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p s d 激光三角法测量扬声器薄壳振动模态 摘要 中国的扬声器产量遥遥领先于其他国家，而浙江省又正好是中国的扬声器产 量大省，但中国还远非扬声器生产强国。因此，对扬声器薄壳振动模态的检测， 分析其失真原因，并将结果不断反馈到生产厂家，这对于提高浙江省乃至全国扬 声器生产质量具有较大的实际意义。基于以上，在阅读一些相关文献的基础上， 硕士期间主要开展了如下工作： 1 、提出了一维p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 激光三角法测量扬声 器薄壳振动模态的新方法。在基于前人激光三角法设计的基础上，在光路系统上， 采取了一系列改进措施以使p s d 接收到尽可能多的信号光通量和消除背景光噪 声，尽可能的满足扬声器薄壳弱反射表面的检测条件。 2 、针对性的设计了p s d 信号处理电路系统，有效解决了扬声器薄壳表面的 弱反射宽带微振动检测难题。电路采用全模拟元件实现，截止频率约为l o k h z 。 该系统不仅可以检测扬声器薄壳的振动，还可以检测类似扬声器薄壳这种弱反射 表面微振动物体的宽带振动。 3 、利用该检测系统，结合相关仪器，测量了扬声器的多项性能，包括定点 固定频率的振动测量、定点扫频测量和周向扫描模态测量。验证了所设计系统测 量弱反射和宽带微振动的可行性。对扬声器的非线性分谐波的测量分析表明，扬 声器薄壳分谐波的产生源于扬声器薄壳模态的相互作用。 关键词：一维p s d ；激光三角法；扬声器薄壳；振动模态 as y s t e mb a s e do np s da n di 气s e r t r i a n g u l a t i o nm e t h o dt om e a s u r ev i b r a t i o n m o d eo fl o u d s p e a k e rs h e l l s a b s t r a c t c h i n ai st h el a r g e s tl o u d s p e a k e rm a n u f a c t u r i n gc o u n t r yi nt h ew o r l d ， a n dz h e j i a n gi st h el a r g e s tl o u d s p e a k e ry i e l dp r o v i n c ei nc h i n a h o w e v e r ， c h i n ai sf a rf o r mag r e a tp o w e rc o u n t r yp r o d u c i n gq u a li t yl o u d s p e a k e r s s oi th a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a t i o nt om e a s u r et h el o u d s p e a k e r v i b r a t i o nm o d ea n dt oa n a l y z ei t sn o n l i n e a rd i s t o r t i o nm e c h a n i s m m a i n s t u d i e sa r e1i s t e da sf o ll o w s ： 1 an e wm e t h o d u s i n go n e d i m e n s i o n a lp s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v e d e t e c t o r ) a n dt h el a s e rt r i a n g u l a ti o nm e t h o dt om e a s u r et h ev i b r a ti o n m o d eo fl o u d s p e a k e rs h e l li sp r o p o s e d b a s e do nl a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d d e s i g n e db y t h e f o r m e r s ，t os a t i s f yt h ed e t e c t i o nc o n d i t i o n so f w e a k r e f l e c t i o ns u r f a c eo fl o u d s p e a k e rs h e l la sm u c h i sp o s s i b l e ，s e v e r a l m e a s u r e sa tt h eo p t i c ss y s t e ma r ea d o p t e dt om a k et h ep s dr e c e i v es i g n a l l u m i n o u sf l u xa sm a n ya sp o s s i b l ea n dt oe li m i n a t et h eb a c k