec o l l e c t i o n a n dd i s p o s a lo fd a t a , t h ea m e l i o r a t i o no fh i 【g hp r e c i s i o nt u r n i n gp l a t f o r m i nt h ep a r to ft h e d e s i g no f p r o j e c to f m e a s u r es y s t e m , a f t e ra n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a c ea r r a yc c da n d l i n e ra r r a yc c di nt h el a s e ru n - t o u c hm e o r ea p p l i c a t i o n s ，m a k eo u tt w o d i m e n s i o ne r r o r m c a s 哪ep r o j e c to ft a m i n gp l a t f o r ma d o p t i n gl i n e ra r r a yc c d ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g n , 一i 一 东北大学硕士学住论文 a b s t r a e t f a c t u r ea n df i x i n go ft h i ss y s t e mb a s e do nt h ep r a c t i c ep l a c e i nt h ep a r to ft h ec o l l e c t i o na n d d i s p o s a lo fd a t a , d e s i g nt h em o d u l eo fc c ds i g n a lb i n a r y , t h em e a s u r e m e n tm o d u l eo f f f e q u e n c y ，t h em o d u l eo f d ac o n v e r t , a n dl c di su s i n gt os h o wt h ec h a n g eo fd r i f ta n g l eo f t u r n i n gp l a t f o r m t h er e l e v a n ts o f t w a r ei sd e s i g n e dt o o i nt h ep a r to ft h ea m e l i o r a t i o no f t u r n i n gp l a t f o r mo fs o r t i n gm a c h i n eo fq u a r t zw a f e r , w ea m e l i o r a t et h el a c ko fd r i v ea b i l i t yo f m o m e n tm o t o ri nt h eo l dd e s i g nt oe n s u r et h el o n ga n ds t a b i l ew o r k i n go f t u r n i n gp l a t f o r m k e yw o r d s ：q u a r t zw a f e r ；c u ta n g l e sm e a s u r e m e n t ；c c ds e n s o r ；o n l i n em e a s u r e m e n t ； 一i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：于勇 日 期：7 ，7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 学位论文作者签名：于勇 日期： 2 7 j 7 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一旱珀下匕 1 1 课题的提出 石英晶体是电子元器件领域应用最广泛的基本元件之一，广泛的应用于电子技术的 各个方面，铡如石英晶体振荡器在电子工程中占有极其重要的地位，凡是用到微处理器 的地方，都需采用晶体谐振器作为时钟振荡源保持频率稳定。