【精品】电子测量论文

1、贵州民族学院电子测量技术激光干涉测长仪学 院一计算机与信息工程学院专 业 09 光 信 息班 级 09光 信 息姓 名张 家文学 号200907040054激光干涉测长仪摘要：本系统利用激光优异的单色性、方向性和高度相干性，光电传感器，移向电路，仪用放大整形, 细分辨向电路，单片机控制计数等完成了通过激光干涉来测量物体的t度。关键词：激光干涉光电传感器移向细分辨向计数目录一激光干涉仪基本原理及系统组成41激光干涉仪基本原理42激光干涉仪系统组成5二信号处理部分系统设计6总体原理图11三测试结果19四误差分析18五参考文献19系统原理图20一激光干涉测长仪基本原理及系统组成1激光干涉测长仪的基本

2、原理激光干涉测长的基本光路是一个迈克尔逊干涉仪（如图1）,用干涉条纹来反映被测量的信息。干涉条纹是接收面上两路光程差相同的点连成的轨迹。激光器发出的激光束到 达半透半反射镜p后被分成两束，当两束光的光程相差激光半波长的偶数倍时，它们相互 加强形成亮条纹；当两束光的光程相差半波长的奇数倍时，它们相互抵消形成暗条纹。两 束光的光程差可以表示为=艺必£rijlj1=1j=1式中®，厂分别为干涉仪两支光路的介质折射率;ijj分别为干涉仪两支光路的几何路程。将被测物与其中一支光路联系起来，使反光镜m2沿光束2方向移动，每移动半波长的长度, 光束2的光程就改变了一个波长，于是干涉条纹就

3、产生一个周期的明、暗变化。通过对干涉条纹变化的测量就可以得到被测长度。边克尔逊十涉仪单模稳频激光器图1激光干涉测长仪的原理图被测长度l与干涉条纹变化的次数n和干涉仪所用光源波长久之间的关系是(2)l = n-2式(2)是激光干涉测长的基本测量方程。从测量方程出发可以对激光干涉测长系统进行基本误差分析l n_ mln t即 8l = 3n + 3式中见，別和炭分别为被测长度、干涉条纹变化计数和波长的相对误差。这说明被测长度 的相对误差由两部分组成，一部分是干涉条纹计数的相对误差，另一部分是波长也就是频 率的相对误差。前者是干涉测长系统的设计问题，不是本书研究的内容。后者除了与前面 讲过的激光稳频

4、技术有关之外还与环境控制，即对温度、湿度、气压等的控制有关。因此 激光干涉测长系统测量误差必须根据具体情况进行具体分析。2激光干涉仪系统组成迈克尔逊干涉仪是激光干涉测长系统的核心部分，其分光器件、反射器件和总体布局 有若干可能的选择。干涉仪的分光器件原理可以分为分波阵面法、分振幅法和分偏振法等。激光干涉测长系统的另一个重要组成部分是干涉条纹计数与测量结果处理系统。干涉 仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程中可能需要正反两个方向的移动，或由 于外界振动，导轨误差等干扰，使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以干涉仪中 需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种脉冲。当测量镜正向移动时

5、所产生的脉 冲为正脉冲，而反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。将这两种脉冲送入可逆计数器进行可 逆计算就可以获得真正的位移值。如果测量系统没有判向能力，光电接收器接收的信号是 测量镜正反两方向移动的总和，就不代表真正的位移值。另外为了提高仪器分辨力，还要 对干涉条纹进行细分。为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90度的电信号输出, 一个按光程的正弦变化，一个按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相，翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。机械法移相原理图干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差开/2的干涉条纹的光强信号，该信号经放大,整形，细分及倒向等处理，可

6、以获得四个相位依次相差兀/2的脉冲信号。若将脉冲排列的 相位顺序在反射镜正向移动时定为1、2、3、4,反向移动时定为1、4、3、2；后续的逻冲门，便实现了判向的目的。同时经判向电路后，将一个周期的干涉信号变成四个脉冲输出信号。实现干涉条纹的四倍频计数，相应的测量方程变为l = n-8二信号处理部分系统设计系统原理框图:二各部分电路设计1光电传感器及移向系统移向系统我们采用最简单的模拟移相电路rc移相和lc移相，这里我们采用rc移相电路。因为这里需要移向90度，所以设计一个0180。超前有源移相电路。通过改变滑动 变阻器的阻值来改变移向。移向波形如图所示:dh侮oscilloscopexsc12

7、放大整形及电压抬升系统(1) 放大电路可以采用普通放大电路但是普通放大电路会受到其性能的影响，所以本设计采用低噪声的仪用放大器(用0p07构成)，电路结构简单，输入阻抗较高，放大 陪数可调且共模抑制比较高等，能达到系统电路设计的要求。电路如图所示:(2) 电压抬升电路：利用电压跟随器输入等于输出及加法电路的原理把输入信号正负的信号电压抬升到0v以上，便于数字电路信号处理。vee-15 v（3）整形电路：整形电路可以用集成运放构成斯密特触发器来进行整形，但是电路 相对来说有些复杂且波形有一些失真，所以这里运用普通的反相器（74ls04）来进行整形, 电路简单且波形较好。电路如图所示：、4、22&

8、#176;u1au2b74ls04d74ls04d74ls04du3c5亠u4c ： u5d ： u1di-183_»_ 4_» 6_ ：_74ls04d : : : 74ls04d : : : 74ls04d ：3单稳态细分电路：信号细分电路有称插补器，是采用电路手段对周期的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形, 幅值或者相位（两路相位相差90度）的变化规律，在一个周期内具有两个上升沿和两个 下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，从而得优于一个信号周期的更高的分辨力。高分 辨力是高精度的必要条件。四细分就是利用两路相位差90

