基於半導體雷射－電荷耦合器件的微位移測量系統的製作方法
2023-04-23 18:00:06 1
專利名稱：基於半導體雷射－電荷耦合器件的微位移測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密尺寸及微位移的雷射非接觸測量系統；具體地說，涉及直射式和反射式光學結構以及LD驅動電路、CCD激勵電路、信號調理單元、時間-電壓變換單元。
背景技術：
現代工業生產和工程技術中更加廣泛地需要精密尺寸和微位移測量，它們可能是靜態的，也可能是動態測量，在線或離線檢測，檢測精度以1微米到10微米到數十微米的要求諸多數，而且越來越要求非接觸測量，並對長期穩定性和使用的環境適應性提出更高的要求。工業中最典型的是機械加工尺寸的在線檢測，在工程應用方面最典型的是大壩形變監測。
目前，在國內利用半導體雷射器(LD)和電荷耦合傳感器(CCD)製造該項測量系統的尚無成功的產品；國際上此類測量系統其主要技術指標與本發明相當，具體技術方案不一樣，而價格非常昂貴。
發明內容
本發明的目的是為了滿足上述非接觸精密測量日益增長的要求，提供一種高精度、精密尺寸的基於半導體雷射-電荷耦合器件的微位移測量系統。
本發明的目的是這樣實現的一、設計思路1、用於精密尺寸和微位移非接觸測量的半導體雷射器(LD)和電荷耦合傳感器(CCD)與光學裝置及其參數的最佳配合。
2、利用半導體雷射器(LD)的優點，通過合理的光學設計，獲得近乎線性的測量，通過晶片的簡單處理獲取準確的最終結果。
3、設計有獲得高精度高穩定測量的電子電路，包括信號的獲取、提純和變換成便於數字處理的脈衝信號電路。
4、設計有適應多通道測量及多種顯示同時工作的模式。
二、設計方案本發明由兩部分組成一是包括半導體雷射器(LD)及光學裝置A和電荷耦合傳感器(CCD)B在內的光學部分。
二是包括激勵電路C、信號調理單元D、時間-電壓變換單元E、數字採集處理單元F、數字表G在內的電路部分。
光學部分建立其與被測量尺寸或微位移量的關係並通過CCD轉換成為相應的測量電信號，被測量尺寸或微位移信息包含在該測量信號的時間參量中，然後由電路部分完成信號的調理、變換、測量及處理。
具體地說，如圖1，本發明由半導體雷射器A1、光學裝置A2、電荷耦合傳感器B、LD驅動電路C1、CCD激勵電路C2、信號調理單元D、時間-電壓變換單元E、數字採集處理單元F、數字表G組成；半導體雷射器A1、光學裝置A2、電荷耦合傳感器B、信號調理單元D、時間-電壓變換單元E、數字表G依次光電連接；信號調理單元D和數字採集處理單元F電連接；LD驅動電路C1和半導體雷射器A1連接；CCD激勵電路C2和電荷耦合傳感器B連接；本發明的測量分直射和反射兩種方式，它們分別適用於不同的應用場合。
主要是設計被測物W、半導體雷射器A1、光學裝置A2、電荷耦合傳感器B相互間配合關係。調節此種配合關係時，關鍵是選擇雷射輸出模式及輸出功率的自動補償和電荷耦合傳感器B的參數選擇，使在有光信號時，電荷耦合傳感器B可達到臨界飽和，在較大溫度範圍內，可獲得輸出信噪比接近最佳。
因此，本發明的光學結構或為直射式光學結構，或為反射式光學結構。
所述的直射式光學結構是半導體雷射器A1、光學裝置A2、被測物W和電荷耦合傳感器B依次排列；所述的反射式光學結構是半導體雷射器A1、被測物W、光學裝置A2和電荷耦合傳感器B依次排列。
本發明的電子部分有以下特點1、利用先進技術，使電子電路簡潔有效。整個系統未見太複雜的電子線路，但有精巧的設計。如(a)利用高質量模擬開關ADG333結合超低漂移運放ICL7650完成時間-電壓變換，獲得高線性及高穩定性的極佳效果。
(b)使用高速CMOS邏輯器件74HC系列，保證了與被測量相關的時間信息精確地傳遞和變換。
(c)利用寬帶運放(LF411)和高速比較器(LM339)完成隔離、平滑、二值化，調整簡單，性能穩定。
2、以硬體結構為主，穩定、可靠、且保證了相關的時間信息的準確性。
3、為抗相互幹擾採用的電源浮置技術。