石英晶片是制造石英晶体 振荡器的重要材料，石英晶片主要分为s c 切、i t 切双转角石英晶片、a t 切石英晶体 方片、a t 切石英晶体条片、a t 切石英晶体圆片四大类。设计石英晶体振荡器的第一步 是选择石英晶片的切型，第二步是在此切型的基础上选择石英晶片的切角。随着电子技 术的发展，对石英晶片相关参数的要求也不断的提高，如频率、负载电容、温度、绝缘 电阻、激励功率等，而决定这些参数除了材质与切型之外，很重要的一个因素就是它的 切角尺寸，即石英晶片的切角是影响石英晶片各项参数的重要因素，在一个较宽的温度 范围内，a t 切石英晶片的频率稳定度可保持在绝对值3p p m 以内，但必须要求石英晶 片的切角非常准确，因此石英晶片切角的测量是非常重要的一项工作。 传统上人们广泛采用x 射线定向仪来测量石英晶片的切角，但此方法有两个弊端： 其一，石英晶片切角的测量所要求的精度非常高，所以要求相应的测量装置的精度就非 常高，这样会提高测量装置的成本，同时也不容易满足测量精度要求；其二，此种测量 方法要求石英晶片有x 轴标记，对于圆形晶片，由于不能确定x 轴的方向，所以此方 法无法测量圆形石英晶片的切角。目前只有德国的e f g 公司推出的全自动x 射线石英 晶片角分类机克服了上述的x 射线定向仪的弊端，可以准确的测量出任意形状的石英晶 片切角，因而获得了广泛的应用。 对于石英晶片切角的测量，目前国内绝大多数的生产厂家仍采用传统的x 射线定向 仪，小部分规模大的企业，拥有德国e f g 公司生产全自动石英晶片分类机，对要求较 高的石英晶片进行测量，但是进口设备不但价格昂贵，而且维修和售后服务费用高，并 不适合国内一些规模较小的石英晶体企业。因此丹东东方晶体仪器厂在辽宁省中小企业 创新基金的支持下，与东北大学合作，试图开发适合我国石英晶体企业应用的全自动石 英晶片分类机，实现全自动石英晶体测量设备的国产化。 全自动石英晶片分类机的测量方法为：放射线以以附近得一个角度射到石英晶片表 面，晶片绕其表面主轴，即z 轴旋转，在一周的旋转过程中，必将在两个位置出现衍射， 根据从第一个衍射峰x 轴旋转的角度，就可算出晶片切角。由于新方法的旋转轴是晶片 主轴，因此将之命名为妒旋转法。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 c 2 一= 式1 t 、 黟k i 0 2 - 弋心 图1 1 全自动石英晶片分类机测量方法 f i g 1 1 t h em e a s u r e m e n tm e t h o do f a u t o m a t i c q u a r t zw a f e rs o r t i n gm a c h i n e a 1 图1 2 石英晶片分类机测量方法运动轨迹 f i g ，1 2 m o v i n go r b i to f q u a r t zw a f e rs o r t i n gm a c h i n em e a s u r i n gm e t h o d 由于石英晶片的切角是一个变化范围相当小的角度，当对此角度进行测量时就不得 不考虑造成测量值误差的各种因素，其中的一个重要因素就是晶片主轴与旋转轴存在夹 角的情况，造成这种情况的主要原因是支持晶片旋转的回转台的旋转主轴与晶片自身的 主轴不重合，因此该分类机的核心部件是一个不但能够长期稳定工作，而且台面倾角要 求控制在秒级的高精度回转台。要达到如此高的精度，仅仅依靠提高回转台的机械精度 来实现并不现实，同时也会大大地提高回转台的成本。为了满足高精度回转台的动态精 度要求，提高石英晶片切角测量的准确性，分离这种由于回转台旋转主轴与晶片自身主 轴不重合而造成的误差是提高测量精度的一个关键，其最有效的方法就是动态的测量出 回转台的瞬时倾角，并实时的对回转台的精度进行动态误差补偿。而采用传统的接触式 测量方法，则会在系统工作时对工作过程产生干扰，并且存在划伤回转台表面的可能， 因此研制一种非接触式、高精度的回转台动态精度实时监测系统就十分必要。本课题就 是要配合研制国产全自动x 射线石英晶片分类机的需要，研制一套基于激光和c c d 技 术的高精度回转台动态倾角测试系统，以消除在晶片切角测量过程中由于支持晶片的回 转台旋转主轴与晶片自身主轴不重合而造成的误差对晶片切角测量结果的影响。 