CN1712885A

CN1712885A - 基于半导体激光－电荷耦合器件的微位移测量系统

Info

Publication number: CN1712885A
Application number: CN 200510019072
Authority: CN
Inventors: 陈昌浩; 倪焕明; 杨志; 陈方胤
Original assignee: Individual
Current assignee: Nanjing Water Conservancy and Hydrology Automatization Institute Ministry of Water Resources
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: CN1304815C

Abstract

本发明公开一种基于半导体激光－电荷耦合器件的微位移测量系统，涉及一种精密尺寸及微位移的激光非接触测量系统。本发明由半导体激光器(LD)A1、光学装置A2、电荷耦合传感器(CCD)B、LD驱动电路C1、CCD激励电路C2、信号调理单元D、时间－电压变换单元E、数字采集处理单元F、数字表G组成；本发明的光学结构或为直射式光学结构，或为反射式光学结构。本发明为非接触测量，适用于工件加工过程中加工精度的检测，大型转轴在旋转过程中摆动的检测，安装调试过程的对准和不平整度的调节，水库大坝形变及高层建筑形变的监测等测量。非接触测量因其不破坏被测对象的自然状态和投射到人或器具均无法触及的被测点，使测量结果更真实，操作更方便。

Description

基于半导体激光-电荷耦合器件的微位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种精密尺寸及微位移的激光非接触测量系统；具体地说，涉及直射式和反射式光学结构以及LD驱动电路、CCD激励电路、信号调理单元、时间-电压变换单元。

背景技术

现代工业生产和工程技术中更加广泛地需要精密尺寸和微位移测量，它们可能是静态的，也可能是动态测量，在线或离线检测，检测精度以1微米到10微米到数十微米的要求诸多数，而且越来越要求非接触测量，并对长期稳定性和使用的环境适应性提出更高的要求。工业中最典型的是机械加工尺寸的在线检测，在工程应用方面最典型的是大坝形变监测。

目前，在国内利用半导体激光器(LD)和电荷耦合传感器(CCD)制造该项测量系统的尚无成功的产品；国际上此类测量系统其主要技术指标与本发明相当，具体技术方案不一样，而价格非常昂贵。

发明内容

本发明的目的是为了满足上述非接触精密测量日益增长的要求，提供一种高精度、精密尺寸的基于半导体激光-电荷耦合器件的微位移测量系统。

本发明的目的是这样实现的：

一、设计思路

1、用于精密尺寸和微位移非接触测量的半导体激光器(LD)和电荷耦合传感器(CCD)与光学装置及其参数的最佳配合。

2、利用半导体激光器(LD)的优点，通过合理的光学设计，获得近乎线性的测量，通过芯片的简单处理获取准确的最终结果。

3、设计有获得高精度高稳定测量的电子电路，包括信号的获取、提纯和变换成便于数字处理的脉冲信号电路。

4、设计有适应多通道测量及多种显示同时工作的模式。

二、设计方案

本发明由两部分组成：

一是包括半导体激光器(LD)及光学装置A和电荷耦合传感器(CCD)B在内的光学部分。

二是包括激励电路C、信号调理单元D、时间-电压变换单元E、数字采集处理单元F、数字表G在内的电路部分。

光学部分建立其与被测量尺寸或微位移量的关系并通过CCD转换成为相应的测量电信号，被测量尺寸或微位移信息包含在该测量信号的时间参量中，然后由电路部分完成信号的调理、变换、测量及处理。

具体地说，如图1，本发明由半导体激光器A1、光学装置A2、电荷耦合传感器B、LD驱动电路C1、CCD激励电路C2、信号调理单元D、时间-电压变换单元E、数字采集处理单元F、数字表G组成；

半导体激光器A1、光学装置A2、电荷耦合传感器B、信号调理单元D、时间-电压变换单元E、数字表G依次光电连接；信号调理单元D和数字采集处理单元F电连接；LD驱动电路C1和半导体激光器A1连接；CCD激励电路C2和电荷耦合传感器B连接；

本发明的测量分直射和反射两种方式，它们分别适用于不同的应用场合。

主要是设计被测物W、半导体激光器A1、光学装置A2、电荷耦合传感器B相互间配合关系。调节此种配合关系时，关键是选择激光输出模式及输出功率的自动补偿和电荷耦合传感器B的参数选择，使在有光信号时，电荷耦合传感器B可达到临界饱和，在较大温度范围内，可获得输出信噪比接近最佳。