4、測量信號先經平滑處理，然後在電壓表G或數字採集處理單元F中進行電子細分，獲得亞像素級測量解析度。
本發明具有以下優點和積極效果1、因為是非接觸測量，適用於工件加工過程中加工精度的檢測，大型轉軸在旋轉過程中擺動的檢測，安裝調試過程的對準和不平整度的調節，水庫大壩形變及高層建築形變的監測等測量。非接觸測量因其不破壞被測對象的自然狀態和投射到人或器具均無法觸及的被測點，使測量結果更真實，操作更方便。
2、CCD線陣結構的精確尺寸、自掃描、脈衝信號輸出等特點，有利於應用現代技術對信號及測量結果進行傳輸、變換、存儲及處理，為行業的自動化和遠距離操作提供了有力的支持。
3、雷射與CCD技術的有機結合，光源的優異性能、微型化及CCD技術本身的不斷發展，使得本發明更具發展前途和其它的潛在應用前景。
4、本發明的測量精度和測程範圍及多種形式的結構，已達到國外同類產品的先進水平，更具有工程中特殊檢測要求和非產品化的特殊測量裝置提供各種便利服務。
5、本發明開發出的多種儀器已在工程中使用，得到用戶的認同，開拓了工程技術人員的眼界，使他們在完成所需測量任務時準備放棄早先的傳統測量模式，為本發明的應用開闢了廣闊的天地。
經檢測，本發明具有以下基本性能指標1、量程幾毫米-1000mm2、解析度0.001毫米或0.01％FS3、精度優於0.01毫米4、環境溫度0-40℃5、最大環境溼度100％6、最大照度20勒克斯7、溫度漂移1微米/1℃ 0.02毫米/年
圖1-本發明組成方框圖；圖2-直射式光路圖；圖3.1-反射式光路圖例一；圖3.2-反射式光路圖例二；圖3.3-反射式光路圖例三；圖3.4-反射式光路圖例四；圖4-LD驅動電路接線圖；圖5-CCD激勵電路方框圖；圖6-信號調理單元方框圖；圖7-時間-電壓變換單元方框圖；圖8-數字採集處理單元方框圖；圖9-CCD激勵電路接線圖；圖10-信號調理單元接線圖；圖11-時間-電壓變換單元接線圖。
其中A-半導體雷射器(LD)及光學裝置，A1-半導體雷射器，A2-光學裝置；B-電荷耦合傳感器(CCD)；C-激勵電路，
C1-LD驅動電路；C2-CCD激勵電路，C2.1-晶體震蕩器，C2.2-時序電路，C2.3-門電路，C2.4-D觸發器；D-信號調理單元，D1-微分網絡，D2-積分網絡，D3-運放器，D4-二值化電路，D5-閾值調節電路，D6-脈衝前後沿提取電路；E-時間-電壓變換單元，E1-模擬開關，E2-求和積分電路，E3-基準電壓源；F-數字採集處理單元；G-數字表。
具體實施例方式
本發明在0～數百毫米的測量範圍內，實現尺寸及位移的非接觸精密測量，採用了壽命和光學性能都極佳的LD。
根據被測物W條件的不同，採用直射式或反射式測量，用靈敏度和暗電流性能都優良的CCD作光電轉換元件，通過仔細地合理地調整LD、光學裝置和CCD之間的配合，使CCD的輸出在接收到信號時處於臨界飽和，無信號時基本無輸出。CCD輸出則利用寬帶運放(LF411等)和高速比較器來完成隔直、平滑、二值化，保證精確反映待測的尺寸或位移量，並以D觸發器和模擬開關取得時間關係與尺寸或位移嚴格對應的矩形波信號，免除了接收光強信號變化等帶來的影響，獲得高穩定性測量結果。視需要利用超低漂移運放ICL7650取得平滑的直流輸出供面板數字表顯示，或用AT89S52結合CCD激勵時鐘作精密時間測量獲得數字處理和輸出，平滑時間常數和測量次數的恰當選擇使得測量精度得到提高。
一、光學部分1、半導體雷射器A1，選用價格低、壽命和光學性能都極佳的650nm波長的LD。
2、電荷耦合傳感器B選用東芝TCD產品。
3、光學裝置A2分別包括直射式光學結構中的平行光學系統和反射式光學結構中的會聚式光學系統。其各個光學透鏡參數均依據不同要求設計而成。
在實際工程應用中，由於測量對象的不同，尺寸的精度要求和儀器安裝結構要求亦不同。
4、光學結構(1)直射式光學結構如圖2，依次排列的半導體雷射器A1、光學裝置A2、被測物W和電荷耦合傳感器B在一條直線上。
