毕 业 设 计（论文）
题目 激光干涉式微位移测量系统的
研究与设计
二级学院 电子信息与自动化学院 专 业 测控技术与仪器
班 级 测控技术与仪器2班
学生姓名 贺 斌 学号 10707030209 指导教师 职称 时 间
重庆理工大学毕业论文 目录
目录
摘要.................................................................................................................................... ?
Abstract ........................................................................................................................ II
1 绪论............................................................................................................................. 1
1.1课题的主要任务、内容及意义 .................................... 1
1.1.1 课题主要任务和意义 ...................................... 1 1.1.2 课题主要内容 ............................................ 1 1.2 课题研究背景.................................................. 1
1.2.1 位移检测 ................................................ 2 1.2.2 多普勒效应 .............................................. 2 1.3 国内外基于激光原理的微位移测量技术的发展现状.................. 3 1.4 光学微位移测量的几种方法...................................... 3
1.4.1 光外差法 ................................................ 3 1.4.2 电镜法 .................................................. 3 1.4.3 激光三角测量法 .......................................... 4 1.4.4 干涉法测量 .............................................. 4 1.5 系统方案...................................................... 4
1.5.1 全息干涉测量 ............................................ 5 1.5.2 散斑干涉测量 ............................................ 5 1.5.3 光栅位移激光多普勒测量 .................................. 6 1.6 系统主要完成的工作............................................ 7 1.7 本章小结...................................................... 7
2 系统的测量原理........................................................................................................... 8 2.1 光路部分...................................................... 8 2.2 光信号检测部分................................................ 9
2.2.1 混频技术 ................................................ 9 2.2.2 PIN光电二极管.......................................... 11 2.2.3利用PIN光电二极管检查光信号............ 错误！未定义书签。 2.3 本章小结..................................................... 14
3 系统的硬件结构........................................................................................................15 3.1光路部分 ..................................................... 15
3.1.1光源的选择.............................................. 15 3.1.2 光路结构 ............................................... 16 3.2 光信号检测电路............................................... 17
3.2.1 光电检测设计要求 ....................................... 17 3.2.2 光电检测电路设计 ....................................... 18
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3.3信号调理电路 ................................................. 18
3.3.1滤波电路................................................ 19 3.3.2 主放大电路 ............................. 错误！未定义书签。 3.3.3 方波整形 ............................... 错误！未定义书签。 3.4 计数处理电路................................................. 21
3.4.1 芯片介绍 ............................................... 22 3.4.2 电路设计 ............................................... 24 3.5 信号处理部分及显示........................................... 24
3.5.1 单片机AT89S52介绍 ..................................... 25 3.5.2 16ⅹ2LCD液晶显示器介................................... 27 3.5.3 数据处理及显示接口电路 ................................. 28 3.6 本章小结..................................................... 30
4 系统软件的设计..........................................................................................................31 4.1 软件开发环境................................................. 31 4.2 整体软件设计................................................. 32 4.3 启动检测程序................................................. 32 4.4 位移测量程序................................................. 33 4.5 测量辩向程序................................................. 34 4.6 LCD显示程序 ................................................. 35 4.7 本章小结..................................................... 36
5仿真调试与分析.............................................................................. 错误！未定义书签。 5.1 前置放大调试................................................. 37 5.2 滤波电路调试................................................. 38 5.3主放大电路和整形电路调试 ..................... 错误！未定义书签。 5.4 单片机AT89S52及LCD液晶显示仿真调试......................... 39 5.5 实物调试..................................................... 41 5.6 本章小结..................................................... 41
6 结论..............................................................................................................................42
致谢..................................................................................................................................43
参考文献..........................................................................................................................44
附录..................................................................................................................................46
文献综述..........................................................................................................................58
重庆理工大学毕业论文 摘要
摘要
随着近代工业的迅速发展，微位移测量变得十分重要，且现代工业技术的发展对微位移测量的精度和方式提出了更多更高的要求。因光学干涉测量具有更高的测试灵敏度和准确度，其得到了广泛的发展。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。该系统由硬件和软件两部分组成。硬件电路包括光路部分、光信号检测部分、计数处理及判向部分、信号处理及显示部分。系统使用相干性更好的He-Ne激光器作为光源，采用PIN光电二极管作为条纹拾取工具，配以硬件的条纹计数处理及判向电路，最后由单片机处理数据，得出被测物的位移量并通过液晶屏显示。系统软件设计采用AT89S52芯片执行监控程序。程序设计采用灵活的C语言实现。
关键词: 多普勒效应 微位移 PIN光电二极管 AT89S52
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重庆理工大学毕业论文 Abstract
Abstract
With the rapid development of modern industry，micro-displacement measurement become very important.and the development had proposed higher and more demand of the accuracy and means of displacement measurement . as one of measurements of optical interferometry ,the measurement of Laser Doppler Effect has many unique advantages of fast dynamic response, linearity, measurement range, precision and so on . With these advantages, it has been more widely used and has a good prospect. To meet the non-contact displacement measurement, high accuracy and other requirements,this paper designed a test system based on laser Doppler effect of the micro-displacement. compared to traditional micro-displacement measuring instrument,It have greatly improved accuracy, error, sensitivity and stability And realized the automatic non-contact micro-displacement measurement. The system consists of hardware and software components. the system use a better coherence He-Ne laser as the light source, PIN photodiode was used as a tool to pick up stripes, Microcontroller to process data and obtained displacement of the measured object and through the LCD screen to display with hardware circuit. AT89S52 chip is the implementation of control procedures. System to achieve programming by flexible C language.
