光盘轴向偏摆误差测试系统设计.docx

大连理工大学之机械电子学光盘轴向偏摆误差测试系统设计摘要光盘系统的轴向偏摆误差是影响光盘系统性能的一个重要参数，光盘系统的开发者和光盘介质的提供者需要一种能自动、方便测量光盘轴向偏摆误差测试系统。本文介绍了一种新型、基于激光三角法的、适用于自动化生产线的光盘机械动态特性计算机自动测试系统。该系统可以准确测量光盘系统的轴向偏摆误差，为光盘系统的开发者和光盘介质的提供者提供一个准确可靠地参数，有利于提升光盘系统的使用性能。文中介绍了该系统的构成框图、主要测试步骤以及测量结果和对测量结果的分析。关键词：光盘； 轴向偏摆误差； 测试系统；激光传感器AbstractThe axial deflection error of optical disk system affect the performance of the optical disk system obviously.The optical disk system develop and provider of optical disk media need an automatic,convenient test system of disc axial deflection error messurement. The paper introduces a new method of computer automatic test systems to measure the mechanical dynamic characteristics of optical disk system, and this method is based of laser triangulation and which method is suitable for automatic production line. The system can accurately measure the axial deflection error of optical disk system, so it can provide an accurate and reliable parameters for the optical disk system developers and media providers, that can enhancing the performance of the optical disk system. In this paper, the composition of the system block diagram, the main steps in testing and measuring the results and analysis of the results of the measruements were described.Key:optical disk; axial deflection error;test system; laser sensor1 测试光盘轴向偏摆误差的原因和意义光盘以其高密度、高信噪比、长寿命和可换性的特点迅速成为当今存储领域的发展热点。CD-DA、VCD已成为影音业的事实工业标准产品，CD-ROM早已成为PC机的标准配置。近年来广受关注的DVD系列产品也得到了市场的广泛认可，可擦重写类光存储产品MO、PC、CD-R也在不同的领域获得了成功，它们都成功地运用于计算机系统中。光存储产品的成功得益于光存储技术的发展，光存储技术的主要发展方向是提高存储密度和数据传输率，降低平均访问时间。其中提高光盘转速是提高光盘数据传输率和降低平均访问时间的有效途径之一。故而，光盘的记录密度和其转速提高得很快，为了保证光盘的可换性，光盘记录密度和转速的提高对光盘的机械性能提出了更高的要求。因此，对于生产光盘的厂家和光盘驱动器设计者而言，拥有一种能够定量测量机械特性的仪器是非常重要的。国外许多著名公司和研究机构非常重视这类仪器的研究和开发。例如, 东芝公司、横河公司、日本电话电报公司、小野公司、法国的汤姆逊公司、德国的卡尔斯鲁厄公司都推出了各自的针对不同光盘介质的测量系统。国内来看，华中科技大学的计算机外存储系统国家专业实验室承担了国家重点科技攻关项目“超高密度超大容量磁光盘产业化关键技术研究” 子项目“磁光盘机械特性测试系统”的研究和开发任务。该测试系统采用了一些全新的、具有自主知识产权的先进测试方法和国际先进技术。