激光干涉式微位移测量系统的设计和研究 - 图文

重庆理工大学毕业论文 系统的硬件结构

3 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。图3.1给出了整个系统的硬件结构框图。系统硬件电路原理图详见附录1。

被测量

3.1光路部分

光路设计在基于激光多普勒效应的微位移测量仪中有着至关重要的作用，如果光路设计不好，光信号将不稳定，就不能发生混频现象或者混频信号微弱，后续电路也将无法工作。 3.1.1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

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驱动电路 控制接口 光电传感器 滤波放大 整形比较 计数器 单片机LCD 图3.1 系统硬件结构图

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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3.1.2 光路结构

图3.2给出了本仪器的光路结构示意图。图中He-Ne气体激光器发出的激光束经起偏器、1/4波片到达分光镜后分成两束光，其中一束光经前置透镜到达参考反射镜后回到分光镜，称为参考光束；另一束光经前置透镜到达被测物体，经被测物体反射，也回到分光镜，称为信号光束。因被测物运动，光束会产生多普勒频移，信号光束与参考光束产生的干涉条纹也会产生相应的移动，最后把干涉信号送入PIN光电二极管在光路中，起偏器和1/4波片两者光轴夹角为45度。激光经过起偏器后成为线偏振光再入射到1/4波片，则穿出波片的光成为圆偏振光。当光返回再次经过波片后成为与起偏器偏振方向垂直的线偏振光，不能透过起偏器进入激光器中，因此起偏器和1/4波片组成了光学隔离系统，阻止了参考光束和信号光束返回激光器干扰激光器的输出，从而使激光器的输出稳定。

[19]

。

图3.2 系统光路结构示意图

3.2 光信号检测电路 3.2.1 光电检测设计要求

在光电检测电路中，一般通过对光电二极管的微弱光电流的检测来获取有用

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信息，其原理是先将光信号转换为电信号，再将调制到光载波上的有用信号解调出来。通常光电二极管接收到的光信号很微弱,转换后的电信号也非常小，由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响，要做到精确测量有较大难度。因此，光电检测放大电路的性能对整个检测系统的性能起决定作用，是提高系统检测灵敏度和精度的关键。

光电检测电路由光电器件、输入电路和前置放大器三部分组成。光电器件有光敏电阻、光电池、光电二极管和光电三极管等多种, 它将被测的光信号转换成电信号。光电器件会产生一部分噪声，输入电路由电源、电阻、电容和电感等元件组成，它为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换(如将电流变换为电压)，和前置放大器的电路匹配。输入电路中的所有元件都会产生噪声。前置放大器可以采用三极管或场效应管等分立元件构成的放大电路，也可以使用集成运算放大器，它将转换后的微弱电信号进行放大，同时要与后面的信号处理电路的输入阻抗相匹配

[20]

。

为了使光电检测电路具有最好的性能，在设计上要满足三方面的要求: 一是输出信噪比高，电路噪声小；二是被测信号无频率失真，这就要求检测电路的通频带要足够宽；三是输出信号功率大，这就要求检测电路后面的电路输入阻抗与之相匹配。

3.2.2 光电检测电路设计

PIN光伏探测器的输出电流很小，易受干扰及噪声的影响，需要设计良好的低噪声前置放大电路对弱电流进行放大，以驱动后级电路工作。图3.2 是光电转换前置放大电路

[21]

。图中外反馈为工作于短路方式下的基本放大电路。这种外反馈

电路可使探测器对输入的光功率具有高的分辨率和的测量范围，并能减小电路噪声。其电压输出为: (3.1)

式中故

。

，f为信号哦频率，为反馈电阻，在信号频率范围内，,

因为PIN工作于短路方式，此电路大大降低PN结正向电流(即暗电流)带来的影响，并使光电二极管得到最佳的信噪比，被放大的信号只与光强成正比，图中虚框1内是在基本反馈电路基础上附加的内反馈电路,可用

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控制增益响

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应特性。

图3.2 光电检测前置放大电路

在直流情况下，该反馈由增益的乘积。合理的设置过大造成的直流误差。截至频率

脚分布如图3.3。

上的

断开，此时放大器的开环增益是两个放大器开环比值有减小噪声带宽的功效。图中

是为了补偿

是为了去除它上面的杂散噪声。的确定要根据

来计算。运算放大器选用了高输入阻抗的OPA627。管

图3.3 OPA627管脚图

具体参数如下: 失调电压：40μV ； 失调电流：0.5pA ； 温度漂移：0.4μV/ ℃； 转换速率：55 V/μs ； 带宽：80 MHz。

OPA627对信号调理电路的信噪比及带宽有重要作用。根据要求取=800pF，

=2MΩ，

=100kΩ，=0.1uF，=50kΩ，

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=1kΩ，=1uF。