Key words: Laser Doppler Effect micro-displacement PIN photodiode AT89S52
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重庆理工大学毕业论文 绪论
1 绪论
1.1课题的主要任务、内容及意义 1.1.1 课题主要任务和意义
本课题的主要任务是设计制作一个高精度激光干涉式微位移自动测量系统。 课题研究的意义在于：随着近代工业的迅速发展，对计量测试技术的精度、效率和自动化的要求越来越高，并向着动态、在线、实时等方向发展。一些航空领域的测试，要求在持殊的条件下进行，如高温、高压、高速、放射、腐蚀介质或小空间等;在机械工业中，为提高精密加工机床的精度，结构的稳定性和可靠性，要求检测其在承载条件下工作机的动态形变，如大机械的动态变形场(如大型发电机或各种大型机械主轴在运转过程中的变形)、机床导轨在工作中的形变等;在建筑工业中，侨梁承载下的变形场检测、大坝，船舶等工程结构变形状况的检测等，以及对滑坡、地陷、雪崩、地基崩塌等地质灾害的监测都需要进行测量，以获得测量对象的动态测量信息。就这些方面的微位移测量而言，一方面传统的接触式测量技术跟不上现代工业机械加工、材料加工的非接触测量要求，另一方面，传统的静态测量技术同样满足不了现代测试技术中主动测量的要求。因此，在航空、军工、机械等各个领域中的许多测量，非接触式微位移测量方法应用广泛，也起到了十分重要的作用。 1.1.2 课题的主要内容
课题的主要内容包括：完成基于多普勒效应测距的原理分析；提出激光干涉式微位移测量系统的设计方法；完成该系统机械结构和硬件电路设计；完成该测量系统的程序设计，仿真调试最终完成整个自动位移测量系统。 1.2 课题研究背景 1.2.1位移检测
位移是指物体位置对参考点产生的偏移量。位移测量包括线位移或角位移。线位移是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量。它是描述物体空间位置变化的物理量。若物体沿直线方向运动的位移量称之为直线位移，它是描述物体在平面内直线位置变化的物理量。对于线位移而言基本与长度测量为同一范畴，人们习惯上常把某一固定的测量如物体的长度直径等称之为长度测量，而把在工作中变化的尺寸测量称之为位移测量，所以测量长度及位移的仪表往往在一定条件下可以通用。
位移测量技术是振动、压力、应变、加速度、温度、流量等测量技术的基础。这是因为在众多的物理量中位移与其它机械量相比是既容易检测又容易获得高精
1
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重庆理工大学毕业论文 绪论
度的检测结果。所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移量来检测的方法。例如将压力转换成膜的位移、将加速度转换成重物的位移等。因此人们在很早以前就认识到测量位移的重要性，位移测量也是精密计量领域中的一个重要分支。
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。 1.2.2 多普勒效应
多普勒效应(Doppler effect)是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。多普勒认为，物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高。在运动的波源后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据光波频移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒频移的程度一般都很小。具有波动性的光出现的这种效应，又被称为多普勒一斐索效应。因为法国物理学家斐索(1819～1896年)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移;如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。
1964年Yeh和Cummins首次观察了水流中粒子的散射光频移，证实了可以利用激光多普勒频移技术来确定流体速度以来，激光多普勒技术以它精度高、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点得到了长足的发展。在Yeh和Cummins之后，Foreman和Georeg等人进一步论述了多普勒技术的原理、特点及其应用，使该项技术得到初步的实用化，不仅可以测量液体流速，还可以测量气体的流速。七十年代是激光多普勒技术发展最为活跃的一个时期，Durst和Whitelaw提出的集成光学单元有了进一步的发展，使得该系统的光路结构更为紧凑，调整也很方便，光束扩展、偏振分离、频率分离、光学移频等近代光学技术在激光多普勒技术中得到了广泛的应用，信号处理采用了频率跟踪、锁定放大、计数处理、光子相关及其它一些方法，同时设计和开发了相应的信号处理器，使LDV(激光多普勒
2
[2]
重庆理工大学毕业论文 绪论