g r o u n d1i g h t n o i s e 2 ap s ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ts y s t e mi sd e s i g n e dt oo v e r c o m et h e d i f f i c u l t ym e a s u r i n gt h es m a l la n dw i d e b a n dv i b r a t i o no fl o u d s p e a k e r s h e l lw h i c hh a saw e a kr e f l e c t i o ns u r f a c e t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t s c o n s i s to fw h o l l ya n a l o ge l e m e n t sw i t hac u t o f ff r e q u e n c ya b o u tl o k h z t h i ss y s t e mn o to n l yc a nb eu s e dt od e t e c tv i b r a t i o no fl o u d s p e a k e rs h e l l ， b u ta l s ot od e t e c ts m a l la n dw i d e b a n dv i b r a t i o no fa no b j e c tw i t hw e a k r e f l e c t i o ns u r f a c e ，s u c ha st h el o u d s p e a k e rs h e l l 3 s e v e r a lm e a s u r e m e n t so fl o u d s p e a k e rs h e l lv i b r a t i o na r ep e r f o r m e d i i w i t ht h ed e s i g n e ds y s t e ma n do t h e ri n s t r u m e n t s ，s u c ha st h ev i b r a t i o na t ap o i n to fl o u d s p e a k e rs h e l la taf i x e df r e q u e n c ya n da tf r e q u e n c ys w e e p ， a n dt h ev i b r a ti o nm o d e a l o n gt h ec i r c u m f e r e n c e t h e s e m e a s u r e m e n t s v a li d a t et h ed e s i g n e ds y s t e mi nm e a s u r i n gs m a l la n dw i d e b a n dv i b r a t i o n o fa no b j e c tw i t hw e a kr e f l e c t i o n s u r f a c e t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa n d a n a l y s e ss h o w st h a tt h es u b h a r m o n i c si nl o u d s p e a k e rs h e l la r ec a u s e db y t h ei n t e r a c t i o no fv i b r a t i o nm o d e s k e yw o r d s ：o n e d i m e n s i o n a lp s d ；l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o d ；l o u d s p e a k e r s h e l l ；v i b r a t i o nm o d e i i i 浙江师范大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 轹铲拎 醐力严肜卵 学位论文使用授权声明 本人完全了解浙江师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关机关或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。同意浙江师范大 学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后遵守此协议。 作者签名： 腻1 年r 眺 浙江师范大学学位论文诚信承诺书 我承诺自觉遵守浙江师范大学研究生学术道德规范管理条 例。我的学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数 据、观点等，均已明确注明并详细列出有关文献的名称、作者、 年份、刊物名称和出版文献的出版机构、出版地和版次等内容。 