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激光干涉法测量微位移的设计电科1104班刘海涛学号:201011911422位移的量值范围差异很大（在制造工业中nm-μm-mm直至数十米；秒分度以下或几度至几十度），检测可以是接触式或非接触式，加之对检测准确度、分辨力、使用条件等要求不同，因此有多种多样的检测方法。随着光学检测元件和精密制造工艺的提高以及电子元器件的发展，伴随计算机的更新换代和工业自动控制技术的不断进步，利用光电结合的方法是解决问题的有效途径，如光栅码盘、激光干涉法、三角法、光斑散射法，其测量精度高、反应速度快、易于实现数字化测量。在光学干涉测量法中，激光多普勒效应测量方法具有动态响应快、线性度好、测量范围大、精度高等许多独特的优点，得到了更加广泛的应用，有很好的发展前景。为了满足微位移测量的非接触、高精度等要求本文设计、制作了一种基于激光多普勒效应的测微位移系统，和传统的微位移测量仪器相比，其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高，并实现了对微位移的自动非接触测量。干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。干涉信号的明暗变化密度与被测测位移成反比。因此，由光接收器件光电显微镜得到的明暗变化密度可以得出被测位移的值[1]。干涉法原理简单、构造容易，测量精度高，测量范围大，适用于实时动态测量而被广泛应用于位移测量。目前干涉测量按测量对象不同大致可分为全息干涉测量、散斑干涉测量和光栅位移激光多普勒测量。随着科技的进步，对测量精度的要求越来越高，激光多普勒技术的非接触、高精度测量的优点使它得到蓬勃发展。激光多普勒测量有空间分辨率高、测量精度高、多普勒频移与位移成线性关系、动态响应快，信号用光来传递，惯性极小，可以进行实时测量、激光多普勒测量是非接触式测量，激光会聚的干涉体积小，即是测量探头在通常情况下对被测的流场和物体等没有干扰等优点。通过比较，确定以多普勒效应为基础的激光干涉测量法为系统设计方案。光路部分任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，将使频率发生变化，这种频率变化称作多普勒频移。由被测物运动所散射的光的频移应当作为一个双重多普勒频移来考虑。光源发射一束光入射到运动物体表面(如图1所示)，运动物体相对于光源来说，相当于接收器，从光的多普勒效应考虑[15]，接收到的频率将随运动体的速度增加：(1)式中为光源辐射频率，u为运动物体表面速度，为入射光和运动方向夹角，c为真空中光速；运动物体又相当于一个发射天线，把接收到的辐射波发射出来，在方向的接收器也因多普勒效应，收到频率增高的光波信号为:(2)式（2）中因为在关心的速度范围内,对上面的展开式取一级近似（3）光源接收器运动体把式（3）带入（2）中得忽略式中的高次项，得（4）所以速度为u的运动体产生的多普勒频移为(5)用同样方式可得到(6）即当光源和接收器都在运动方向一侧，并且运动物体与接收器做相向运动时，按收器接收的光频率增加，波长减小。当光线垂直入射并接受回波信号时，即==θ=0，则(7)对式(7)两端时间积分得:(8)式中为被测物体位移量，为干涉条纹移动数,系统只要检测出条纹移动数就可以得出被测物体的位移量。光信号检测部分1混频技术光混频技术即相干检测技术，或称为频率调制技术。假设有两列波，其中一列波表达式为另一列波表达式为，则合成波的振幅为（9）式(9)中，E1，E2是两入射波的振幅，是两入射波的角频率，是两入射波的初相位。当相差不是很大时，两列波叠加后表现为驻波列，驻波的频率是两列入射波的频率之差，相当于在载波上施加了一个调制信号。当这一叠加波输入到平方律检测器时，检测器只能对合成波的强度起响应。根据式(9)有(10)式(10)所示的信号经过具有高频截止功能的光电检测器后，频率高于的信号都不能通过，式(10)中的前三项只能输出其平均值。