光電測尺的數(shù)字顯示設(shè)計(jì)

廣西南寧地區(qū)教育學(xué)院 伍瓊芬 施家添 李素玲

光電測尺的數(shù)字顯示設(shè)計(jì)

廣西南寧地區(qū)教育學(xué)院 伍瓊芬 施家添 李素玲

光電測尺，即激光準(zhǔn)直檢測儀，對它的研制起源于橋式起重機(jī)的安全性檢測。橋式起重機(jī)是工程中廣泛應(yīng)用的大型起重運(yùn)輸機(jī)械，且經(jīng)常用于關(guān)鍵崗位。作為主要受力構(gòu)件的主梁，其安全性不僅影響到生產(chǎn)能否正常進(jìn)行，甚至?xí)＜叭松戆踩虼?，國家?guī)范不僅明確規(guī)定必須定期檢測，而且對檢測要求甚高；而具體實(shí)施中，檢測手段卻相當(dāng)簡陋，要求與現(xiàn)實(shí)差距很大。若采用高精度裝置，則因其現(xiàn)場使用不便，裝置價(jià)格昂貴而無法普遍使用。因此，筆者根據(jù)實(shí)際情況，指出如下研制思路：光電測尺的數(shù)字顯示要適合規(guī)范要求的精度，且現(xiàn)場使用方便，價(jià)格適中，便于推廣。

一、相關(guān)原理

1. 光電檢測原理。光電檢測裝置主要由光電傳感器進(jìn)行測量，見圖1。光電傳感器的作用原理是：光源產(chǎn)生光通量，光通量的參數(shù)（如輻射能流的橫截面積、光譜成分及光強(qiáng)度等）受被測對象控制，然后由光電器件接收再轉(zhuǎn)變成電參數(shù)的變化進(jìn)行測量。

2. 光電測尺的構(gòu)造及工作原理。光電測尺采用激光光束作為基準(zhǔn)，充分發(fā)揮了激光直線性好、光強(qiáng)高、在較遠(yuǎn)距離仍能保持一定光強(qiáng)的特性。但光束有一個(gè)擴(kuò)散角，到一定距離后光斑直徑較大，不便采集，因此，根據(jù)檢測距離，壓縮發(fā)散角以調(diào)整光斑直徑作為研制工作的第一步；得到適當(dāng)?shù)墓獍咧睆胶?，采用集光、機(jī)、電為一體的測尺，一步實(shí)現(xiàn)檢測，這是裝置的關(guān)鍵所在和創(chuàng)新之處。利用這套裝置，研究人員先后在現(xiàn)場完成l1臺雙梁橋式起重機(jī)箱形主梁的變形檢測，達(dá)到了預(yù)期效果，并有普遍推廣價(jià)值。研究人員還進(jìn)行過電梯軌道、起重機(jī)軌道的平直度檢查，也是成功的。從原理上講，大型結(jié)構(gòu)平整度完全可以用它進(jìn)行檢測；經(jīng)過改裝，還可以用于橋梁、高層建筑的位移監(jiān)測。裝置原理見圖2。

3. 光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。采用激光準(zhǔn)直儀由半導(dǎo)體激光器及電源、小型單筒望遠(yuǎn)鏡、孔徑約1 cm 的圓光闌、二象限光電池、2個(gè)可正、負(fù)顯示的小量程數(shù)字電壓表、導(dǎo)軌和3個(gè)調(diào)節(jié)架組成，見圖3。其中，半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生紅色激光，倒置望遠(yuǎn)鏡用于對激光器發(fā)出的激光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，圓光闌可起到控制光斑直徑大小及獲得近似的軸對稱圓光束的雙重作用，二象限光電池用于檢測激光束中心相對其中心的位置。激光準(zhǔn)直儀檢查導(dǎo)軌的平直度的原理：由可見紅光的半導(dǎo)體激光器配上單筒望遠(yuǎn)鏡及合適孔徑的圓光闌，經(jīng)調(diào)節(jié)可形成一束與導(dǎo)軌軸平行且有一定截面積大小的基準(zhǔn)光束。實(shí)驗(yàn)表明，從光闌射出的軸對稱圓光束在強(qiáng)度和光強(qiáng)分布上均能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。光路調(diào)節(jié)好后，當(dāng)裝有二象限光電池的調(diào)節(jié)架在導(dǎo)軌上由近及遠(yuǎn)（或相反）移動時(shí)，可由照在二象限光電池上光斑的上下、左右偏移而引起2個(gè)電壓表讀數(shù)正負(fù)和大小的變化來檢驗(yàn)導(dǎo)軌是否有高低起伏或扭曲。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)原理。數(shù)字化顯示的工作原理是：光電測尺的內(nèi)部電源是2塊并行連接的硅光電池，用激光照射時(shí)，如果光斑在2塊光電池的照射面積不同，2塊光電池產(chǎn)生電勢差且在回路閉和時(shí)產(chǎn)生光電流（即在傳統(tǒng)顯示時(shí)的表盤指針偏轉(zhuǎn)）?；诖搜芯空甙褍?nèi)部的電路的微光電流信號引出進(jìn)行電流補(bǔ)償，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由數(shù)碼管或者液晶片顯示出來。