2 誉一 舵 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 课题研究领域的发展和现状 本课题的目的就是要实时、准确的测量出高精度回转台在旋转过程中的动态倾角。 角度测量是计量科学中发展较为完备的一个分支，各种测量手段的综合运用使测量准确 度达到了很高的水平。据不完全统计，角度测量方法大致可以按测量原理分为1 6 大类 1 3 1 , 在过去的2 0 年中，角度测量的准确度也达到了这之前的1 0 倍以上。角度测量技 术可以分为静态测量和动态测量两种，常用的测量角度的方法有：机械测量方法，电磁 测量方法，光学测量方法以及光电测量方法等。 机械式测量方法主要以多尺分度盘为代表，多齿分度盘作为一个完整的圆分度器 件，是由美国g a g e 公司研制并于1 9 6 0 年获得专利，当时其分度达- 4 - 1 2 5 ”。前苏联考纳 斯机床厂的y , g a - 0 5 型角度测量仪最小分度间隔1 5 ，测量准确度为1i ”。机械测量方法 的缺点是设备体积庞大，大多为手工测量，测量精度受到限制，测量延时大，不能实时 动态钡0 量，而且也不能进行非接触测量。 电磁测量方法利用电磁感应的原理来测量角度，测量精度高，测量速度快，但不能 应用于非接触测量。 对非接触式角度测量目前常用光学测量方法和光电测量方法。 光学测量方法是利用光的反射、折射原理来确定出角度关系的一种测角方法，常用 的光学测量方法主要有光学分度头法、光电编码法、奠尔条纹法、平行干涉图法、圆光 栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激光法等，其中对小角度的测量以光学内反 射法、激光干涉法、圆光栅法最为常用。 光学内反射法小角度测量技术就是利用在全反射条件下入射角变化时反射光强的 变化关系，通过反射光强的变化来测量入射角的变化的。由于入射角在临界角附近线性 较好，随着入射角的微小变化，反射光的强度发生急剧变化，因此测量时通常定义一个 i 临界角附近的初始角0 。，被测角为相对于该初始角的角位移0 ，这样就可以充分利用 临界角附近灵敏度较高的特点，进行小角度的高精度测量。内反射法是由psh u a n g 等 人提出来的【1 6 1 ，用该方法制成的测角仪体积可以做得很小。 激光小角度干涉测角大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理，将角度的变化转换为 长度变化来进行测量。经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干 涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可得到光线的转角 7 1 。该系统在经过 改进后可以测量大约9 0 度的角度，但各种误差因素随着所测角度的增大而急剧增加， 因此该系统的测量范围限制在几度内，在此范围内具有极高的测量准确度。目前这种技 术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量 技术作为小角度测量的国家基准。 圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。作为角度测量基准的光栅可以用平均读数 原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。 一3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 但在动态测量时，在1 0 r s 的转速下，要想达到1 的分辨率都非常困难。目前我国的国 家线角度基准采用6 4 8 0 0 线周的圆光栅系统，分辨率为o 0 0 1 ”，总的测量不确定度为 0 0 5 ”。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量。 以上介绍的常用的小角度光学测量方法实现起来结构都较为复杂，需要设计精密的 光路，而且往往需要人工干预才能完成测量，虽然在静态测量时可以达到很高的测量精 度，但却难以满足在较高的测量精度下进行自动化测量的要求。 而以近代波动光学为基础的光电测量法具有高精度、高可靠性、实现简单、可维护 性好等优点，在光电测量技术中，典型的代表是采用以c c d 技术为基础的测量方法。 c c d 全称为电荷耦合器件，是英文c h a r g e c o u p l e d e v i c e 的缩写，它是贝尔实验室在1 9 6 9 年发明的一种以电荷包形式存储和传输信息的新型半导体器件。