论文中未注明的内容为本人的研究成果。 如有违反，本人接受处罚并承担一切责任。 5 6 1 1 课题背景 1绪论 随着科学技术和工业生产的不断发展，对各种几何物理量、表面轮廓的测量 精度要求也越来越高。目前国内对位移及振动等有关量的检测大部分采用接触式 方法，但是这种方法既不适宜运动状态易受传感器影响的物体、易擦伤的软质材 料及易污染的材料，也不适宜于在恶劣环境下进行测量。位置敏感器件( p s d ) 在二 十世纪7 0 年代研制成功之后得到了长足发展，再加上各种高性能的激光器的不 断涌现，基于光学三角法测量原理的非接触测量方法逐渐受到重视。光学三角法 虽是一种经典的光电测量方法，但其测量光的接收形式既可以是散射光，也可以 是反射光，且两种接收形式的测量分辨率都能达到微米级，因此，仍然是一种对位 移、厚度、位置、形变进行测量的有效方法。 中国的扬声器产量很大，世界上几乎8 5 以上的扬声器均来自中国，而浙江 省又是我国扬声器产量大省，虽然扬声器产量遥遥领先于其他国家，但中国还远 非扬声器生产质量强国，因此，测量扬声器薄壳振动模态、分析其失真原因有较 大的实际意义。扬声器薄壳在中高频振动时，振动位移为几十到几百个微米，目 前常规的测量方法无法满足测量要求，因此本文提出了一种p s d ( p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 位敏传感器激光三角法对扬声器薄壳振动进行测量分析的 方案。 在设计p s d 激光三角法光路、电路系统中，遇到需要解决的第一个问题是怎 样提取扬声器薄壳反射回来的光信号，由于扬声器薄壳表面为黑色或近黑色，故 反射光强很微弱，这种微弱的光信号很容易被周围同波段的环境光所埋没。第二 个问题是如何将这微弱的光信号通过电路实现放大的问题。 1 绪论 1 2 扬声器薄壳振动的传统检测方法 1 2 1 光学全息时间平均法 全息技术根据全息图的记录和再现方式的不同，可分为三类“。1 ，光学全息、 计算全息、数字全息。光学全息目的记录过程是光学干涉过程，再现过程是利用 光学衍射来实现的，这种全息过程采用化学湿片进行记录，又称为传统光学全息。 记录从物体来的光波振幅( 即光强) 和光波相位从而能同时反映物体纵、深状 况的一种新的照相技术，具有强烈的立体感。光学全息时间平均法“拍摄扬声 器振动是目前普遍采用的方法。文献“1 中讨论了将两次曝光全息干涉法和时间平 均法全息干涉技术同时用于扬声器振动全息图的摄制，可直观地观察和分析扬声 器在不同频率时的振动模态。其光路图以及拍摄结果分别如图1 1a ) 、b ) 所示。 k p a ) 激光再现扬声器奎息光路图b 1 激光再现扬声嚣仝息围 困1 1 激光再现扬声嚣奎缸图 文献”3 中提出了一种新的测量膜振动的光学方法：像面全息时间平均法。得 到了不同谐振频率激励下膜振动的干涉图样和轴对称振动模式，并对3 0 0h z 激励 下膜面的振幅分布情况进行了分析。结果表明，该方法可以减小检测时反射波的 影响，增强物光强度，提高干涉图样的对比度，而且可以在白光下再现振动物体的 像。 1 绪论 圉圈固 圈圈国 a ) 无振动，b ) f = 8 00 0h z ；c ) f = l9 5o o h z ；d ) f = 3 0 00 0h z ；e ) f = 4 0 00 0h z ；f ) f = 50 00 0h z 困13 不同谐振频率激励下膜面的仝息图 无论从光路调节上还是从环境的要求上来看，光学全息法无疑给实验者带来 了一定的麻烦。最主要的，这种方法只能测量和激光波长同量级的振动( 小于i 微米) ，因此只能钡幔远低于正常工作电压的扬声器薄壳振动模态。 122 数字全息法 数字全息是顾德门在1 9 6 7 年提出的一种新的全息成像方法“1 ，以c c d 光电耦 台传感器件取代传统的干版记录全息图，最后由计算机以数字的形式对全息图进 行再现的方法4 。由于没有化学显影和定影过程，因而便于对图像进行实时处 3 准直透镜 1 绪论 理。数字全息已广泛应用于粒度分析、细胞观测、物体的振动分析等领域。 数字全息法拍摄扬声器全息图主要是在光学全息的基础上用c c d 代替光学 全息中的全息干板，免去了全息干板冲洗的过程，但仍然避免不了光路调节带来 的麻烦。其局限性除了测量的振动范围较小以外，由于受c c d 分辨率的限制，一 次只能拍摄尺寸较小的扬声器。其光路图以及数字全息图如图l4 所示“。 a ) 光路圈 1 2 3 加速度计测量法 图14 扬声器薄壳数字全包围 b ) 全息圉 加速度计是一种可以测量物体振动加速度的传感器，如图15 所示。文献3 介绍了使用轻型加速度计测量扬声器纸盆的加速度、速度和位移，从而推算出扬 声器的低频参数。使用加速度计测量扬声器振动，最大的缺陷就是受其重量的限 制。使用b k 的04 9 重( 不包括缆线) 加速度计，能用于测量大于7 克重的纸盆， 即一般口径在1 0 0 毫米以上的扬声器单元。 图15 加速度传感嚣 1 绪论 相对于全息法来讲，加速度计测量法属于接触式测量。扬声器薄壳上固定一 加速度计一般采用胶粘固定，这种固定方法以及加速度计重量不可避免地影响了 扬声器薄壳测量点的振动。因此，这种测量方法用于测量扬声器薄壳某点的振动 尚可接受，但显然不能用于扬声器薄壳振动模态的测量。 