本文借鉴华中科技大学的研究成果，在此基础上进行延伸和优化，重点讨论该系统中采用激光三角法实现的一种新的先进的光盘轴向机械动态特性测试系统，并对关键的环节绘制框架图形，利用三维制图软件，模拟出测试系统的三维模型。2测试方法介绍2.1测试对象特点光盘系统信息的正确读取和写入有赖于激光光点准确地聚焦于光盘的记录面。各类光盘国际标准中关于光盘轴向偏摆的规定正是为了保证光盘和光学头之间的相互作用。光盘轴向偏摆是指光盘记录层相对于标称平面的轴向偏差，其大小决定了光学头轴向伺服系统跟踪的范围，其值在百微米的数量级。光盘的轴向偏摆直接影响光盘系统的聚焦精度，对读写信号质量有很大影响。如果偏摆过大，光盘和光学头之间的冲击会很大，不利于光盘信号的读取，甚至可能会导致光盘的过度磨损，达不到预期寿命。2.2测试方法的讨论针对光盘轴向偏摆的特点和测量要求，国外出现了数种成功的光盘轴向机械特性测量方法和测量系统。这里举出有代表性的的两种：一种是利用激光多普勒测振仪（Laser Dopp ler Vibrometer简写为LDV）直接测量光盘介质轴向运动的系统。为了提高测量的稳定性、降低外界环境的干扰，在实际测量中，在一般LDV工作原理的基础上发展出了双光束LDV。利用LDV为核心构成的测试系统具有非接触测量的特点，同时测量精度高，动态范围大。对于位移量的测量而言，测量精度最低为入射激光的半个波长，通过细分后，可得到纳米级的测量精度（同时测量范围相应缩小）。这类系统价格昂贵，维护调整比较复杂，不适于集成到用于生产和开发光盘的测量系统中。因此，截至目前，LDV方法均处于实验研究阶段，尚未有过以LDV为核心的专用光盘测量系统的报道。另一种是采用电容传感器为核心构成的间接测试系统，该系统借用光盘的工作原理，通过测量光头的运动来间接测量光盘运动的方案中, 利用电容传感器测量光头运动而构成的测量系统广泛见诸于各类文献。该类方法的特点是不直接测量盘片本身的运动，而是测量光学伺服跟踪系统的光头的运动间接测量光盘轴向运动的，从测量光盘轴向偏摆的意义上看，这种方法考虑到了光学头和盘片之间的交互关系，这是该方法的一大优点。同时，用电容传感器容易构成小巧紧凑的测量系统，容易和信号处理部分集成。这种方法的缺点是测量精度不仅取决于电容传感器的测量精度，同时也取决于伺服系统的跟踪精度。由于在光学头中安装了电容极板，光学头的运动范围将受到限制；同时电容器极板安装在光头的运动部分将增加光头的质量，大大影响其动态响应能力。因此，为了弥补测量系统测量频带的不足，在轴向偏摆和加速度的测量过程中，往往需要降低光盘系统的主轴转速，而高转速下的光盘轴向偏摆和加速度通常是光盘系统设计者和光盘盘片提供者更为关心的问题。另外，由于电容值和介电常数相关，利用该方法进行测量需要经常对电容进行标定，当前这种类型的实际测量系统比较多见。在研究了当前实际采用的光盘轴向机械动态特性测试方法优缺点的基础上，本文研制了一种基于三角法的激光传感测量光盘轴向测量机械动态特性的系统，该系统在测试精度、测量效率、易用性等方面满足了生产线的要求，并具有较低的成本，利用激光三角法构成的位移测量仪器可以提供很高的测量精度和采样率。其中主要元件是激光传感器（如图1），这类传感器一般结构紧凑，有完善的信号传输接口和（或）通道, 因此极易集成到测量系统中。鉴于以上优点，用激光传感器构成的测量系统的整体性能很好。图1 激光传感器3光盘轴向偏摆误差的激光三角法测量系统的结构原理任何情况下的偏摆误差的测试系统都需满足一定的参数要求，设计人员应按照相关要求进行系统设计，以保证设计出来的测试系统能够符合既定的要求。这里的光盘轴向偏摆误差的测试系统参数要求如下：轴向偏摆测量范围：300Lm；测量误差：2.5%；测量参数的重复性测量误差在界定值的5%以内。1.下位微机系统 2.步进电机、驱动系统及精密丝杆传动装置 3.激光传感器4.精密夹头 5.高精度气浮轴承 6.圆盘光栅编码器 7.上位微机8.被测光盘 9.大理石防震台图2用激光三角法测量光盘轴向偏摆的结构框图利用激光三角法测量磁光盘轴向偏摆的测试系统的结构原理如图3所示。激光传感器是本测量系统的关键元件，它的测量原理就是激光三角法。在激光三角法中, 由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上, 通过反射最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时, 其所成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式,真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。