因此，本发明的光学结构或为直射式光学结构，或为反射式光学结构。

所述的直射式光学结构是半导体激光器A1、光学装置A2、被测物W和电荷耦合传感器B依次排列；

所述的反射式光学结构是半导体激光器A1、被测物W、光学装置A2和电荷耦合传感器B依次排列。

本发明的电子部分有以下特点：

1、利用先进技术，使电子电路简洁有效。整个系统未见太复杂的电子线路，但有精巧的设计。如：

(a)利用高质量模拟开关ADG333结合超低漂移运放ICL7650完成时间-电压变换，获得高线性及高稳定性的极佳效果。

(b)使用高速CMOS逻辑器件74HC系列，保证了与被测量相关的时间信息精确地传递和变换。

(c)利用宽带运放(LF411)和高速比较器(LM339)完成隔离、平滑、二值化，调整简单，性能稳定。

2、以硬件结构为主，稳定、可靠、且保证了相关的时间信息的准确性。

3、为抗相互干扰采用的电源浮置技术。

4、测量信号先经平滑处理，然后在电压表G或数字采集处理单元F中进行电子细分，获得亚像素级测量分辨率。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、因为是非接触测量，适用于工件加工过程中加工精度的检测，大型转轴在旋转过程中摆动的检测，安装调试过程的对准和不平整度的调节，水库大坝形变及高层建筑形变的监测等测量。非接触测量因其不破坏被测对象的自然状态和投射到人或器具均无法触及的被测点，使测量结果更真实，操作更方便。

2、CCD线阵结构的精确尺寸、自扫描、脉冲信号输出等特点，有利于应用现代技术对信号及测量结果进行传输、变换、存储及处理，为行业的自动化和远距离操作提供了有力的支持。

3、激光与CCD技术的有机结合，光源的优异性能、微型化及CCD技术本身的不断发展，使得本发明更具发展前途和其它的潜在应用前景。

4、本发明的测量精度和测程范围及多种形式的结构，已达到国外同类产品的先进水平，更具有工程中特殊检测要求和非产品化的特殊测量装置提供各种便利服务。

5、本发明开发出的多种仪器已在工程中使用，得到用户的认同，开拓了工程技术人员的眼界，使他们在完成所需测量任务时准备放弃早先的传统测量模式，为本发明的应用开辟了广阔的天地。

经检测，本发明具有以下基本性能指标：

1、量程：几毫米-1000mm

2、分辨率：0.001毫米或0.01％FS

3、精度：优于0.01毫米

4、环境温度：0-40℃

5、最大环境湿度：100％

6、最大照度：20勒克斯

7、温度漂移：1微米/1℃ 0.02毫米/年

附图说明

图1-本发明组成方框图；

图2-直射式光路图；

图3.1-反射式光路图例一；

图3.2-反射式光路图例二；

图3.3-反射式光路图例三；

图3.4-反射式光路图例四；

图4-LD驱动电路接线图；

图5-CCD激励电路方框图；

图6-信号调理单元方框图；

图7-时间-电压变换单元方框图；

图8-数字采集处理单元方框图；

图9-CCD激励电路接线图；

图10-信号调理单元接线图；

图11-时间-电压变换单元接线图。

其中：

A-半导体激光器(LD)及光学装置，A1-半导体激光器，A2-光学装置；

B-电荷耦合传感器(CCD)；

C-激励电路，

C1-LD驱动电路；

C2-CCD激励电路，

C2.1-晶体震荡器，C2.2-时序电路，C2.3-门电路，C2.4-D触发器；

D-信号调理单元，D1-微分网络，D2-积分网络，D3-运放器，D4-二值化电路，D5-阈值调节电路，D6-脉冲前后沿提取电路；

E-时间-电压变换单元，E1-模拟开关，E2-求和积分电路，E3-基准电压源；

F-数字采集处理单元；

G-数字表。

具体实施方式

本发明在0～数百毫米的测量范围内，实现尺寸及位移的非接触精密测量，采用了寿命和光学性能都极佳的LD。

根据被测物W条件的不同，采用直射式或反射式测量，用灵敏度和暗电流性能都优良的CCD作光电转换元件，通过仔细地合理地调整LD、光学装置和CCD之间的配合，使CCD的输出在接收到信号时处于临界饱和，无信号时基本无输出。CCD输出则利用宽带运放(LF411等)和高速比较器来完成隔直、平滑、二值化，保证精确反映待测的尺寸或位移量，并以D触发器和模拟开关取得时间关系与尺寸或位移严格对应的矩形波信号，免除了接收光强信号变化等带来的影响，获得高稳定性测量结果。视需要利用超低漂移运放ICL7650取得平滑的直流输出供面板数字表显示，或用AT89S52结合CCD激励时钟作精密时间测量获得数字处理和输出，平滑时间常数和测量次数的恰当选择使得测量精度得到提高。