c c d 具有非接触性测 量、分辨率高、灵敏度高等特点，因此在精度要求较高的测量、控制领域得到了广泛的 应用。另外c c d 器件的测量速度快，不仅可用于静态测量，还可应用于动态在线检测 系统中。由于激光光源具有高亮度、相干性好、方向性好，并能产生很好平行光的特点， 因此把激光技术与c c d 器件的优点结合起来，使得c c d 检测技术发展到了一个新的历 史时期，成为一种无法取代的测试技术，是当代最先进的测试技术之一。 国外在这方面研究较为先进，具有代表性的是日本k e y e n e e 公司的产品。其l s 一 7 0 0 0 系列高精度c c d 测微计，测量精度可以达到士2 t i n ，在测量零件的外径，薄膜厚 度等方面有广泛应用。采用单个c c d 传感器的测量范围可达0 1 3 0 m m ，采用两路c c d 传感器可以对诸如活塞的外径等大尺寸进行测量。 在我国，对c c d 的使用已从实验研究室走向实际应用阶段，从8 0 年代中期开始便 逐渐把激光和c c d 检测技术运用到遥感遥测、光谱分析、高精度几何尺寸测量、图像 处理、煤炭工业等各种自动化检测领域。天津大学精密仪器系是国内比较早的研究应用 c c d 的单位，他们研制的玻管测径仪、细丝直径测量仪等测量设备是国内比较先进的 非接触测量仪器1 7 1 。 采用c c d 器件进行精密测量时，根据所测量的物体形状及尺寸的不同，常用的测 量方法有激光衍射测量法、激光反射测量法和投影成像测量等方法。激光衍射测量法该 方法一般用于细金属丝或者小孔直径的测量。当金属丝或者小孔的直径为3 0 2 0 0 1 m 时，衍射图样投射到c c d 阵列上，其输出为代表光强分布的s i n e 函数的电压信号，通 过光电信号处理电路探出暗点位置，就可以算出金属丝或者小孔直径值。投影成像测量 法一般用于测量与c c d 能接收信号的尺寸在同一个数量级的线材( 如塑料导线、裸铜钱、 纤维1 直径的测量。利用点光源透过凸透镜产生一束平行光，当该光束中置有被测线材 时，在c c d 上产生与线材直径相当的阴影，测量在c c d 上的阴影的宽度就可以得到线 材的直径。这种方法还可用于外螺纹几何形状参数的；测量激光反射测量法一般用于已 加工零件尺寸厚度测量及零件加工过程中的在线检测，用一激光束照射在被测工件表 面，经漫反射或半漫反射形成光斑并交于c c d 器件上，此时由c c d 将光信号转换成电 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 信号，当工作表面厚度发生变化时，光斑在c c d 上做相应的移动，利用三角形测量法 可求出零件尺寸变化的相对厚度或微小变化。这种方法光斑的能量集中，有较高的灵敏 度。虽然在这样大的测量范围内会有一些非线性误差，但可以通过实际标定，利用软件 对它进行修正。 1 3 课题的主要工作内容 通过对进口e f g 全自动石英晶片分类机的测量原理的分析，根据自行研制的全自 动石英晶片分类机机械结构设计的要求，探索精密回转台动态误差的测量技术，研制基 于激光技术和c c d 传感器技术的精密回转台动态倾角误差测量系统。本论文的工作主 要为下： ( 1 ) 根据激光和c c d 技术的应用特点、原理制定了测量系统的总体方案并依据角分 类机上的实际空间位置进行了测量系统的光路设计以及激光器、c c d 图像传感器、各 种光学镜片的选取； ( 2 ) 进行测量系统的机械结构设计，包括激光器固定装置、光学透镜的固定与调整 装置、c c d 固定装置的设计、制造以及整套系统的安装调试； ( 3 ) 测试c c d 图像传感器应用性能、特性参数等，并进行c c d 图像传感器在采用 激光光源条件下的应用实验； ( 4 ) 设计基于线阵c c d 的倾角误差测量硬件及软件系统。包括c c d 输出信号的二 值化处理、单片机数据采集及处理、d a 信号输出及用l c d 液晶显示屏动态显示回转 台台面倾角的变化等； ( 5 ) 由于原设计中石英分类机的精密转台无法正常工作，在本设计中对原设计转台 系统进行了改进，包括运动用0 型密封圈和力矩电机的重新选取以及相应的机械结构的 改进。 