1 2 4 刀片测量法 刀片法基本原理是通过改变光通量的方法来测量扬声器薄壳的振动，如图 1 6 所示。这种方法是在扬声器薄壳被测点处贴上一薄片( 振动调制片) ，薄壳与 薄片一起振动切割光通量，使得光电管上接收到的光强发生变化乱2 l 。同样，这种 方法只适合于点测，不适合模态的测量。 1 ) 频谱分析仪；2 ) a d 转换；3 ) 放大器；4 ) 光电管；5 ) 振动调制片；6 ) 信号发生器；7 ) 功率放大 器；8 ) 激光束 图1 6 刀片法测量扬声器薄壳振动 1 2 5 激光测振仪检测法 文献n 3 1 介绍了用多普勒激光测振仪装置测量扬声器纸盆振动幅度与激励电 压及激励频率之间的关系。为扬声器结构及振动特性的研究提供了一种精度高、 重复性好的可靠测量方法。但激光测振仪价格昂贵，一般在3 0 万元以上。 5 1 绪论 1 3 本课题主要研究内容 本文拟采用p s d 激光三角法测量扬声器薄壳振动。将一束激光聚焦后垂直发 射到薄壳面上，在薄壳上形成一激光点，由于薄壳为漫反射，按照斯凯普夫拉格 条件，将一维p s d 位敏探测器放置在光点经透镜后的成像面上，就可以采集到光 点的振动信号，经过一系列信号处理，最终信号可直接在示波器上观察，经a d 转换将数据采集到计算机，可以对检测到的信号进行幅频特性分析、相频特性分 析以及模态分析等等。 本课题研究的目的在于，设计一种能够对类似扬声器薄壳这种弱反射微振动 表面的振动检测系统，其难点在于如何对于弱反射表面物体的光路进行处理，如 何对微弱电流放大并提高整个电路系统的抗干扰能力等等。因此本课题主要内容 包括两大方面：一方面是设计一套合适的激光三角法光路系统，使其能满足测量 这种弱反射物体表面振动的要求。另一方面是设计一套合适的p s d 信号处理电 路，使其能够对微弱电流信号进行放大处理，并具有一定的抗干扰能力，给出系 统背景光和暗电流的消除方案，减小实验误差，增大系统测量的精确度。并对扬 声器薄壳振动进行多项测试实验，分析实验结果，对扬声器分频失真进行初步的 实验研究。 6 2 p s d 激光三角法测量系统概述 光电探测系统包括光路系统、光电探测器和信号电路处理系统。本章介绍和 讨论激光三角法、p s d 位敏探测器及其信号处理电路的工作原理和研究现状。 2 1 激光三角法 随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的不断提高，传统 的接触式测量己经无法满足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性和 实时性，已经成为测量领域的热点。同时由于电子学和光学技术的飞速发展，光电 检测已经成为非接触测量的一种主要方法。激光三角法( l a s e rt r i a n g u l a t i o n ) 是光电检测技术的一种，由于该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力 强、使用灵活方便等优点，在工业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广： 泛的应用n 4 州。 激光三角法测量系统按照光接收器的不同可以分为p s d 模拟型和c c d 数字型 两种类别；按照入射光和被测物体间形成的角度不同，可以分为直射式( 只有漫 反射) 和斜射式( 镜面反射光和漫反射光都存在) 两类。以下分别介绍直射式和 斜射式两种激光三角法。 2 1 1 直射式激光三角法 在激光三角法光路系统中，若入射激光与被测物表面垂直，则该激光三角法 称为直射式激光三角法。直射式激光三角法主要针对漫反射物面测量，如图2 1 所示。激光器发出激光垂直入射到被测物体表面，在物体表面上形成一光点。当 被测物体表面沿激光入射方向来回移动时，光点经接收透镜在光电探测器上所成 的像也随之移动，光电探测器上接收到像的移动信号( 光信号) 转换为电信号输 出，从而得到被测物体表面的位置移动信号。 7 2p s d 激光三角法测量系统概述 氦 光电探测器 图2 1 直射式激光三角法光路图 图2 1 中，d 点为物体振动平衡位置，当物体表面从d 点振动到p 点时，落 在光电探测器上的像点从d 点移动到p 点，s 和s7 分别为平衡时的物距和像距。 由相似三角形可推得系统的物像关系 鱼；兰兰生 ( 2 1 1一4 。一 i- ds js i nc c ds i n ( a + p 、 、 上式中的物像关系为非线性的，对于微振动，有d s i n ( a + 卢) s s i n a ，由此得到近 似线性的物像关系 鱼。型堕 ( 2 2 ) 一_ 一 二二- d5 s i n 口 、。 为了使物点在移动过程中，像点与物点始终满足成像公式，即为了使像点清 晰成像在光电探测器感光面上，激光三角法光路设计必须满足所谓的斯凯普夫拉 格条件( s c h e i m p f l u gc o n d i t i o n ) ，即成像面、物面和透镜主面必须相交于同一 直线，如图2 1 中l 点所示。这要求光路系统满足 s t a n p = s t a n 口( 2 3 ) 8 2p s d 激光三角法测量系统概述 2 1 2 斜射式激光三角法 氦 图2 2 斜射式激光三角法光路图 在激光三角法光路系统中，若入射激光与被测物表面不垂直，则该激光三角 法称为斜射式激光三角法，如图2 2 所示。