CN2711990Y - 光学玻璃膜厚测量信号处理仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可对测量信号进行自动锁相的光学玻璃膜厚测量信号处理仪。测量信号先后进行放大、带通、放大、低通、A/D转换，然后进入CPU进行数据处理；从参考信号端口输入的参考信号经过放大、带通进入移相电路由数字电位器的电阻值来调节进行移相。该仪器采用微处理器CPU为核心处理器件，其输出相应信号至数字电位器，通过调节数字电位器的参数来调节参考信号的相位，最终达到与测量信号同相。本实用新型克服了现有手动电位器效率低，难以精确锁相的缺点，消除了手动电位器的人为因素影响，使其锁相准确度得到保证，并实现全自动检测控制。

Description

光学玻璃膜厚测量信号处理仪

                      技术领域

本实用新型涉及一种应用于光学玻璃真空镀膜膜厚测量仪器检测信号处理的自动锁相控制技术。具体的说是一种可对测量信号进行自动锁相的光学玻璃膜厚测量信号处理仪器

                      背景技术

光学玻璃真空镀膜是将某种光学材料蒸镀在玻璃上，其蒸镀的厚度需要进行测量。因为玻璃上蒸镀的材料的厚度直接关系到产品的质量，所以膜厚测量成为光学玻璃真空镀膜设备的关键环节。膜厚测量仪器是将几个毫伏甚至更小的微弱信号进行处理放大(这个微弱的信号可来自各种光电传感器，信号范围0.5～500mV)，最终通过仪器的数码显示屏显示出来，为生产者提供操作信息。因此对该仪器信号处理的精度、稳定性和抗干扰性都有很高的要求。

光学玻璃真空镀膜机本身配有一套膜厚检测光路系统，它由调制光源(通常包括灯泡、码盘等)、光路(包括光纤、单色仪等)、光接收/光电信号转换器件组成。调制光源发出的光(离散的光信号，频率由码盘参数及转数决定)分两路送出，一路直接送光电转换器件转换成同频率的交变电信号作为参考信号，另一路通过光路穿过与产品一起被蒸镀的比较玻璃片(玻璃片表面镀膜厚度的变化使透过的光信号随之变化)，照在比较玻璃片的下方的光接收/光电转换器件上，光电转换器件将接收到的光信号转换成一个交流电信号并经过带通滤波电路消除部分干扰后传输到膜厚测量仪(频率为恒定值，其幅值根据所接收到的光信号变化而变化)。

由于输入的测量信号与参考信号是相同频率的，但经过不同光路以后存在相位差。测量信号的输出通道由参考信号触发打开(图2)，如果参考信号和测量信号同相，在参考信号过零点时通过电压比较电路输出信号打开测量信号通道开关，则测量信号在整个周期内可以完整通过，信号被完整检出、转换并被放大。这个过程称为锁相放大。这种锁相放大电路可以在背景噪声中检测出微弱信号，并测量其有效值用于输出显示。如果参考信号与测量信号不同相，则在参考信号过零点打开测量信号通道时，测量信号在一个周期内并不能通过一个完整的波信号，导致其输出的信号有效值不能达到最大，从而使得到的测量值偏离实际值。

目前国内产品在波形相位同步的处理上普遍采用的是手动电位器调节，它需要人工调节电位器来达到对参考信号移相的目的，最终达到与测量信号同相。该方法需人工手动调节移相，效率低，难以精确锁相，存在人为因素影响，准确度难以保证，更无法形成全自动检测控制电路。

                      发明内容

本发明提供一种可对测量信号进行自动锁相的光学玻璃膜厚测量信号处理仪。该仪器采用微处理器CPU为核心处理器件，其输出相应信号至数字电位器，通过调节数字电位器的参数来调节参考信号的相位，最终达到与测量信号同相。本实用新型采用数字电位器调节移相，克服了现有手动电位器效率低，难以精确锁相，存在人为因素影响，准确度难以保证，更无法形成全自动检测控制电路的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种光学玻璃膜厚测量信号处理仪，有一个测量信号端口和一个参考信号端口，经测量信号端口和参考信号端口输入的测量信号和参考信号分别进入放大器和滤波器进行信号放大和滤波，其特征在于：测量信号经过放大和滤波后进入A/D模数转换，并输入到微处理器CPU进行数据处理；参考信号经过放大和滤波后输入到移相电路对该信号进行移相，移相电路中相位的调节由数字电位器的值确定，每个电位器电阻值由小到大分为若干档位，微处理器CPU向数字电位器给出信号逐档测试每一阻值，比较每一个数字电位器的值所对应的测量信号值，微处理器CPU检测到最大的测量信号数据并且保存此时数字电位器的位置参数，参考信号的相位被置于获得最大测量信号值的位置，微处理器CPU自动将数字电位器的值设为该值。