9、度的信号的4个跳变沿，利用 单稳态触发电路在一个周期内输出4个脉冲。单稳态电路如图所示：输入.:u1:a：/勺也 40106 *text>- -<text>r1u1:b13 输出i 1 1 1 274ls08 <text>u2：a:c1 0.01uf *tbxt> 40,06i <tekt>四细分的波形如图所示:di gi tal oscilloscope四细分电路如图所示:输出 al、ao、b1、b0、四个脉冲信号，和（a10、aa相反信号）、（bio、bb相反信号）相位相差90度的信 号。4辨向系统：辨向机构的移动方向由a前进至c与由a后退至

10、b信号变化情况相同由e前进与由d后退信号变化情况相 同，难以根据单一信号辨向；为了辨向常需要两路信号。前进b在a前面w后退a在b前面根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据。如果a1出现在b为负的半周期，则a滞后于b,正向运动；如果a1出现在b为正的半周期，则a超前于b反向运前进后退动。综上所述这里的辨向是通过简单的与门和或门构成的。当传感器正向运动时，u10a 在一个信号周期内输出al、bl、ao、b0四个计数脉冲，实现了四细分。当传感器反相运 动时，由于a、b的相位关系发生变化，b超前a,这时u10d在一个信号周期内，输出ao、bl. al、b0四个计数脉冲，这四个计数脉冲分别出

11、现在b10、 a10、bb、aa为高电平的半周期内，同样实现了四细分。u10a、u10d随运动方向的改变交 替输出脉冲，输出信号utt、uff经信号调理电路处理得到相应的计数。辨向电路如图所 示： usa得到的加计数脉冲和减计数器脉冲: 加计数脉冲：减计数脉冲:5单片机控制及显示系统：利用单片机的两个外部中断来进行计数，即将输入信号产生的2路加减脉冲信号连接到单片机的p32和p33的2个外部中断进行计数设设置为下降沿触发，这种计数的效果是单片机的外部中断分辨脉冲的响应时间快，而且节省了很多的i/o和计数芯片。p32有计数脉冲时通过程序来处理使之做加法运算，p33有计数脉冲时通ln-过程序来处理

12、使之做减法运算。最后的通过公式8 计算出结果用液晶屏显示出来。本设计显示出计数脉冲的频率，显示的频率是模拟信号输入的频率的四倍（即四倍频）。显示电路图如图所示:rp8j2-1izazktal1xtal2rstpsen ale eapi ozt2 p1 1/t2exp1.2pi 3p1 4p1 5p1 6p1 7at89c52测试结果:po (mado po 1aad1 p0 2/ad2 p0 3xad3 po 4md4 po 5xad5 p0 6aad6 po 7xad7p2(ma8p2 1/a9 p2 2ia10 p2 3(a11 p2 4/a12 p2 5im3 p2&a14 p2

13、 7ia1539do2d1337d2436d35d4634d5733d6q22d7921亠：p3q/rxd p3irtxd p3.2nmt0 p3 3anttp3 4tf0 p3 5ft1p36wrp3 7/rdiq1模拟正弦波输入信号（300mv计的效果。测试效果图为:lcd1lm016l rext>*760hz）进行移向放大整形，细分判向都能达到设2得到的加减计数脉冲的频率是输入信号频率的4陪，测试用液晶显示的效果图如 图所示：显示的频率3050hzo其他数据记录情况:输入信号频率加计数脉冲频率输入信号频率减计数脉冲频率50hz200hz50hz200hz100hz400hz100h

14、z400hz150hz600hz150hz600hz200hz801hz200hz802hz250hz1002hz250hz1003hz300hz1202hz300hz1203hz400hz1603hz400hz1602hz600hz2405hz600hz2404hz700hz2806hz700hz2805hz800hz3210hz800hz3208hz900hz3611hz900hz3610hz1000hz4014hz1000hz4013hz1100hz4414hz1100hz4414hz1200hz4815hz1200hz4815hz1300hz5216hz1300hz5215hz误差分析

15、:激光干涉测长仪是一种计量仪器，自身的精度很高，在设计当中都要考虑一个问题的就是误差及补偿的问题，相位、频率、空气湿度压力，相对湿度温度及后级电路等的影响。激光干涉测长仪的误差为小于等于6. 98um.影响系统测量精度的主要误差主要有模拟电路的信号处理，数字电路信号处理，显示处理等。(1) 模拟电路信号处理误差主要由移向电路引起的，因为干涉条纹变化时频率也在 变化，移向电路设计是0到180度的移向，但是移向的相位还是有一定的误差。这里的误 差再通过放大电路误差就会相应增大，所以这里应该考虑一个相位补偿的问题，在设计当中没有考虑到这个问题。(2) 数字电路信号处理误差主要由四细分的辨向电路引起的，四细分是一个延时的问题，延时多少最合适得到的脉冲对计数是最佳的。所以还有考虑一个补偿的问题。还有 就是辨向电路是由与门和或门构成的，这里主要问题是竞争、冒险、波形抖动等的问题。 设计当中对这些问题的处理是通过小电容，和反相器来实现的，但是波形效果还是有很小 的抖动。如果设计当中完全用斯密特触发器型的反向器及门电路构成，或者细分及辨向电 路完全用fpga来做我想系统的误差会更小，系统会更理想。(3) 显示计数通过单片机的外部中断来进行计数，外部中断计数会有一定的随机误差, 这样