斜射式激光三角法主要针对镜面反射 物面测量，但有时也可作为漫反射物面测量。图2 2 中，激光器发出的激光与被 测物体表面的法线方向成角度o l ( 0 0 醴 9 0 0 ) 入射，由入射光点反射出的光 经接收透镜聚焦落在光电探测器上，此时应满足的斯凯普夫拉格条件为n ： t a n ( 0 z + 吼) = t xt a n 0 3 ( 2 4 ) 若光点的像在探测器光敏感面上移动d ，利用相似三角形的比例关系，可 求出物体表面沿法线方向的移动距离为： - 一面两丽m s 习i n0 3 面c o s 丽0 1 a ( 2 5 ) = 一 iz ) l z s i n ( b + 吼) 一d7 s i n ( 幺+ 岛+ 岛) 、7 式中，o l 为激光束光轴与被测面法线之间的夹角；幺为成像透镜光轴与被测 9 2p s d 激光三角法测量系统概述 面法线之间的夹角；岛为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。 目前国内外有很多公司都有采用激光三角法的产品，直射式有日本k e y e n c e 公司生产的l c 系列和l b 系列，德国m i c r o e p s l l o n 公司的o p t o n c d t 系列，美 国m t i 公司的m i c r o t r a k 系列等多种型号；斜射式激光位移传感器有日本k e y e n c e 公司的l d 系列等。图2 3 示出了美国m t i 公司的直射式与斜射式探头两款产品。 囤23 美国m t l 奢司直射式( 左) 与斜射式( 右) 探头 2 1 3 激光三角法两种方案比较 直射式适合定位和钡4 量漫反射物面，而斜射式可以进行镜面测量，且分辨率 较直射式高。无论是直射式还是斜射式的激光三角法，都可以用来对物体进行高 精度、高速度( 采用p s d 传感器) 的非接触测量。两者主要有以下几点区别： ( i ) 、斜射式可接收来自被测物体的正反射光，可以测量表面接近镜面的物 体。直射式只能接收散射光，因而适合于测量散射性能好的表面。如果表面较为 平滑，则可能由于接收到光电探测器的散射光强度过弱，使测量无法进行。 ( 2 ) 、在被测物体表面发生位移时，斜射式的入射光光点照射在物体不同的 点上，因此无法直接知道被测物体表面某点的位移情况。而直射式却不同，测量 过程中直射式入射光点始终照射在被测物体表面同一点上，因此直射式可以直接 测量被测物体表面某点的位移情况。 2p s d 激光三角法测量系统概述 ( 3 ) 、直射式的光斑较小，光强集中，不会因被测面不垂直而扩大光斑，而 且体积可以做的较小。斜射式的分辨率高于直射式，但它的测量范围小，体积较 大。 在具体的应用中，应该根据实际情况，选择合适的激光三角法测量系统。 2 2 位置敏感探测器p s d 简介 位置敏感探测器p s d 是一种基于半导体横向光电效应的、对入射光或者粒子 位置敏感的光电器件n8 。1 9 1 。p s d 横向光电效应是s c h o t t k y 在1 9 3 0 年代发现的洲， 他将c u c u 。0 金属半导体结的c u ：0 表面边缘的a u 电极通过安培表短接于c u 层， 发现当用一束光照射c u ：0 表面时，外电流随光入射位置与电极之间的距离的增加 指数下降，这是横向光电效应的首次发现。但是当时并没有得到特别关注。1 9 5 7 年，w a l l m a r k 在圆形i n g ep + n 结上重新发现了这个效应。他用载流子复合理论 对此现象做了解释，并提出可以用于检测光点位置眩u 。此后关于p s d 的研究才算 真正开始。后来，l u c o v u s k y 推导出描述横向光电效应的解析方程，从而奠定了 p s d 的理论基础乜剑。这个时期制作的p s d 被称为w a l l m a r k 型p s d ，其特点是电极 设计为点状，使用时不加偏置，灵敏度、响应速度和线性度等性能都比较差。之后， 出现了四边形结构p s d ，电极设计成条形，使用时加反偏电压，各项性能指标均得 到提高。但由于四条电极设置在同一面，电极间相互影响，非线性仍然较大( 6 8 ) 。为了提高线性度，后来开发了双面结构p s d 乜3 1 ，该结构将收集x 和y 方向位 置信息的电极分别设在p - n 结的两面，这样避免了电极间的相互影响，线性度显 著提高，但这种结构存在暗电流较大，不便于加反向偏压的缺点。其后，g e a r 提出 了g e a r 定律，随后枕形结构p s d 问世泓1 ，这种结构虽有良好的线性度，但是有效使 用面积较小心朝。 二十世纪7 0 年代许多研究工作对p s d 性能提高做出了卓有成效的成果，美 国u d t 公司开发出了可用于可见光、红外及高能射线探测的一维和二维p s d 产品。 此后，许多人开始对背景、偏置和负载对p s d 性能的影响进行了探讨乜扣剜。8 0 年 代以后，科技的飞速发展扩大了p s d 的应用范围和需求，从而推动了p s d 的商用 发展。