测速)测量应用更为广泛。1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速仪国际讨论会”标志着这一技术的成熟[3]。
1.3 国内外基于激光原理的微位移测量技术的发展现状
自20世纪70年代末SELCOM公司制造并销售第一批激光测量微位移仪器(简称测微仪)以来,国际上除了SELCOM以外,日本的安立、美国的Keyence、MTI 、Instruments、德国米铱测试技术公司等都在生产许多高精度,快速测量仪[425]。其中安立公司生产的高精度系列的测量范围为80μm到40mm,精度为全量程0.1%；Keyence公司的LK系列激光测微仪中精度最高的LK2011精度能达到0.1μm。 米铱测试技术公司的德国米铱optoNCDT 2200高响应高精度激光位移传感器测量范围为2—200mm;分辨率能达到全量程的0.005%[4][5]。
而国内在该领域中的研究起步较晚，水平还比较低,但比较比较活跃。在生产测微仪方面,国内的公司比较少。其中率先开发出产品的是中国科技大学精密机械及精密仪器系的李胜利教授等人，在1995年研制了JW型测微仪，他们的测量精度有0.5μm，1μm，5μm三种,但测量范围最大仅5mm。另外比较有名的是深圳亨利新实业有限公司,它依靠华中科技大学的技术，生产的LT系列激光精密测微仪,其按量程和精度可分为三档:(1)高精度、小量程—1μm、1mm(2)中精度、中量程—0.01mm、10mm；(3)低精度、大量程—0.3mm、300mm[6]。 1.4 光学微位移测量的几种方法
光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。按使用光学的原理不同分为以下几种方法： 1.4.1 光外差法
光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。 1.4.2 电镜法
电镜法是利用电子显微镜直接得到被测表面的微位移。但目前其产品体积大，且局限于在实验室研究使用，不能用于加工生产现场。 1.4.3 激光三角测量法
3
[8]
[7]
重庆理工大学毕业论文 绪论
三角法测量法是种传统的测位移方法，将被测物表面与光源及接收系统摆在三个点，构成三角形光路。其工作过程主要是:激光光源发出的光束经透镜照射被测物体表面上；光线由物体表面漫反射，一部分被光电接收系统接收。如果物体表面高低不平，则在光电接收探测器的光敏面上的光斑有一定的移动，根据三角形相似原理可求出物体表面的位移[9]。 1.4.4 干涉法测量
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[10]。
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。 1.5 系统方案
目前干涉测量按测量对象不同大致可分为三类: 1.5.1 全息干涉测量
全息干涉计量方法比普通干涉计量具有更高的灵敏度和精度，特别适用于物体微小变形、微振动的测量。它利用全息照相可以记录和再现物体光波的能力，在干版上记录和比较物体两个状态产生的光波干涉，以得到的干涉条纹来实现测量[11]。全息干涉计量可以测量任何形状的物体的位移和变形或物体表面状况的位移和变形。一个粗糙的机械零件或实物无需表面处理就可以直接进行测量。二次曝光全息干涉术是在物体位移或变形测量中最常用的方法，图1.1给出了表面形变二次曝光全息干涉原理图。它是在一张全息记录干版上对物体的两种不同状况(载荷、温度、压力等)进行记录，从而把物体在这两次曝光间的相对位置变化作为永久记录保存下来。由于全息照相可以把物体的光波记录下来，因此，两次曝光便把同一物体在这两种状态下的不同空间位置的物体光波记录在同一张底片上，当处理完的底片用激光再现时，这两个光波会同时再现，由于两次曝光间物体的位移或形变产生的光程差导致干涉现象，因此在空间产生干涉图案。二次曝光全息干涉法是把变形前后的波面都冻结在全息干版中，因而再现观察带有永久性冻结、记录的意义。而单次曝光法，要求先记录一张原始的物光波面的全息图，经处理后，将其精确复位出和记录时相同的位置，然后用参考光束和原物光束分别照明全息图和物体，观察者通过全息图进行观察时，将同时接收到全息图再现
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重庆理工大学毕业论文 绪论
的物体虚像光波以及由物体散射的并透过全息图的光波。如果物体没有任何形变，这两个光波则完全相同，呈现零场干涉状态，如果物体发生形变或微小位移，则形变的实时漫散射光将和未形变前的原始光波相干涉，形成反映物体形变与位移的干涉条纹图。单次曝光只冻结形变前的物体波面作为标准比较波，变形物体的波面则是实时产生，具有实时、连续观察整个过程的特点。
图1.1 表面形变二次曝光全息干涉原理图
1.5.2 散斑干涉测量
散斑双光束法一般用来测量面内位移量，其示意图如图1.2所示[12]。待测物体被两束准直相干光照明，并由照相机成像，两束光与yz平面成相等角θ入射到S上。每一束入射光产生一束散斑波前，故有两束散斑波前射到照相底片上。
图1.2 散斑干涉测量面内位移