其光路是由半導體雷射器A1發出的雷射光束經光學裝置A2光學準直後形成平行性極好的平行光，直射到整個被測物W上，被測物W的陰影及平行光一同投射到電荷耦合傳感器B的靶面上(無被測物W時，能充滿整個靶面)，陰影在靶面上的位置X和ΔX即反映了被測物W的位置和尺寸，則電荷耦合傳感器B的輸出信號即含被測物W位置及尺寸的信息。此種結構中，位置X和終端數字表G顯示的數據是完全線性關係。
(2)反射式光學結構在反射式光學結構中，半導體雷射器A1、光學裝置A2和電荷耦合傳感器B的位置關係可有多種安排形式，其位移量測量的計算公式也各異，有的是完全線性關係，有的是非線性關係。有理論導出的公式計算出準確的位移量。
①如圖3.1，其位置是半導體雷射器A1的雷射光束直射到被測物W上，光學裝置A2軸線和電荷耦合傳感器B中垂線重合，該中垂線與雷射發射光束平行。
其光路是由半導體雷射器A1發出的雷射光束直射到整個被測物W上，經被測物W的漫反射，並經光學裝置A2聚焦，投射到電荷耦合傳感器B的靶面上。當被測面沿雷射發射光束方向移動ΔL時，會聚到電荷耦合傳感器B的靶面上的光點的位置也發生相應的ΔX變化，再按下列公式將ΔX換算成ΔL即可L＝D×F/X其中L-光學裝置A2中心點垂直雷射束對應點到被測面之間的距離；D-雷射束與光學裝置A2光軸之間的距離；F-光學裝置A2等效面到電荷耦合傳感器B靶面之間的距離；X-電荷耦合傳感器B靶面對應光學裝置A2光軸點到信號光點的距離。
②如圖3.2，其位置是半導體雷射器A1的雷射光束直射到被測物W上，光學裝置A2和電荷耦合傳感器B的中垂線重合，對準被測物W處在量程中間位置時的雷射照亮點上。
其光路是由半導體雷射器A1發出的雷射光束直射到被測物W上，經被測物W漫反射，又經光學裝置A2將其成像到電荷耦合傳感器B的靶面上。當被測面沿雷射發射光束方向上、下移動ΔL上、ΔL下時，會聚到電荷耦合傳感器B的靶面上的光點的位置也發生相應的X上、X下變化，再按下列公式將X上、X下換算成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如圖3.3，為獲得被測物W位移量與電荷耦合傳感器B輸出的電壓信號成正比例關係，光學裝置A2位置的安放如圖3.3，即半導體雷射器A1的雷射光束直射到被測物W上，光學裝置A2的軸線對準被測物W處在量程中間位置時的雷射照亮點上；電荷耦合傳感器B平行於雷射發射光束並放在被測物W處量程範圍的中間位置時所形成的像位置上。
其位置計算公式為LX＝E×(h-X)/F其中E＝(D2+L2)1/2④如圖3.4，此種結構多用於測量液面變化量的情況。雷射光束以α的入射角入射到液面上，電荷耦合傳感器B靶面對準雷射反射光。當被測液面上下變動時，反射光照射到電荷耦合傳感器B靶面上的位置發生等比例的變化，測出電荷耦合傳感器B靶面上的光點位置變化量，即可計算出液面升降的變化量，其計算公式是Δh＝X/2×sinα二、電路部分1、激勵電路C，包括LD驅動電路C1和CCD激勵電路C2；(1)LD驅動電路C1如圖4，LD驅動電路C1是晶體三極體BG2的基極分別與穩壓管BG1、電阻R連接；晶體三極體BG2的集電極分別與熱敏電阻Rt和穩壓管BG1連接，熱敏電阻Rt再和電位器W連接；晶體三極體BG2的發射極和半導體雷射器LD連接。
LD驅動電路C1為一恆流源。為保證工作環境溫度在0-40℃內的雷射輸出功率基本保持不變，特在電路中串入熱敏電阻Rt，使LD在環境溫度變化時有恆定的輸出，保證測量精度。
(2)CCD激勵電路C2如圖5，CCD激勵電路C2由晶體震蕩器C2.1、時序電路C2.2、門電路C2.3、D觸發器C2.4組成；晶體震蕩器C2.1和時序電路C2.2連接，時序電路C2.2分別通過門電路C2.3、D觸發器C2.4與電荷耦合傳感器B連接。
如圖9，為使電荷耦合傳感器B正常工作，必須輸入有嚴格時序關係的激勵信號RS(復位門)，SH(移位門)，Φ1、Φ2(鍾脈衝)；由晶體震蕩器C2.1產生高穩定的震蕩脈衝，經由74HC4017(結合74HC04)按電荷耦合傳感器B要求產生有嚴格時序關係的四路脈衝波，其中兩路通過門電路(74HC00)得到CLK(系統時鐘)和RS(復位門)信號，另兩路通過D觸發器C2.4獲得SH(移位門)和Φ1、Φ2(鍾脈衝)信號；將上述有嚴格時序關係的信號去驅動電荷耦合傳感器B，CCD才可得以正常工作。由於此電路全部由硬體組成，故簡潔可靠，工作速度極高。