激光三角法的框图如图3所示。其中： A是投影光轴与成像物镜光轴的夹角；B是光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角，而s和s分别是物距和像距，d是传感器上成像点的偏移，而D为实际的物体表面的偏移。系统的相关参数为：偏置距离（Stand-off Distance）D为从传感器到被测表面参考点的距离； 测量范围（Measurement Range)为最大能检测到的物体表面的偏移，即D的最大值；测量精度，传感器的最小测量单位；分辨率（Resolution）一般指测量的纵向分辨率(Vertical Resolution),为测量精度和测量范围之比；横向分辨率（Horizontal Resolution）为待测物体表面上所取测量点的最小间距。图3 激光三角法原理图测试系统的计算机控制与处理本测量系统的计算机控制与处理部分从功能上可以分成上位机和下位机两个相互独立而又相互联系的子系统。该系统的控制与处理流程图如图4所示：步进电动机启停、位置控制，主轴电机转向选择激光传感器高速采集卡I/O接口串口串口下位机人机界面（含GUI,键盘，鼠标等输入设备）本地数据库打印机上位机图4测试系统原理框图下位机子系统主要完成具体的控制任务，其核心是单片机。单片机系统硬件控制能力强、集成度高、便于构成能够完成特定控制功能的智能系统；上位机则主要完成人机交互、实时数据处理和数据库的功能，由高档PC机构成。利用PC机平台丰富的软件资源可以容易地实现图形化用户界面（GUI）、科学计算和复杂的数据库功能。上下位机之间通过串口通信，这样的系统设计是充分考虑了系统需求的结果，由于功能分层，有效降低了各功能层次(上下位机系统) 的设计难度；各功能层次相互独立，便于调试，在保证功能层次接口不变的前提下能独立、方便地完成各功能层次的升级.上下位机系统的工作情况。下位机系统是一个以高性能Intel51 系列CPU为核心的典型嵌入式应用系统。该系统通过串口和上位机通信：接收上位机的命令，向上位机发送各元件的状态信息(如步进电机到位、激光传感器开等)，这样上位机上操作者能够直观地了解系统的状态，并据此方便地控制整个系统的行为。上位机则主要提供软件支持，具体包括提供了图形化用户界面（GUI含控制面板）实时数字信号处理和数据库（存储、查询、统计、打印报表等）功能。上位机内置了带有2兆12位缓存的12位PCI 总线多通道高速采集卡（单通道时最高采样率可达120Ksps）。为了保证系统的安全，上位机和下位机在软硬件设计上均采用了防误操作设计，并针对各种意外在软件设计上也作了相应的处理。4测试步骤与测量流程该系统的具体测量步骤为：A安装待测光盘 由于光盘的轴向偏摆较小，减小夹头、主轴电机的偏摆和光盘安装误差对保证测量精度有重要意义。B. 设定测量转速和测量位置操作者通过上位机的控制面板，选择测量转速和测量位置，设定值发出后，下位机系统将控制步进电机将激光传感器移动到指定的位置。C. 光盘轴向机械特性测量上位机收到下位机的状态信息后，发出“采样”的命令并初始化采集卡，下位机接到命令后，启动激光传感器，并向上位机发出“启动”信号。上位机启动采集卡采集来自激光传感器的信号。采用激光传感器，该传感器技术参数为：采样频率50Ksps，响应频率20KHz，分辨率为0. 2Lm，量程为3mm。该传感器测量原理为激光三角法，从其技术参数看，它非常适合光盘的机械特性测量。D实时数字信号处理及测量结果实时显示上位机利用特定的算法对实时数字信号进行滤波、标度变换等数学处理，得到光盘的轴向偏摆。对光盘的轴向偏摆对时间求二阶导数可得光盘的轴向加速度。测量结果将实时地显示在计算机屏幕上。E数据库操作操作者可以选择是否将本次测量结果存入数据库。安装待测试光盘测定测量转速和测定位置测量光盘轴线偏摆误差测量结果实时信号处理和检测测量结果的数据库操作图5系统测量流程图5总结本文分析了光盘轴向偏摆误差对光盘性能的影响，通过对激光多普勒法、电容法和激光三角法测量原理的比较，可以看出激光三角法能够直接测量光盘的机械动态特性，并且在测量精度、采样频率和仪器易用性及性价比上是最适于测量光盘轴向机械特性的。本系统具有很高的测量精度，本文介绍的测量系统成功地将激光三角法用于光盘