5 东北大学硕士学位论文第二章测试系统总体方案的设计及检测光源、传感器的选取 第二章测试系统总体方案的设计及检测光源、 传感器的选取 2 1 测量方案的提出 通过观察德国e f g 全自动石英晶片分类机的工作方式，可以分析得到全自动石英 分类机的工作原理是：微机给定一个拾取晶片执行指令，由电机带动上料臂取料( 利用 真空吸附方法) ，并将晶片放到精密回转台的载物台上，精密载物台载着晶片作等速旋 转运动一周( 晶片在转动过程中，也是通过真空方法将其吸附固定) ，在这个过程中， x 射线管发射的x 射线经过石英晶片的切角丽发生的2 次衍射，并被x 射线检测仪的 接收，将信息传送给微机，由微机经过计算，确定晶片切角，并发出另外一个指令给下 料臂，由电机带动下料臂取料( 也是用真空吸附法方法) ，将晶片放到与其切角范围相 对应的料盒内，在下料臂来取料的过程中，微机会同时发布一个指令给上料臂，让其回 去作第二次取料。 本课题所设计的系统的是全自动石英晶片角分类机项目的一部分，其目的就是要实 时、准确的测量出高精度回转台动态倾角，从而对用x 射线法测量出的石英晶片切角进 行误差补偿，这对能否精确的测出石英晶片的切角是非常关键的。在测量回转台倾角时， 采用接触式测量方法显然是不可取的，如采用光学测量方法需要人工的干预，不能自动 完成角度的测量，也不是理想的测量方法。而采用以c c d 技术为基础的光电检测方法， 能较好地解决实时性、快速性、高精度之间的矛盾，同时具有非接触、高灵敏、高准确 性、体积小、功耗小等特点，是一种理想的选择方案，因此本测试系统采用目前较为先 进的激光和c c d 技术来测量高精度回转台的动态倾角，通过分析、比较可以确定采用 激光反射测量法测量高精度回转台的倾角。 本测试系统的基本原理如图2 1 所示： 回转台 图2 1回转台倾角测试系统原理图 f i g 2 1 c h a r to f p r i n c i p l eo f d r i f ta n g l em e a s u r es y s t e mo f t u r n i n gp l a t f o r m 一6 一 东北大学硕士学位论文第二章测试系统总体方案的设计魔检测光源，传感器的选取 激光光束以大约3 0 0 的角度照射到回转台台面，经过回转台台面上的石英晶片的反 射，将激光光斑反射到c c d 靶面上，从c c d 传感器中得到视频信号，经c c d 后部电 路的处理，可以得到激光光斑在c c d 靶面上的位置，当回转台台面的角度发生变化时， c c d 靶面上激光光斑的位置也将随之变化，将新的光斑位置与上一个光斑位置进行比 较，就能得出回转台在旋转过程中激光光斑在c c d 靶面上的移动量，再根据光斑位置 变化量和回转台台面角度变化量的几何关系，就可以得出回转台在转动过程中的倾角。 从测试系统基本原理图中可以得出，光斑位置变化量和回转台台面角度变化量的几何关 系为： a 卸，2 s i n o ，! r 2 f ( 弧度) = y 2 r x 5 7 3 ( 度) 吲2 r x 2 0 6 2 6 4 ( 秒) ( 2 1 ) 在实际使用时，光斑的移动量y 要比反射光线的长度r 小得多( y 为a n 级，r 为蛐 级) ，可以认为上式是直等成立的，能够满足测量精度的要求。 2 2 检测光源的选择 c c d 应用系统可大致分为摄像和检测两种类型，对于c c d 的不同应用类型，对系 统光源有不同的要求，应根据需要选用。在把c c d 作为检测传感器的系统中，对光源 的选取应主要考虑以下三个汛题：照明系统提供的光能量、光能量利用率及能量在像平 面上的分布。由于激光光源比起其它光源具有单色性好、相干性高、方向性强、能量集 中、分布均匀等特点，因此被广泛的应用在c c d 检测系统中，作为c c d 传感器的光源。 在诸多种类的激光器中，c c d 检测系统常采用两类激光器，一是氦一氖激光器， 二是半导体激光器。氦一氖激光器具有连续输出的能力，但输出激光功率不高，只有几 毫瓦，其输出的激光波长九为0 6 3 2 删，波长的稳定性度高达1 0 4 0 数量级。氦一氖激 光器输出光束的相干性及方向性均很强，但氦一氖激光器会因慢漏气，真空元件放气， 工作气体的吸收、阳极溅射等原因，而使得使用寿命下降n “，而且体积较大，不适合本 设计的要求。