日本滨松( h a m a m a t s up h o t o n i c s ) 、瑞典s i t e k 和美国u d t 等开发出了多 种实用的p s d 产品及相应的处理电路凹0 l 。 i i 2p s d 激光三角法测量系统概述 由于p s d 是一种连续型的模拟器件，和c c d 等阵列型器件不同，克服了阵列 型器件分辨率受像元尺寸限制的缺陷。p s d 基本结构类似于光电二极管，当光敏 面被非均匀光照时，由于横向光电效应，在平行于结平面的方向形成电势差，光 生电流在扩散层被分流，通过电极收集电流。由于从电极输出的电流和入射光斑 的重心位置相关，根据输出的电流能连续、直接的检测出入射光斑的重心位置。 这种整体模拟输出的工作方式不需要扫描，特别具有优势，缺点是不能同时探测 多个光斑。与其它光电位置探测器相比，p s d 具有分辨率高、响应速度快、信号 处理相对简单；对光源、光学系统要求比较低、光谱响应宽等优点。p s d 特别适 用于位置、位移、距离、角度以及可以间接转化为光斑位置或者位移的其它物理 量的非接触高精度快速测量，可以广泛应用于工业检测和监控、自动聚焦、三维 形貌测量、机器人传感和生物医学等领域，是一种具有广阔应用前景的器件。 我国对p s d 的研究比较晚，二十世纪8 0 年代中期才有关于p s d 的报道，研 制方面开始于9 0 年代。电子部4 4 所曾研制过一维和二维p s d ，机电部2 1 4 所对 设计、制作工艺等进行了研究1 ，日本滨松也与其他单位企业合作制作出了商用 p s d ，但是基本都没有形成规模。主要原因是对p s d 器件的了解和认识还不够深 入，产品性能还不完善。此外，价格等因素也是制约其发展的重要原因。有关 p s d 应用方面的研究比较多b 2 嗡1 ，应用领域主要涉及工业检测和监控、自动对焦、 汽车避障、航空对接，以及军事、高性能物理试验、三维形貌测量、机器人传感 等。研究内容包括p s d 传感系统设计汹删、p s d 信号处理技术驯、用一块p s d 同时测量多个光斑h 、p s d 测量精度的影响因素等。 2 3p s d 与c c d 比较 电荷藕合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是二十世纪七十年代开始发展 起来的一种新型的半导体器件。它是一种半导体装置，使用一种高感光度的半导 体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，借助 于计算机的处理手段，根据需要处理图像。c c d 由许多感光单位组成，通常以百 万像素为单位。随着新型半导体器件材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完 备，c c d 的电极结构及电路形式日趋复杂，在信号处理、数字存贮、影像传感三 大领域中得到了广泛的应用，特别是在像感领域发展迅速，已成为现代光电子学 1 2 2p s d 激光三角法测量系统概述 和测试技术中最活跃最富有成果的新兴领域之一。 当用c c d 激光三角法测量某一物体的位移时，首先使点激光照射某待测物 体，其影像正投影到c c d 的光敏面上，得到影像在c c d 的初始位置，物体移动后 影像在c c d 上的位置也随着移动，根据光路位置关系可以计算出物体的位移。 p s d 和c c d 各有其优缺点，适用于不同场合。p s d 响应速度快，工作中不需 要扫描，响应速度只有几微秒到几十微秒；位置分辨率高，p s d 为连续性器件， 可以连续采样，因而可以达到足够高的分辨率；位置输出与光强度无关，采样不 受像元尺寸大小限制，因而不需苛刻复杂的光学聚焦系统“引。c c d 是数字型、离 散器件，精度和分辨率受像元尺寸影响。在感光面尺寸一定的情况下，精度随像 元尺寸减小而提高，但是速度随着像元个数的增多而减小，即分辨率越高，响应 速度将会越慢。c c d 是积分型器件，其输出电流信号工不仅和光照度有关，也和 两次取样的时间间隔，即积分时间有关。减慢了采集数据的速度，同时需要对积 分时间进行控制，也增加了系统的复杂性。c c d 工作需要驱动电路，电路较复杂， 成本相对高h 副。 综合以上对比可知，在速度要求不高的场合可以使用c c d ，比如测量位移以 及低频振动等等。对于中高频振动一般需要选择p s d 作为传感器，本实验主要测 量扬声器薄壳振动，设计频率上限为i o k h z 左右，因此需要选择p s d 作为传感器。 2 4 一维p s d 的基本工作原理 p s d 是一种独特的半导体光电器件，它的p n 结结构、工作状态、光电转换原 理等与普通光电二极管类似，但它的工作原理与普通光电二极管完全不同，后者 基于p n 结或肖特基结的纵向光电效应。普通光电二极管通过光电流的大小反映 入射光的强弱，是光电转换器件和控制器件，而位置敏感探测器不仅是光电转换 器，更重要的是光电流的分配器，通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各 电极上收集到的电流信号的比例确定入射光的位置h 州 。 p s d 器件可分为线型( 一维) p s d 和面型( - - 维) p s d ，前者可以测定光点的一维 位置坐标，后者可以测定光点在二维平面上的位置坐标。 