本实用新型设有两个数字电位器，每个负责180度的相位调节，共360度；微处理器CPU分别对1个2通道的数字电位器，相当于2个数字电位器A和B进行控制，即控制A电位器完成0～180度的相位调节，B数字电位器保持；控制B电位器完成180～360度的相位调节，A数字电位器保持；控制B电位器完成360～180度的相位调节，A数字电位器保持；控制A电位器完成180～0度的相位调节，B数字电位器保持，在调节过程中，微处理器CPU将每次采集的测量值数据相互比较，最大的信号测量值所对应的参考信号相位值即为需要锁相的值。

所述数字电位器所采用的芯片由来自微处理器CPU的信号对其赋值，芯片电阻值从1到最大值共分100～512个档位，电阻值随之自动调整。

本实用新型电路上设置有电子选择开关，该开关上有4路开关通路，采用其中2路分别用于控制经过带通和放大的测量信号的开通或关断；测量信号为正弦交流信号，经由2路S、D口输入输出，其中一路在正半周时通过，负半周关断；另一路在负半周通过，正半周关断，由参考信号转换成高低电平信号后输入到该开关的IN口进行开关通断控制，正弦交流测量信号过零点进行通道切换，测量信号经过上述两路通道后转换为直流脉动电流，该脉动电流经过低通滤波器、A/D模数转换电路，转换成数字信号进入CPU。

所述电子选择开关采用开关芯片。

本实用新型的优点在于：

本实用新型采用微处理器CPU为核心处理器件，并通过调节数字电位器的参数来调节参考信号的相位，最终达到与测量信号同相。本实用新型采用数字电位器调节移相，克服了现有手动电位器效率低，难以精确锁相的缺点，消除了手动电位器的人为因素影响，使其锁相准确度得到保证，并实现全自动检测控制。

                         附图说明

图1为本实用新型结构示意框图

图2为本实用新型电路原理图(参考信号通路/数字移相部分)

图3为本实用新型电子选择开关电路原理图

                    具体实施方式

本发明提供了一种可对测量信号进行自动锁相的光学玻璃膜厚测量信号处理仪(以下简称膜厚测量仪，见图1)。该仪器有一个测量信号端口和一个参考信号端口，从测量信号端口输入的测量信号先后进行放大、带通、放大、低通、A/D转换，然后进入CPU进行数据处理；从参考信号端口输入的参考信号经过放大、带通进入移相电路进行移相。

本实用新型采用微处理器CPU(8位)为核心处理器件，测量信号经过放大以后，通过模/数(A/D)转换送入微处理器CPU进行数据处理。微处理器CPU输出相应信号至数字电位器(所谓数字电位器是由外部数字信号控制的芯片式可调电位器，每个电位器电阻值由小到大分为若干档位)，通过调节电位器的参数来调节参考信号的相位，最终达到与测量信号同相。调节过程中，微处理器CPU会向数字电位器给出信号逐档测试每一电阻值所对应的移相情况，完成所有档位测试后会找出一个最大的测量信号数据并且记忆此时数字电位器的位置参数。然后参考信号的相位被置于获得最大测量信号值的位置(即与测量信号同相位)，当测量信号过零点时，通道开关被同相位的参考信号打开，使测量信号在整个周期得到放大，完成了信号的自动锁相放大过程。

本发明提出的应用于光学玻璃膜厚测量仪器的自动锁相技术，其核心是由微处理器CPU控制两个数字电位器完成锁相工作过程，克服现有手动电位器人为调整进行锁相放大存在的弊端。

用微处理器CPU对数字电位器进行从最小到最大的赋值，同时比较每一个数字电位器的值所对应的信号值，保存最大的信号值和相应的数字电位器的值，当数字电位器在微处理器CPU的控制下完成整个360度的移相过程后，就可以检测得到最大的信号值和相应的数字电位器的值，根据锁相放大器的原理，这时的数字电位器的值所对应的参考信号的相位和测量信号的相位一致，即相位差为0。这时，微处理器CPU将这个数字电位器的值保存下来，以后每次运行时自动将数字电位器的值设为该值，因而不必要再进行调节了。