的平均值是1/2，的平均值是0，因此式(10)最终成为(11)放在光合成路径中的光电检测器，将产生调制在差拍频率上的电信号。下图给出了理论上光电检测器输出的信号波形图。2PIN光电二极管光电二极管的光探测方式有两种结构:一是光伏模式,在这种模式下,光电二极管处于零偏状态,不存在暗电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量；二是光导模式，在这种模式下，需给光电二极管加反向偏置电压，存在暗电流，由此会产生较大的噪声电流，有非线性，通常应用在高速场合[17]。光电二极管的特点：(1)反向电流随入射光照度的增加而变大,在一定反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压无关；(2)在入射光照一定时，光电二极管相当于恒流源，其输出电压随负载电阻增大而升高；(3)光电二极管的暗电流很小，光电流较大。光照下PIN光电二极管PN结的伏安特性为:(12)式中，为PN结的反向饱和电流，V为包括外电压和光电压的实际结电压；K为玻尔兹曼常数，T为探测器的工作温度。由式子可以得出以为参量的伏安特性曲线，从图中可以看出光电二极管的反向输出电流与照强度成正比。它包括光电流，暗电流，结电阻，结电容的并联。其中暗电流对应于工作电压下没有光照时的输出电流，为串联电阻，其值远小于负载电阻，通常可以忽略。在应用时，要求光伏探测器工作在线性范围内，因此必须保证，器件近似以短路方式工作。短路电流I与入射到探测器上的光功率成正比，并且不受工作温度的影响。3利用PIN光电二极管检查光信号光电二极管的输出电流信号很小(在微安级)、信号频率范围大(从直流到1MHz方波)。为了提取有用信息，必须先将该电流信号变换为电压信号，然后再进一步放大。为获得最佳的效果，在电路设计时必须考虑高增益、低噪声及宽频带的要求[2]。（1）提高响应度与输出的线性PIN光电二极管没有内部增益(即只有单位增益)，因此他对光的响应度是不高的。在单位增益中一个入射光子只产生一个电子的光电流。根据波长,其最高量子效率(转换效率)为92%。因此在使用时必须把光电二极管输出的电信号放大。典型的光电转换电路如上图所示。电路中光电二极管工作于光导模式,可探测微弱的光，另外运算放大器可以获得高达或更高的增益；因此，图2.7可有效提高光响应度。实际上,这也是一个I-V变换器,由于负反馈的原因,运算放大器的等效输入阻抗为:(13)式中是运算放大器的开环输入阻抗，对场效应管输入的情形，Ω。是开环放大倍数,一般大于106，将这些值代入式（13）可知的值很小，接近于0Ω（此时光电流与辐照光功率成良好的线性关系）。又由于运算放大器的开环输入阻抗很大(虚断),光电二极管的电流都流入了反馈电阻,故运放的输出电压为(14)其中是光电二极管的短路输出电流,其值与辐照光功率成正比,由此可见该电路的输出电压与入射光功率成良好线性关系。（2）降低噪声光电二极管、电阻及运算放大器等器件都存在散粒噪声、热噪声等。放大器在放大光电二极管输出信号的同时将噪声也放大了，从而影响系统的分辨率。反馈电阻在输出端造成的噪声分量为:(15)带宽可见，采用较大的光电二极管，反馈电阻较小的运算放大电路将使输出噪声减小。随着频率的增加，的作用开始表现出来，信号电流的放大倍数开始下降，转折频率为。而噪声电压与信号电流的幅频特性完全不同。在直流段和较低频率时噪声电压的放大倍数为随着频率的增加，噪声增益曲线首先由于的作用开始升高，直至由于电容的作用而停止。在高频段，噪声增益被限定在。由此可见越大，越小，噪声的影响越小。加入可限制高频段的噪声增益。另外由于运算放大器存在着失调电压和失调电流，且随温度的变化而变化。虽然失调电压和失调电流在电路调整时能加以补偿，但是温度漂移的影响将在电路的输出端形成噪声。为降低放大电路的输出噪声，需要选用输入失调电压温漂及输入失调电流温漂都较小的运算放大器，同时选用值大的光电二极管并尽量控制温度变化范围。