2p s d 激光三角法测量系统概述 入射光点 图2 4 一维p s d 原理图 p s d 器件为p i n 三层结构，一维p s d 原理图如图2 4 所示。表面p 层为光敏 层，同时制作为均匀的电阻层，两边各有一信号输出电极；中间i 层为本征层； 底层为n 层，n 层和公共电极3 欧姆接触，公共电极用于加反偏电压，即电场方 向由n 层指向p 层汹1 。 图2 5 一维p s d 等效电路 图2 5 是p s d 的等效电路图，r 和心分别是入射光点到两级的等效电阻。d 为理想二级管。c 为结电容，r 为结电阻。为光生电流，恁为p s d 负载，图 中虚线框部分为p s d 芯片结构。 p s d 探测光点位置的基本原理是基于横向光电效应n 引。所谓横向光电效应就 1 4 2p s d 激光三角法测量系统概述 是当光点照射p n 结时，在该点产生与入射光强成比例的载流子，这些载流子不 仅沿着结的纵向产生光生电动势，而且在结的横向也产生光生电动势，由光生电 动势产生的光电流在表面向电极分布。载流子在此横向电场的作用下形成光电 流，流向两个信号电极，从而在信号电极上分别得到光电流，1 和乞。同时，光电 流在反向偏压的作用下由n 层流向p 层，形成闭合回路。流过电极3 的电流为总 电流如，有厶= 厶+ 厶。厶和l 的分流关系满足并联电路的分流规律，即与光入 射点到两个电极间的电阻成反比。由于p 层为均匀的电阻层，和厶反比于入射 光位置到各自电极之间的距离。由于p s d 本身的性能特点，在p s d 中心3 4 范围 内线性度比较好，通常以p s d 中点为坐标原点，当有效光敏面长度为2 三，光电 流，l 和，2 可表为聆瞄订 = 警 一警 ( 2 6 ) ( 2 6 ) 式中和l 是入射光能量厶与位置x 的函数，由于受到光源光功率波 动及光源与p s d 间距离变化的影响，1 3 并不是一个恒定值。因此为消除1 3 的影响， 通常把输出电流的差与和相除作为位置检测信号，即 肛1 1 + - i m _ _ ，_ 互2 ，工 ( 2 7 ) 1 1 + 1 2 、。 以上为理想状态下信号输出关系，当测量弱反射物体位移时，暗电流和背景 光电流不可忽略。由于现在的p s d 采用四边形结构，电极设计成条形，线性度和 均匀度较好，暗电流可认为基本均匀。另外，对p s d 这样的小光敏面区域，照射 其上的背景光也可认为基本均匀。考虑了这些均匀分布的噪声电流，输出电流公 式应作如下修正嘞1 ，1 ，芝竽+ 饥一；学+ 红 ( 2 8 ) 式中k 为常数，d 为上述噪声电流。可见，在2 个输出电流中，叠加了相同大小 的噪声电流。消去厶，得到p s d 位置公式 舻格x l 2 k i , 一 ( 2 9 ) x 自j 已一 f 2 9 、 i t + 1 2 一 、7 1 5 2p s d 激光三角法测量系统概述 上式为信号处理电路的设计依据，其中的噪声电流将在电路设计中去除。去 除噪声电流后，位置函数x 与光强无关，消去了光强变化带来的干扰信号。本设 计正是基于这种原理，并且结合被测量物体自身条件，设计了一套弱反射微位移 物体的静态和宽带振动位移的测量系统。 2 5p s d 的分类及应用 近年来，随着科学技术的不断发展，p s d 的应用范围也在不断扩大，研究不断 深入。通过优化结构和不断改进制作工艺，p s d 的发展有了一些新的动向和进展， 其主要分为单晶硅p s d 、氢化非晶硅( a - s i ：h ) p s d 、有机材料双异质结p s d 、大 面积挠性薄膜p s d 、阵列型p s d 、c m o s 型p s d 几个类别睛3 1 。 在工程应用中，p s d 可用于对位移，厚度，二、三维坐标，轮廓，振动，速 度及加速度等进行非接触式测量。位移测量主要是利用激光三角测量原理；对运 动物体三维空间坐标的测量其原理和利用双c c d 摄像机一样，它是利用两个二维 p s d 和光学成像系统构成的摄像头检测，根据两个p s d 的位置输出信号及摄像头 放置的空间位置便可确定出被测点的空间坐标嘲1 。 2 6 传统的p s d 信号处理电路及特点 p s d 及其信号处理电路发展至今，其信号处理方法已被很多人完善障5 删1 ，单 独的p s d 处理电路已经产品化，而且还有单片专用集成电路。其传统p s d 信号处 理电路如图2 6 所示： 凇 蜴) 图2 6 传统的p s d 信号处理电路 1 6 2p s d 激光三角法测量系统概述 该电路中主要包括前置放大、加法器、减法器、除法器等部分。其中i c 。 i c 。为高精度运算放大器，i c 。和i c 。是前置运算放大器，应选用低温漂高输入阻抗 精密运放，i c 。和i c 。分别构成加法器和减法器，i c 。为模拟除法器。 目前已有p s d 信号处理专用集成电路h 2 4 7 6 矧，最高采样频率7 0 0 h z ，可以检 测到仅为l n a 的电流。h 2 4 7 6 的抗干扰能力较强，它可以工作在小信号、背景杂 乱的情况下，包括有荧光或者其它杂散光存在的情况下，因此适用比较普遍。其 原理框图如图2 7 所示。 