于是，针对每一物点，都存在两条相干于像平面的光线。这样就获得一幅对整个物体的散斑图，再由照相底片记录下来。当物体发生变形时，各点的位移使两散斑波前产生相对的相位变化。对两束光来说，沿观察方向位移所引起的光程变化，与沿Y方向的面内位移所引起的光程变化是相同的，因此，相对相位变化只是由沿x方向面内位移所致。
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重庆理工大学毕业论文 绪论
双光束散斑干涉计量要求有严格的机械防震设施，主要缺点是散斑条纹的像质较差。
1.5.3光栅位移激光多普勒测量
图1.3给出了光栅移动时衍射光束的多普勒效应原理示意图。设光的入射角为i，光的频率为，波长为λ，第k(k=0，士1，土2)级衍射光的衍射角为光栅的运动速度为V，光栅常数为d。则根据多普勒效应原理，第k级衍射光的频率为:
(1.1)
式((1.1)中，从而衍射光栅的第k级衍射光束的多普勒频移，可见，光栅的多普勒频移只与栅距d，衍射级次k和它的运动速度V有关，与光波长无关[13]。衍射级次越高则频移越大，零衍射级的频移值为零。光栅的位移测量就是通过差频的方法检测衍射光的多普勒频移值实现的。可以采用光电接收器检测多普勒频移值，光电检测器一般都基于平方律设计，对高频信号无响应，因此光电检测器输出的交流信号频率即是两束光的频差
。对这一信号进行脉冲计数，就可以
得到光栅的位移X: X=Nd，N为条纹计数。衍射光栅的多普勒信号具有信号强、信噪比高、抗干扰能力强等优点，而且它的多普勒频移与光的波长无关。因此光栅多普勒方法容易实现遥测，对于在车间条件下精密机械的横向位移遥测具有重要意义。
i 光栅
图1.3光栅衍射示意图
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。激光多普勒测量有以下的优点:
1.空间分辨率高。 2.测量精度高。
3.多普勒频移与位移成线性关系。
6
重庆理工大学毕业论文 绪论
4.动态响应快，信号用光来传递，惯性极小，可以进行实时测量。 5.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。 1.6 系统主要完成的工作
确定系统的理论基础是多普勒效应测量原理以后，根据这一原理设计相关硬件电路和软件程序。测量电路以单片机AT89S52为控制核心，配合相关硬件电路，进行信号采集与数据处理，完成对被测物微位移的自动测量。主要工作包括设计硬件电路和软件监控程序。硬件设计有光路的设计、PIN光电二极管检测部分的设计、信号调理、计数处理及判向电路的设计、信号处理及显示的设计。软件设计主要是监控测量的启动停止以及位移的数字化还原显示。 1.7 本章小结
本章首先明确了系统设计的任务要求和目的，介绍了相关研究背景、国内外激光微位移测量的现状，在此基础上提出了三种干涉测量微位移的方法，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。
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重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
2 系统的测量原理
2.1 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[14]。光源发射一束光入射到运动物体表面(如图2.1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:
(2.1)
为入射光和运动方向夹
式(2.1)中为光源辐射频率，u为运动物体表面速度，
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
光源 接收器 运动体
发射出来，在
图2.1 多普勒效应原理示意图
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:
(2.2)
式（2.2）中
因为在关心的速度范围内
,对上面的展开式取一级近似
8
重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
（2.3）
把式（2.3）带入（2.2）中得
忽略式中的高次项，得
（2.4）
所以速度为u的运动体产生的多普勒频移为
(2.5)
用同样方式可得到
（2.6）
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
(2.7)
=
=
对式(2.7)两端时间积分得:
(2.8)
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。 2.2 光信号检测部分
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重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
2.2.1 混频技术
收音机是用超外差技术检测无线电信号的。天线接收的信号同收音机内部的本机振荡信号混合，一同加到平方律检测器上，得到的输出信号频率等于外来信号频率与本机振荡频率之差。无线电超外差技术可以推广到光频信号，因为现在的光检测器件都是平方律检测器，只对光强敏感，而光强是光波振幅的平方，并且大部分检测器都是高频截止的器件