两个数字电位器每个负责180度的相位调节，共360度。具体调节时由微处理器CPU分别对1个2通道的数字电位器(相当于2个数字电位器A和B)进行控制，即(1)控制A电位器完成0～180度的相位周节(B数字电位器保持)；(2)控制B电位器完成180～360度的相位调节(A数字电位器保持)；(3)控制B电位器完成360～180度的相位调节(A数字电位器保持)；(4)控制A电位器完成180～0度的相位调节(B数字电位器保持)。在这样一个循环过程中，微处理器CPU将每次采集的测量值数据相互比较，最大的信号测量值所对应的参考信号相位值就是需要锁相的值。

本实用新型数字电位器采用了AD5242(ANALOG DEVICES公司)芯片(当然也可以采用其它类似芯片)。该芯片由来自CPU的信号对其赋值(芯片电阻值从1到最大值共分了255个档位)，电阻值随之自动调整。较之手动电位器，电阻值设置更准确稳定，可以实现自动控制。

本实用新型采用了DG211(INTERSIL或ANALOG DEVICES公司)开关芯片，也可以采用其它类似芯片作为电子选择开关。该芯片共有4路开关通路，采用其中2路分别用于控制测量信号的开通或关断。测量信号为正弦交流信号，经由2路S、D口输入输出，其中1路在正半周时通过，负半周关断；另1路在负半周通过，正半周关断。开关的通断控制由参考信号(与测量信号同频率，且经移相后保持同相位的正弦交流信号)转换成高低电平信号(如正半周置高电平，负半周置低电平，或相反)后输入到IN口来实施。因为是在正弦交流信号的过零点进行通道切换，测量信号经过这2路通道后相当于经过一个全波整流电路，转换成为了直流脉动电流(波形如附图1系统框图所示)。其后再经过低通滤波电路、模/数转换电路，转换成数字信号进入CPU。信号经CPU处理后用于测量值的输出显示或控制相关设备。

Claims (5)

1、一种光学玻璃膜厚测量信号处理仪，有一个测量信号端口和一个参考信号端口，经测量信号端口和参考信号端口输入的测量信号和参考信号分别进入放大器和滤波器进行信号放大和滤波，其特征在于：测量信号经过放大和滤波后进入A/D模数转换，并输入到微处理器CPU进行数据处理；参考信号经过放大和滤波后输入到移相电路进行移相，移相电路中相位的调节由数字电位器的值确定，每个电位器电阻值由小到大分为若干档位，微处理器CPU向数字电位器给出信号逐档测试每一阻值，比较每一个数字电位器的值所对应的测量信号值，微处理器CPU检测到最大的测量信号数据并且保存此时数字电位器的位置参数，参考信号的相位被置于获得最大测量信号值的位置，微处理器CPU自动将数字电位器的值设为该值。

2、根据权利要求1所述的光学玻璃膜厚测量信号处理仪，其特征在于：设有两个数字电位器，每个负责180度的相位调节，共360度；微处理器CPU分别对1个2通道的数字电位器，相当于2个数字电位器A和B进行控制，即控制A电位器完成0～180度的相位调节，B数字电位器保持；控制B电位器完成180～360度的相位调节，A数字电位器保持；控制B电位器完成360～180度的相位调节，A数字电位器保持；控制A电位器完成180～0度的相位调节，B数字电位器保持，在调节过程中，微处理器CPU将每次采集的测量值数据相互比较，最大的信号测量值所对应的参考信号相位值即为需要锁相的值。

3、根据权利要求1或2所述的光学玻璃膜厚测量信号处理仪，其特征在于：所述数字电位器采用AD5242等类似芯片，该芯片由来自微处理器CPU的信号对其赋值，该芯片电阻值从1到最大值共分100～512个档位，电阻值随之自动调整。

4、根据权利要求1或2所述的光学玻璃膜厚测量信号处理仪，其特征在于：电路上设置有电子选择开关，该开关上有4路开关通路，采用其中2路分别用于控制经过带通和放大的测量信号的开通或关断；测量信号为正弦交流信号，经由2路S、D口输入输出，其中一路在正半周时通过，负半周关断；另一路在负半周通过，正半周关断，参考信号转换成高低电平信号后输入到该开关的IN口进行开关通断控制，正弦交流测量信号过零点进行通道切换，测量信号经过上述两路通道后转换为直流脉动电流，该脉动电流经过低通滤波器、A/D模数转换电路，转换成数字信号进入CPU。

5、根据权利要求4所述的光学玻璃膜厚测量信号处理仪，其特征在于：所述电子选择开关采用开关芯片。