一、光学部分

1、半导体激光器A1，选用价格低、寿命和光学性能都极佳的650nm波长的LD。

2、电荷耦合传感器B选用东芝TCD产品。

3、光学装置A2分别包括直射式光学结构中的平行光学系统和反射式光学结构中的会聚式光学系统。其各个光学透镜参数均依据不同要求设计而成。

在实际工程应用中，由于测量对象的不同，尺寸的精度要求和仪器安装结构要求亦不同。

4、光学结构

(1)直射式光学结构

如图2，依次排列的半导体激光器A1、光学装置A2、被测物W和电荷耦合传感器B在一条直线上。

其光路是：由半导体激光器A1发出的激光光束经光学装置A2光学准直后形成平行性极好的平行光，直射到整个被测物W上，被测物W的阴影及平行光一同投射到电荷耦合传感器B的靶面上(无被测物W时，能充满整个靶面)，阴影在靶面上的位置X和ΔX即反映了被测物W的位置和尺寸，则电荷耦合传感器B的输出信号即含被测物W位置及尺寸的信息。此种结构中，位置X和终端数字表G显示的数据是完全线性关系。

(2)反射式光学结构

在反射式光学结构中，半导体激光器A1、光学装置A2和电荷耦合传感器B的位置关系可有多种安排形式，其位移量测量的计算公式也各异，有的是完全线性关系，有的是非线性关系。有理论导出的公式计算出准确的位移量。

①如图3.1，其位置是：半导体激光器A1的激光光束直射到被测物W上，光学装置A2轴线和电荷耦合传感器B中垂线重合，该中垂线与激光发射光束平行。

其光路是：由半导体激光器A1发出的激光光束直射到整个被测物W上，经被测物W的漫反射，并经光学装置A2聚焦，投射到电荷耦合传感器B的靶面上。当被测面沿激光发射光束方向移动ΔL时，会聚到电荷耦合传感器B的靶面上的光点的位置也发生相应的ΔX变化，再按下列公式将ΔX换算成ΔL即可：

L＝D×F/X

其中：

L-光学装置A2中心点垂直激光束对应点到被测面之间的距离；

D-激光束与光学装置A2光轴之间的距离；

F-光学装置A2等效面到电荷耦合传感器B靶面之间的距离；

X-电荷耦合传感器B靶面对应光学装置A2光轴点到信号光点的距离。

②如图3.2，其位置是：半导体激光器A1的激光光束直射到被测物W上，光学装置A2和电荷耦合传感器B的中垂线重合，对准被测物W处在量程中间位置时的激光照亮点上。

其光路是：由半导体激光器A1发出的激光光束直射到被测物W上，经被测物W漫反射，又经光学装置A2将其成像到电荷耦合传感器B的靶面上。当被测面沿激光发射光束方向上、下移动ΔL_上、ΔL_下时，会聚到电荷耦合传感器B的靶面上的光点的位置也发生相应的X_上、X_下变化，再按下列公式将X_上、X_下换算成ΔL_上、ΔL_下即可：

ΔL_上＝(L²+D²)L_上/(F×D+LX_上)

ΔL_下＝(L²+D²)L_下/(F×D+LX_下)

③如图3.3，为获得被测物W位移量与电荷耦合传感器B输出的电压信号成正比例关系，光学装置A2位置的安放如图3.3，即半导体激光器A1的激光光束直射到被测物W上，光学装置A2的轴线对准被测物W处在量程中间位置时的激光照亮点上；电荷耦合传感器B平行于激光发射光束并放在被测物W处量程范围的中间位置时所形成的像位置上。