[16]
。例如光电倍增管。与光电倍增管配合使
用的电阻、电容回路决定着其有一定的通带响应宽度，一般截止频率小于109HZ，即使不考虑RC回路，光阴极接收光信号产生电子，形成电子一空穴对也需要一个最小时间，这个时间称为电子一光子相互作用时间，量级约在义上升时间的方法计算，也很难找到响应带宽高于前光检测器件都不能直接响应光频(列波表达式为成波的振幅为
式(2.9)中，E1，E2是两入射波的振幅，是两入射波的初相位。当相差
（2.9） 是两入射波的角频率，
s,按照通常定
HZ的光电倍增管，因此目
HZ)，而是检测其差拍信号。
，则合
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
另一列波表达式为
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(2.9)有
(2.10) 反映在图形上即为图2.2所示
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重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
图2.2 频率相差不大的两列波形成的驻波列
式(2.10)所示的信号经过具有高频截止功能的光电检测器后，频率高于信号都不能通过，式(2.10)中的前三项只能输出其平均值。1/2 ，
的平均值是0，因此式(2.10)最终成为
(2.11)
的
的平均值是
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。图2.4给出了理论上光电检测器输出的信号波形图。
图2.3 光电检测器输出的信号波形
光学混频技术是一种光干涉技术，两束光相交后，以波动的振幅相加，而不是在叠加的界面上强度相加，所以这两列波必须满足干涉的条件，即时间相干性和空间相干性，偏振方向要一致，并且初始相位差必须是稳定的。在式(2.11)中输出信号的初位相差为
，如果
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中任何一个(或两个)随机变化，
重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
成为一个随机变量，就不可能利用光学混频技术得到仅与差频相关的正弦
输出[16]。
2.2.2 PIN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:
(2.12)
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。图2给出了PIN光电二极管的等效电路。它包括光电流，暗电流，结电阻并联。其中暗电流对应于工作电压下没有光照时的输出电流，值远小于负载电阻
，通常可以忽略。
，结电容
的
为串联电阻，其
图2.5 PIN光电二极管伏安特性
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重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
在应用时，要求光伏探测器工作在线性范围内，因此必须保证不受工作温度的影响。
>>>>，
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
图2.6 PIN光电二极管的等效电路
2.2.3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1 MHz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
[18]
。
（1）提高响应度与输出的线性
图2.7 光电转换原理图
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。
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重庆理工大学毕业论文 系统的测量原理
典型的光电转换电路如图2.7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效输入阻抗为:
式中Ω。
(2.13)
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
是运算放大器的开环输入阻抗，对场效应管输入的情形，
大于106 ，将这些值代入式（2.13）可知
的
是开环放大倍数, 一般
值很小，接近于0 Ω（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故运放的输出电压为
(2.14)
很大(虚断) ,光电二极管的电流都流入了反馈电阻,
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:
带宽
(2.15)
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
。由此可见 越大，