2、信號調理單元D如圖6，信號調理單元D由微分網絡D1、積分網絡D2、運算放大器D3、二值化電路D4、閾值調節電路D5、脈衝前後沿提取電路D6組成；微分網絡D1、運算放大器D3、二值化電路D4、脈衝前後沿提取電路D6依次連接；積分網絡D2與運算放大器D3並聯；閾值調節電路D5與二值化電路D4連接。
如圖10，CCD輸出信號送到由LF411組成的前置放大器，前置放大器由RC耦合電路阻隔了直流成份，以減少漂移，再經過平滑、放大，以去除部分高頻幹擾和信號沿抖動，得到乾淨、穩定並放大了的輸出信號，將其送入LM319組成的二值化電路，此電路連接閾值調節電路D5，按要求的電平進行二值化處理，從而得到輸出前後沿十分陡峭的矩形波信號。該信號送到74HC74，並結合SH信號一起工作，取得脈寬分別與信號脈衝前後沿對應的二路矩形波信號T1、T2。
3、時間-電壓變換單元E如圖7，時間-電壓變換單元E由模擬開關E1、求和積分電路E2、基準電壓源E3組成；模擬開關E1、求和積分電路E2相連接，基準電壓源E3分別與模擬開關E1、求和積分電路E2連接。
如圖11，由信號調理單元D輸出的兩路矩形波信號T1、T2被送入模擬開關E1，基準電壓源E3為模擬開關E1提供高穩定的基準電壓，使輸入的T1、T2經過模擬開關E1處理後得到幅度穩定的兩路矩形波信號，再使其通過求和積分電路E2，將兩信號求和並積分處理後獲得模擬電壓輸出。電路中W1為模擬電壓輸出比例調節電位器，W2為模擬電壓輸出零點調節電位器。
4、數字採集處理單元F如圖8，數字採集處理單元F是由AT89S52微處理器組成的系統。
兩路含有測量信息的脈衝信號T1、T2送到數字採集處理單元F，由其完成含有微位移信息的脈衝信號的測量，並對測量結果作濾波、平均處理。數字採集處理單元F具有RS232接口，可與PC機通信以及連接到測量控制器(MCU，外接設備)完成系統的設置、控制、數據讀出等。數字採集處理單元F具備工程測量中的共有特徵，此處不再贅述。
5、數字表G數字表G選用量程為2V的四位半數字式直流電壓表。來自時間-電壓變換單元E的模擬電壓輸出直接送到到四位半數字表G上，通過調節時間-電壓變換單元E中的W1、W2兩個電位器，可調整系統的零點及標定格值。本數字表G採用供電電源浮置，增強了共模抑制能力，有效地消除了多通道及各信號的相互幹擾，從而獲得高精度、高穩定度的測量輸出結果。
權利要求
1.一種基於半導體雷射—電荷耦合器件的微位移測量系統，包括半導體雷射器(A1)、光學裝置(A2)、電荷耦合傳感器(B)、數字採集處理器(F)、數字表(G)；其特徵在於本系統由半導體雷射器(A1)、光學裝置(A2)、電荷耦合傳感器(B)、LD驅動電路(C1)、CCD激勵電路(C2)、信號調理單元(D)、時間-電壓變換單元(E)、數字採集處理單元(F)、數字表(G)組成；半導體雷射器(A1)、光學裝置(A2)、電荷耦合傳感器(B)、信號調理單元(D)、時間-電壓變換單元(E)、數字表(G)依次光電連接；信號調理單元(D)和數字採集處理單元(F)電連接；LD驅動電路(C1)和半導體雷射器(A1)連接；CCD激勵電路(C2)和電荷耦合傳感器(B)連接；光學結構或為直射式光學結構，或為反射式光學結構；所述的直射式光學結構是半導體雷射器(A1)、光學裝置(A2)、被測物(W)和電荷耦合傳感器(B)依次排列；所述的反射式光學結構是半導體雷射器(A1)、被測物(W)、光學裝置(A2)和電荷耦合傳感器(B)依次排列。
2.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於直射式光學結構依次排列的半導體雷射器(A1)、光學裝置(A2)、被測物(W)和電荷耦合傳感器(B)在一條直線上。