其位置计算公式为：

L_X＝E×(h-X)/F

其中：

E＝(D²+L²)^1/2

④如图3.4，此种结构多用于测量液面变化量的情况。激光光束以α的入射角入射到液面上，电荷耦合传感器B靶面对准激光反射光。当被测液面上下变动时，反射光照射到电荷耦合传感器B靶面上的位置发生等比例的变化，测出电荷耦合传感器B靶面上的光点位置变化量，即可计算出液面升降的变化量，其计算公式是：

Δh＝X/2×sinα

二、电路部分

1、激励电路C，包括LD驱动电路C1和CCD激励电路C2；

(1)LD驱动电路C1

如图4，LD驱动电路C1是：晶体三极管BG2的基极分别与稳压管BG1、电阻R连接；晶体三极管BG2的集电极分别与热敏电阻Rt和稳压管BG1连接，热敏电阻Rt再和电位器W连接；晶体三极管BG2的发射极和半导体激光器LD连接。

LD驱动电路C1为一恒流源。为保证工作环境温度在0-40℃内的激光输出功率基本保持不变，特在电路中串入热敏电阻Rt，使LD在环境温度变化时有恒定的输出，保证测量精度。

(2)CCD激励电路C2

如图5，CCD激励电路C2由晶体震荡器C2.1、时序电路C2.2、门电路C2.3、D触发器C2.4组成；晶体震荡器C2.1和时序电路C2.2连接，时序电路C2.2分别通过门电路C2.3、D触发器C2.4与电荷耦合传感器B连接。

如图9，为使电荷耦合传感器B正常工作，必须输入有严格时序关系的激励信号RS(复位门)，SH(移位门)，Φ1、Φ2(钟脉冲)；由晶体震荡器C2.1产生高稳定的震荡脉冲，经由74HC4017(结合74HC04)按电荷耦合传感器B要求产生有严格时序关系的四路脉冲波，其中两路通过门电路(74HC00)得到CLK(系统时钟)和RS(复位门)信号，另两路通过D触发器C2.4获得SH(移位门)和Φ1、Φ2(钟脉冲)信号；将上述有严格时序关系的信号去驱动电荷耦合传感器B，CCD才可得以正常工作。由于此电路全部由硬件组成，故简洁可靠，工作速度极高。

2、信号调理单元D

如图6，信号调理单元D由微分网络D1、积分网络D2、运算放大器D3、二值化电路D4、阈值调节电路D5、脉冲前后沿提取电路D6组成；微分网络D1、运算放大器D3、二值化电路D4、脉冲前后沿提取电路D6依次连接；积分网络D2与运算放大器D3并联；阈值调节电路D5与二值化电路D4连接。

如图10，CCD输出信号送到由LF411组成的前置放大器，前置放大器由RC耦合电路阻隔了直流成份，以减少漂移，再经过平滑、放大，以去除部分高频干扰和信号沿抖动，得到干净、稳定并放大了的输出信号，将其送入LM319组成的二值化电路，此电路连接阈值调节电路D5，按要求的电平进行二值化处理，从而得到输出前后沿十分陡峭的矩形波信号。该信号送到74HC74，并结合SH信号一起工作，取得脉宽分别与信号脉冲前后沿对应的二路矩形波信号T1、T2。

3、时间-电压变换单元E

如图7，时间-电压变换单元E由模拟开关E1、求和积分电路E2、基准电压源E3组成；模拟开关E1、求和积分电路E2相连接，基准电压源E3分别与模拟开关E1、求和积分电路E2连接。

如图11，由信号调理单元D输出的两路矩形波信号T1、T2被送入模拟开关E1，基准电压源E3为模拟开关E1提供高稳定的基准电压，使输入的T1、T2经过模拟开关E1处理后得到幅度稳定的两路矩形波信号，再使其通过求和积分电路E2，将两信号求和并积分处理后获得模拟电压输出。电路中W1为模拟电压输出比例调节电位器，W2为模拟电压输出零点调节电位器。

4、数字采集处理单元F

如图8，数字采集处理单元F是由AT89S52微处理器组成的系统。

两路含有测量信息的脉冲信号T1、T2送到数字采集处理单元F，由其完成含有微位移信息的脉冲信号的测量，并对测量结果作滤波、平均处理。数字采集处理单元F具有RS232接口，可与PC机通信以及连接到测量控制器(MCU，外接设备)完成系统的设置、控制、数据读出等。数字采集处理单元F具备工程测量中的共有特征，此处不再赘述。