（3）放大电路频带宽度与响应速度的提高光电检测电路的响应速度与光电二极管、运算放大器及应用状况有关系:光电二极管的响应速度与他的有效工作区有关。有效工作区小的器件响应速度快。不同的运算放大器响应速度不同，要提高电路的响应速度，需要选择合适的运算放大器。在应用电路方面，光导模式的响应速度比光伏模式快。另外负载的大小与性质对响应速度也有影响。负载电阻越大，响应速度越慢。因此为提高电路的响应速度及带宽，除了选择合适的元器件外，还应在电路设计方面采取相关措施。系统的硬件结构系统硬件主要由光路部分，光信号检测部分，信号调理部分，计数处理及辩向部分，信号处理部分，显示部分组成。下图给出了整个系统的硬件结构框图。1光源的选择和一般光源相比，激光有以下四个特点：(1)亮度高由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点处产生几千到几万度的高温。(2)方向性性好激光发射后发散角非常小，激光射出20公里，光斑直径只有20-30厘米，激光射到38万公里的月球上，其光斑直径还不到2公里。(3)单色性好光的颜色由光的波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉而反映出来的。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。(4)相干性好相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有好坏之分。普通光是自发辐射，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射，具有极强的相干性。氦氖气体激光器的激光波长为0.632um，很接近光电二极管的峰值响应波长的光谱灵敏度。与其他激光器相比，用相同功率光束照明时，将得到较大的输出信号。而且该激光器的制造技术比较成熟，结构简单、使用方便、价格便宜，故选用氦氖气体激光器作为光源[3]。系统光路结构示意图2光信号检测电路光电检测前置放大电路在直流情况下，该反馈由断开，此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。合理的设置比值有减小噪声带宽的功效。图中是为了补偿过大造成的直流误差。上的是为了去除它上面的杂散噪声。的确定要根据截至频率来计算。运算放大器选用了高输入阻抗的OPA627。3信号调理电路由于信号中含有频率成分较多噪声的低频成分，因此采用带通滤波器滤除噪声，提高信噪比。系统运用有源高通滤波器，其中有源滤波器成本低，质量可靠及寄生影响小，设计和调整过程简便，阻带衰减速度比无源滤波器快，因而有源高通滤波器更适合该系统低频滤波如图。系统高通滤波电路选择====20pf。取=5k,=15k,=51k,=4.7k。截至频率=*=*=0.92M考虑信号带宽要求设置增益为A=（-60/40）×（-60/40）=9/4推动放大电路设计成反相放大，主要由集成运放及外围元件组成[4]。主放电路的设计要考虑带宽、功耗、噪声、响应速率等各方面因素,本设计里选用了一款超低失真、低噪声、高压摆率的运算放大器。它是一种较理想的应用于宽动态范围、高精度、高速环境下的运算放大器。由前置放大输出的电信号约为几十毫伏。为满足后续整形器的阀值电压设置放大倍数为200倍，本电路选用AD8045集成运放，管脚如图其单位增益带宽是1GHZ，在增益200的条件下带宽完全满足要求。为了去除电源的抖动波纹的退耦电容。主运放电路根据系统测位移的原理知道，需将滤波放大输出信号整形为方波以便后续计数器进行计数再送入单片机处理。整形的实现是通过门限比较器实现的。系统采用常用有施密特触发器的六反相器74LS14。4计数处理电路本部分由4片4位可预置数同步计数器（异步清零）74LS161、数据锁存器74HC573、反向器40106组成。这部分的作用是将测量信号和基准信号的计数值锁存到锁存器以及通过反向器的进位信号产生中断记录进位数供单片机读取从而进行数据处理。5信号处理部分及显示本部分由单片机AT89S52和1