半导体激光器价格较低，在市场上比较容易买到，光束准直和扩束比较容 易实现，无需高压电源，波长范围6 0 0 n m 1 0 2 0 a m ，其中以6 3 5 n m 和6 5 0 n m 居多，符 合c c d 器件的光谱响应范围0 4 - 1 1 a n ，其光谱响应灵敏度接近峰值响应波长的光谱 灵敏度，又由于半导体激光器阵列与其他种类的激光器相比具有体积小、重量轻、效率 高、性能稳定、可靠性好、寿命长等优点，所以很适合作为本设计系统中c c d 的光源。 由于在本系统中采用的是激光反射测量法，因此需要点光源半导体激光器作为测试系统 的光源。 在本系统中激光要先经过石英晶片的反射( 虽然石英晶片在6 5 0n l n 波段的透光率 仅有3 0 左右，但在实际应用中光的散射却特别大，光的反射率很小。图2 2 为石英晶 片的透光率曲线) ，而后又要经过滤光片、直角棱镜及分光镜，最后到达c c d 表面，因 此光损失较大。为使c c d 传感器像面获得足够照度并分布均匀，应尽量选择功率较大 的激光器，本系统所选用的激光器是西安赛朴林特激光器厂的s d 6 5 0 - - 8 0 g 3 型半导体 一7 东北大学硕士学位论文第二章测试系统总体方案的设计魔检测光源、传感器的选取 点光源激光器，这款激光器将激光发生器和激光扩束部分做成一体，结构紧凑，而且光 斑大小可调，适合于本系统的使用。 激光器基本参数如下： 工作电压：d c 5 v 功率：7 0 m w ，输出光斑直径：中l m m ( 在6 0 0 衄处) 波长： 6 5 0 r i m 工作距离： 6 0 0n l m 光学透镜：光学镀膜玻璃透镜 光束发散角： o 2 m r a d 外形尺寸：1 6 x 6 0 哪 工作温度： 1 0 一5 0 储藏温度： - 4 0 8 0 激光器属静电敏感器件，在安装和使用过程中要严防静电，以免损伤激光器。 v n 嘣e n g 廿1 0 忡 图2 2 石英晶片的透光率曲线图2 3s d 6 5 0 - - 8 0 g 3 型号半导体激光器 f i g 2 2t h e g u r v e o f f r a n k o f q u a r t z w a f e r f i 9 2 3 m a po f s e m i c o n d u c t o r l a s e r t y p es d 6 5 0 - - - 8 0 g 3 2 3 c c d 的选取 2 3 1c c d 的特点及原理 2 3 1 1 c c d 的特点 c c d 为高精度、数字式像传感器，它能把一幅空间域分布的图像，变换为一列按时 间域离散分布的电信号，通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数， 它在图像信息的摄取、记录方面独具特色。同时又具有以下几个特点： ( 1 ) 体积小，目前面阵c c d 芯片只有指甲大小，至于高点阵的线阵c c d ( 女n 8 一 东北大学硕士学位论文g _ - 章测试系统总体方案的设计反检测光源，传感器的选取 t c d l 5 0 0 0 总长度也只不过5 3 e r a 左右，而且c c d 不需要使用摄像管所必须采用的偏 转线圈； ( 2 ) 高分辨率，目前c c d 技术已发展到能生产1 6 0 0 万像素( 4 0 9 6 x 4 0 9 6 ) 的高密度的 面阵c c d ，像素尺寸为7 1 5 a nx 7 1 5 a n ；而线阵的像素点数达6 0 0 0 点以上，像素尺寸 为7 朋x 7 a n ； ( 3 ) 高灵敏度、低噪声，c c d 器件具有很高的量子效率，最高可达9 0 以上。它的 电荷转移效率几乎达1 0 0 。它在低温下工作几乎无暗电流，噪声几乎接近于0 ； ( 4 ) 几何尺寸稳定，耐过度曝光。c c d 经长时间运转，其几何性能、热和光电性均 很稳定，不怕强光过度曝光。 2 3 1 2c c d 的工作原理 c c d 是由若干个像敏单元以一定的顺序排列而成的一条光敏线或光敏面，并用辅 助电路组合成大规模集成电路。其突出特点是以电荷作为信号，c c d 的基本功能是电 荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 工作过程的主要是信号电荷的产生、存储、传输 和检测。 c c d 的工作原理是通过光学成像系统将景物图像成在c c d 的像敏面上，像敏面将 照在每个像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数的密度信号( 即光生电荷) ， 存储于像敏单元中，受到光线照射的像敏单元产生光生电荷，未受到光线照射的像敏单 元不产生光生电荷，然后在转移脉冲的作用下，转移到c c d 的移位寄存器中，再在c c d 驱动电路中的移位脉冲的控制下，将电荷传输至输出电路中，经输出电路将电荷量转化 为电压量，一位一位的移位输出，成为视频信号。