5、数字表G

数字表G选用量程为2V的四位半数字式直流电压表。来自时间-电压变换单元E的模拟电压输出直接送到到四位半数字表G上，通过调节时间-电压变换单元E中的W1、W2两个电位器，可调整系统的零点及标定格值。本数字表G采用供电电源浮置，增强了共模抑制能力，有效地消除了多通道及各信号的相互干扰，从而获得高精度、高稳定度的测量输出结果。

Claims

1、一种基于半导体激光—电荷耦合器件的微位移测量系统，包括半导体激光器(A1)、光学装置(A2)、电荷耦合传感器(B)、数字采集处理器(F)、数字表(G)；

其特征在于：本系统由半导体激光器(A1)、光学装置(A2)、电荷耦合传感器(B)、LD驱动电路(C1)、CCD激励电路(C2)、信号调理单元(D)、时间-电压变换单元(E)、数字采集处理单元(F)、数字表(G)组成；

半导体激光器(A1)、光学装置(A2)、电荷耦合传感器(B)、信号调理单元(D)、时间-电压变换单元(E)、数字表(G)依次光电连接；信号调理单元(D)和数字采集处理单元(F)电连接；LD驱动电路(C1)和半导体激光器(A1)连接；CCD激励电路(C2)和电荷耦合传感器(B)连接；

光学结构或为直射式光学结构，或为反射式光学结构；

所述的直射式光学结构是半导体激光器(A1)、光学装置(A2)、被测物(W)和电荷耦合传感器(B)依次排列；

所述的反射式光学结构是半导体激光器(A1)、被测物(W)、光学装置(A2)和电荷耦合传感器(B)依次排列。

2、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于直射式光学结构：

依次排列的半导体激光器(A1)、光学装置(A2)、被测物(W)和电荷耦合传感器(B)在一条直线上。

3、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于反射式光学结构：

半导体激光器(A1)的激光光束直射到被测物(W)上，光学装置(A2)轴线和电荷耦合传感器(B)中垂线重合，该中垂线与激光发射光束平行。

4、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于反射式光学结构：

半导体激光器(A1)的激光光束直射到被测物(W)上，光学装置(A2)和电荷耦合传感器(B)的中垂线重合，对准被测物(W)处在量程中间位置时的激光照亮点上。

5、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于反射式光学结构：

半导体激光器(A1)的激光光束直射到被测物(W)上，光学装置(A2)的轴线对准被测物(W)处在量程中间位置时的激光照亮点上；电荷耦合传感器(B)平行于激光发射光束并放在被测物(W)处量程范围的中间位置时所形成的像位置上。

6、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于反射式光学结构：

半导体激光器(A1)的激光光束以α的入射角入射到液面上，电荷耦合传感器(B)靶面对准激光反射光。

7、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于：

LD驱动电路(C1)是：晶体三极管(BG2)的基极分别与稳压管(BG1)、电阻(R)连接；晶体三极管(BG2)的集电极分别与热敏电阻(Rt)和稳压管(BG1)连接，热敏电阻(Rt)再和电位器(W)连接；晶体三极管(BG2)的发射极和半导体激光器(A1)连接。

8、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于：

CCD激励电路(C2)由晶体震荡器(C2.1)、时序电路(C2.2)、门电路(C2.3)、D触发器(C2.4)组成；晶体震荡器(C2.1)和时序电路(C2.2)连接，时序电路(C2.2)分别通过门电路(C2.3)、D触发器(C2.4)与电荷耦合传感器(B)连接。

9、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于：

信号调理单元(D)由微分网络(D1)、积分网络(D2)、运算放大器(D3)、二值化电路(D4)、阈值调节电路(D5)、脉冲前后沿提取电路(D6)组成；微分网络(D1)、运算放大器(D3)、二值化电路(D4)、脉冲前后沿提取电路(D6)依次连接；积分网络(D2)与运算放大器(D3)并联；阈值调节电路(D5)与二值化电路(D4)连接。

10、按权利要求1所述的微位移测量系统，其特征在于：

时间-电压变换单元(E)由模拟开关(E1)、求和积分电路(E2)、基准电压源(E3)组成；模拟开关(E1)、求和积分电路(E2)相连接，基准电压源(E3)分别与模拟开关(E1)、求和积分电路(E2)连接。