3.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於反射式光學結構半導體雷射器(A1)的雷射光束直射到被測物(W)上，光學裝置(A2)軸線和電荷耦合傳感器(B)中垂線重合，該中垂線與雷射發射光束平行。
4.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於反射式光學結構半導體雷射器(A1)的雷射光束直射到被測物(W)上，光學裝置(A2)和電荷耦合傳感器(B)的中垂線重合，對準被測物(W)處在量程中間位置時的雷射照亮點上。
5.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於反射式光學結構半導體雷射器(A1)的雷射光束直射到被測物(W)上，光學裝置(A2)的軸線對準被測物(W)處在量程中間位置時的雷射照亮點上；電荷耦合傳感器(B)平行於雷射發射光束並放在被測物(W)處量程範圍的中間位置時所形成的像位置上。
6.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於反射式光學結構半導體雷射器(A1)的雷射光束以α的入射角入射到液面上，電荷耦合傳感器(B)靶面對準雷射反射光。
7.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於LD驅動電路(C1)是晶體三極體(BG2)的基極分別與穩壓管(BG1)、電阻(R)連接；晶體三極體(BG2)的集電極分別與熱敏電阻(Rt)和穩壓管(BG1)連接，熱敏電阻(Rt)再和電位器(W)連接；晶體三極體(BG2)的發射極和半導體雷射器(A1)連接。
8.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於CCD激勵電路(C2)由晶體震蕩器(C2.1)、時序電路(C2.2)、門電路(C2.3)、D觸發器(C2.4)組成；晶體震蕩器(C2.1)和時序電路(C2.2)連接，時序電路(C2.2)分別通過門電路(C2.3)、D觸發器(C2.4)與電荷耦合傳感器(B)連接。
9.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於信號調理單元(D)由微分網絡(D1)、積分網絡(D2)、運算放大器(D3)、二值化電路(D4)、閾值調節電路(D5)、脈衝前後沿提取電路(D6)組成；微分網絡(D1)、運算放大器(D3)、二值化電路(D4)、脈衝前後沿提取電路(D6)依次連接；積分網絡(D2)與運算放大器(D3)並聯；閾值調節電路(D5)與二值化電路(D4)連接。
10.按權利要求1所述的微位移測量系統，其特徵在於時間-電壓變換單元(E)由模擬開關(E1)、求和積分電路(E2)、基準電壓源(E3)組成；模擬開關(E1)、求和積分電路(E2)相連接，基準電壓源(E3)分別與模擬開關(E1)、求和積分電路(E2)連接。
全文摘要
本發明公開一種基於半導體雷射－電荷耦合器件的微位移測量系統，涉及一種精密尺寸及微位移的雷射非接觸測量系統。本發明由半導體雷射器(LD)A1、光學裝置A2、電荷耦合傳感器(CCD)B、LD驅動電路C1、CCD激勵電路C2、信號調理單元D、時間－電壓變換單元E、數字採集處理單元F、數字表G組成；本發明的光學結構或為直射式光學結構，或為反射式光學結構。本發明為非接觸測量，適用於工件加工過程中加工精度的檢測，大型轉軸在旋轉過程中擺動的檢測，安裝調試過程的對準和不平整度的調節，水庫大壩形變及高層建築形變的監測等測量。非接觸測量因其不破壞被測對象的自然狀態和投射到人或器具均無法觸及的被測點，使測量結果更真實，操作更方便。
文檔編號G01B11/02GK1712885SQ20051001907
公開日2005年12月28日 申請日期2005年7月12日 優先權日2005年7月12日
發明者陳昌浩, 倪煥明, 楊志, 陳方胤 申請人:陳昌浩