l 一时放p 背景光广1 广1 一 略电流 爿鍪茎h 鍪茎f 上 消除电 ： 路 p i 广1 差 s划分 d 放 大 广背景光 船 l 一- t 浦放譬暗电流 消除电 路 圈 ii爨罄萼i f j 号霭l 控制卜一 i l 幽l 外触发测距终了 图2 7p s d 信号处理专用集成电路h 2 4 7 6 原理图 模 拟 电 压 输 出 h 2 4 7 6 内部已集成背景光暗电流消除电路。该电路是电学法中的采样一保持 法。采样一保持法原理如图2 8 所示。光源不发光时，s h ( 1 ) 和s h ( 2 ) 采样，光 源发光时，s h ( 1 ) 和s h ( 2 ) 保持而s h ( 3 ) 和s h ( 4 ) 采样，这样就消除了背景光 和暗电流的影响。 1 7 2p s d 激光三角法测量系统概述 图2 8h 2 4 7 6 采样一保持法检测原理 信号 需要说明的是，h 2 4 7 6 专用集成电路在目前很多测量场合使用很普遍，但其 采样频率一般在7 0 0 h z 以内，主要适用于静态位移或低频振动测量的信号处理， 而本实验主要是测量扬声器薄壳振动，关注频率在1 0 0 - 1 0 kh z 之间，因此h 2 4 7 6 对于本实验来讲并不适用。因此需要自行设计信号处理电路，包括背景光及暗电 流消除电路等等。 2 7 本章小结 本章主要介绍和讨论了直射式和斜射式两类激光三角法的工作原理及区别； p s d 的发展、基本原理、分类以及应用，p s d 测量位置的原理和p s d 电流输出表 达式；传统的p s d 信号处理电路系统。在此基础上，下章将研究本文的p s d 激光 三角法光路和电路系统的设计。 1 8 3p s d 激光三角法系统设计 本文设计的p s d 激光三角法测量系统将用于扬声器薄壳振动的测量。扬声器 薄壳在中高频振动时，振动位移为几十到几百个微米。由于该系统将用于扬声器 薄壳的非线性失真研究，该失真发生的频率范围约为1 0 0 - 5 kt i z 。因此要求该测 量系统能够测量弱反射、微振动物体的位移，并且系统设计上限频率1 0k h z 。 本章研究设计该测量系统的光路系统和信号处理电路系统。 3 1 光路系统设计 由第二章讨论可知，一般镜面反射的物体宜采用斜射式激光三角法测量，漫 反射物体宜采用直射式激光三角法测量。扬声器薄壳表面粗糙，漫反射效果好， 因此选择采用直射式激光三角法光路系统。 。 激光三角法的物像关系严格而言是非线性的，但由于扬声器薄壳的振动位移 很小，因此( 2 2 ) 式的近似线性物像关系可以很好满足。 扬声器薄壳表面为黑色或近黑色，属弱反射表面。为满足无损检测需要，被 测物体表面不喷涂任何反射介质。因此，首先必须使尽可能多的光通量到达光电 探测器，其次应增强抗干扰设计。本文在光路系统上采取以下措施： 、采用焦距较小( 焦距1 0 5 m m ) 和面积较大( 直径5 0 m m ) 的接收透镜，使 透镜能尽量靠近入射光点，以接收尽可能多的光通量。 、增加光路系统放大倍数，以尽可能满足系统微位移测量要求。 、采用了功率较大的氦氖激光器光源，增加入射光强度以提高系统信噪比。 本文选用氦氖激光器2 5 - l h p - 1 2 1 2 3 0 ，最大输出功率5 m w 。 、采用平面镜改变光路方向，以使位敏探测器p s d 和处理电路可置于同一 屏蔽盒中，以增强屏蔽效果。 、在屏蔽盒上开一小孔，安装一片透过波长与激光光源匹配的滤光片，滤 掉大部分的背景光，并且在较暗的环境下测量。 根据以上讨论，激光三角法光路如图3 1 所示。图中成像面、物面和透镜主 1 9 3p s d 激光三角法系统设计 面的延长线( 虚线) 相交于同一点d ，为斯凯普夫拉格条件的要求。 信号 3 2 电路系统设计 3 2 1 光电探测器选型 图3 1 激光三角法光路图 光点位置探测器主要有p s d 和c c d 两种。由第二章p s d 和c c d 的比较讨论可 知，与c c d 相比，p s d 具有测量速度快和信号处理电路简单等优点。为测量扬声 器中高频振动，本文选用p s d 作为光电传感器。具体型号为g d 3 1 9 1 z ，由中国电 子科技集团第四十四研究所研制生产。主要特点：大光敏面、高可靠性、高响应 度。主要应用于位置角度测量、偏转测量、振动位移测定、光束测定、机器人一 维视角测定，平整度测量，医用机械等等。g d 3 1 9 1 z 外形如图3 2 所示，技术指 标见表3 1 。 2 0 3 p s d 激光三角法系统设计 图32p s d ( g d 3 1 9 i z ) 外形图 表31 p s dg d 3 19 i z 性能指标“”( 部分指标濂自供货单测试值 光敏面面积 m m 2 光 参响应度m 数响应时间n s 暗电流 a a 电 极间阻抗k 0 参 位置分辨率 数 反向击穿电压 l g = l 叽a 电容 工作电压 管座电压 四脚陶瓷封装 饱和光功率05 w c m 2 3 22 电路系统框图 根据p s d 位置公式( 29 ) ，p s d 信号处理电路系统框图设计成如图33 所示。 p s d 输出两路电流信号，首先经过电流电压转换，然后经第二级电路放大，再分 别对两路信号进行求和求差，再求除法即可得到所需要的被测物体的振动信号。 f29 ) 式分母中的噪声电流由求和电路消除( 见342 节) 。由于本文选用的除法 芯片5 0 7 3 4 包含减法运算关系( 见324 节) ，直接使用该除法芯片可同时实现 除法与减法的运