视频信号再由后部处理电路进行处理 或计算，成为检测信号。 下面分析使c c d 正常工作时驱动信号的相互关系及如何进行处理和运用。c c d 工 作时信号的波形如图2 4 所示： t 1 t | f t 垭j 工 图2 4c c d 工作时的信号波形 f i g2 4 w a v em a p o f s i g n a lo f c c d 图2 4 中t = t l + t 2 为c c d 的一个工作周期。其中t l 为c c d 传感器的曝光时间，在 此期间内相应有光照的象素单元充电，相应的c c d 内部寄存器单元电平为商。t 2 是做 9 东北大学硕士学位论文第二章测试系统总体方案的设计厘检测光源、传感器的选取 移位输出u o 的时间。移位时间t 2 = 有效像素个数移位脉冲频率，t 2 所对应的宽度是 整个c c d 传感器有效感光面的宽度。在输出信号u o 上，t b 是照在c c d 传感器上的光 斑宽度，t l 的宽度是与光照在c c d 传感器上的位置有关的。很显然，如果检测的是位 置信号，则t l 正是反映位置变化的重要信息。由于c c d 的输出信号是在移位脉冲信号 的作用下一位一位的移出器件，成为视频信号的，一个移位脉冲对应于一个有效像素， 因此在数字处理单元中只要检测到t o 、t l 两个时刻，并且统计出两个时刻之间的移位脉 冲个数，也就是两个时刻之间的像元的个数，再与像元之间的间距相乘，即可得到t l 的宽度。同时又由于t o 时刻对应于一个移位输出周期内有效输出信号的开始，因此可以 把t o 、t z 两个时刻之间的移位脉冲个数作为与t l 相对应的数字量。同理也可碍出t b 与 t c 的宽度，这样就可以根据不同的要求和测量原理，把c c d 应用于不同检测系统中。 2 3 2 c c d 的选择 c c d 分为线阵( l i n e a r ) 与面阵( a r e a ) 两种，其中线阵多应用于影像扫瞄器及传 真机和尺寸测量等方面，而面型主要应用于数码相机、摄录影机、监视摄影机等影像输 入产品上。 在线测量系统的一个基本的要求就是数据采集系统要有很好的实时性。我们分析实 际系统需要，回转台2s 一转，就是o 5 胁，在分度圆上要鉴别1 分的话，它的频率是： 6 0 * 3 6 0 * 0 5 = 1 0 8 k h z 。如果在本设计系统中选用面阵c c d 的话，要想满足如此高的线 采集频率，对于目前的科技水平，虽然可以达到，但要求成本却相当高。例如，一个采 集频率为1 5 桢秒的面阵c c d 相机，它的售价就已达到7 万多人民币。因此在本系统 中可以不考虑采用面阵c c d 作为检测传感器。 而考查线阵c c d ，线采集频率在1 0 k 以上的就有很多了，而且价格合适，成本较 低。那么如果采用线阵c c d 进行测量，显然要获得平面的误差信息，至少要在两个平 面坐标方向( x 、y 方向) 上进行数据采集，则必须对原光束向量进行分解，分解其在 x 和y 两个方向的分量，同步地在两个线阵c c d 上测量，得到它们相应的偏分量，然 后将这两个量对应，从而得出光束的总体的偏值，如图2 5 所示。 图2 5测量方案示意图 f i g 2 5 s k e t c hm a po f t h em e a s u r em e t h o d 1 0 一 0 东北大学硕士学位论文第二章测试系统总体方案的设计反检测光源传感器的选取 目前，市场上线阵c c d 芯片的种类很多，常用的如表2 1 表2 1常用线阵c c d 芯片 t a b l e2 1t h e l i n e - a r r a yc c dc h i po f c o m m o n u s e 对于一套基于激光和c c d 技术的测试系统，测量范围、精度以及能否保证测试系 统的实时性是选择c c d 器件的主要依据。 ( 1 ) 从保证测试系统的实时性方面考虑：如前所述，回转台2s 一转，在分度圆上 要鉴别1 分，c c d 的采集频率应当保证在1 0 8k h z 。通过分析常用c c d 的参数可知， 要选择高速2 0 m h z 的产品( 对于非高速产品，它们大致为l 2 m h z 的