。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
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。
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（3）放大电路频带宽度与响应速度的提高
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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。
2.4 本章小结
原理分析是系统设计的基础我准备。本章给出了系统设计中的一些理论原理介绍，包括利用多普勒频移测位移的原理；测量传感器用到的混频技术原理；传感器的工作原理；传感器测量原理以及实现系统功能的计数和辩向原理等，通过原理分析理解能为整个系统设计提供清晰的思路和为硬件电路设计做好准备。
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重庆理工大学毕业论文 仿真调试与分析
精确小数点后五位即分辨率为10um。Keil调试生成HEX文件， 将该文件调入proteus仿真单片机AT89S52中，并设置两个相同同频率输入信号，显示位移如图5.7。
图5.7 测量未启动时LCD显示
调整参考信号和测量信号频率不同，设置频率差为10khz，仿真显示位移如图5.8。
图5.8 测量启动后LCD显示
此时t=2.55s,显示值为L=7.73787 m，根据式（2.9）计算L’=△t*△v*λ*1/2=10k
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重庆理工大学毕业论文 仿真调试与分析
×2.55×632.8××0.5=7.9215 m;误差=L’-L=7.9215-7.73787=0.18363 m。
分析误差存在于程序执行启动判断时，由于频率差和切换数据选择器的时间差导致判断区域的不确定，导致读取的计数值存在一个误差最终导致位移值存在误差。 5.5 实物调试
根据电路设计图，选择器件，焊制电路，使用ISP下载器将编译好的HEX文件烧写到AT89S52单片机中，上电后接入两路频率差正弦信号，调试后结果和理论基本相符，调试测量启动前和启动测量显示数据详见附录3。调试效果如图5.9。
图5.9 实物效果图
5.6 本章小结
本章首先通过前期硬件设计链接电路，分别对光电检测前置放大电路、滤波电路、主运放电路、计数器电路、单片机测量进行软件仿真测试，仿真结果满足系统要求。最后通过实物元器件焊制电路板，检测调试，最终基本满足系统自动测量位移要求。
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重庆理工大学毕业论文 结论
6 结论
本系统设计从原理分析、硬件软件设计、仿真到最终实物调试，结果达到了激光干涉测量微位移的要求，自动测量精度达到了10um。但由于作者能力时间有限，光路系统安装要求较高和光学器件昂贵难配置等原因，只对系统光电检测器输出信号以后进行了仿真制作调试。
作者在整个系统设计中，包括前期系统设计的原理分析，硬件电路设计，软件程序流程设计，且在此基础上应用proteus、keil对系统进行硬件仿真和软件开发调试，以及到后期电路板的焊制以及实物调试，通过不断请教导师，查阅资料，网络视频学习等多种途径进行学习思考。过程中遇到各种各样的难点和不解，有各个环节中的问题，也有部分与部分之间存在的问题。如为什么要设计前置放大电路，运放的选择和设计，主运放的放大倍数确定要考虑前置放大的输出电压和后序整形74LS14的阀值电压等等。在实物电路板的焊制和调试中也遇到很多问题，如器件摆放不够优化，焊点大小不齐虚焊多。当载入程序调试时LCD没有反应且一块芯片段时间内发烫，后参照电路图逐步检查发现LCD的背光接地线接到正极，发烫芯片引脚短路等等。
通过完整的设计和制作一个系统，作者看到再简单的理论也要和实际运用相结合且要考虑到实际制作中遇到的一些问题加以改进，多动手，勤思考，多向老师同学交流才能促进进一步提高。
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重庆理工大学毕业论文 致谢
致谢
光阴似箭、岁月如梭，四年的时间如白驹过隙转眼到了毕业的时间。借此论文脱稿之际向四年来一直关心和支持我的导师同学及亲人表示我由衷的感谢。感谢一直指导我的邢德周老师。老师严谨求实的治学态度和孜孜不倦的探索精神以及诲人不倦的敬业精神给我以深刻的影响，无论是在工作学习还是在生活中老师们博大精深的知识造诣，敏锐的观察思维能力，严谨的治学态度，求实创新精神指引着我们前进的方向，带领我们一步步迈上成长路上的新台阶。这里谨向尊敬的老师们致以深深的谢意。
最后要特别感谢我的父母和亲人，我取得的每一点进步都离不开他们的支持感谢父母多年的养育和教诲以及对我学业的支持和鼓励。
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重庆理工大学毕业论文 参考文献
参考文献
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