電路設(shè)計(jì)、由以下幾部分組成：微光電流補(bǔ)償電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字顯示功能塊和為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的電源電路，見圖4。在設(shè)計(jì)過程中，該設(shè)計(jì)使用的最核心的部分是具有高性能、高輸入阻抗和良好的線性A/D轉(zhuǎn)換特性的芯片UP5035A。

由于外部的干擾，在沒有光信號輸入的情況下，數(shù)字表仍有示數(shù)。為了提高檢測的精度，必須設(shè)計(jì)電路進(jìn)行補(bǔ)償。

在設(shè)計(jì)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的電源電路時(shí)，要將為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的電源電路和微光電流補(bǔ)償電路兩部分分開設(shè)計(jì)，這樣既確保了精度又簡化了電路的設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)最終組裝完成的儀器由3部分組成，即探測頭部分、游標(biāo)卡尺部分和主機(jī)顯示部分，見圖5。探測頭部分的主要材料是二象硅光電池，受到光照射刺激時(shí)所產(chǎn)生的光電流會經(jīng)一根細(xì)導(dǎo)線引入主機(jī)顯示部分。游標(biāo)卡尺的可動游標(biāo)端和探測頭粘連在一起，因此移動游標(biāo)卡尺的可動游標(biāo)端時(shí)，探測頭也會相應(yīng)地移動，并且移動的距離可以讀出來。主機(jī)顯示部分的主要外觀組成是液晶顯示屏（可以進(jìn)行3位半的顯示），機(jī)體表面的另外2個(gè)旋鈕分別是主機(jī)的開關(guān)和顯示的調(diào)零旋鈕（用于每次使用前對顯示示數(shù)進(jìn)行調(diào)零），其中主機(jī)和探測頭由細(xì)導(dǎo)線連接。

2. 實(shí)驗(yàn)精度測定?？紤]到對橋式起重機(jī)及電梯使用過程中的安全性、可靠性的檢測，對檢測精度只要求到毫米數(shù)量級。實(shí)驗(yàn)設(shè)主要有邁克爾遜干涉儀、半導(dǎo)體激光器以及光電測尺等，見圖6。

實(shí)驗(yàn)的基本過程如下：實(shí)驗(yàn)前先將主機(jī)顯示部分的示數(shù)調(diào)整為0，設(shè)定激光器到探測頭的距離（如15 m）。首先調(diào)節(jié)干涉儀使得顯示的示數(shù)再次為零，然后調(diào)節(jié)干涉儀，使得示數(shù)變?yōu)槟骋粩?shù)值時(shí)，記錄下干涉儀的實(shí)驗(yàn)臺部分移動的距離，再調(diào)節(jié)探測頭主體部分的游標(biāo)卡尺，使顯示的示數(shù)變?yōu)?并記錄下游標(biāo)卡尺移動的距離，最后比較兩距離，得到其差值。改變激光器到探測頭的距離，進(jìn)行多組測量實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，共測量了3組數(shù)據(jù)，其中2組測量電流，1組測量電壓。經(jīng)初步的數(shù)據(jù)分析和處理，可以得到如下結(jié)論。

對2組電流測量值分析可得：激光斑中心正對二象光電池的中心線時(shí)，電流表示數(shù)為0。證明本課題的題設(shè)結(jié)論成立。當(dāng)激光斑照射到光電池表面的電極上（即白線附近）時(shí)，電流表的示數(shù)出現(xiàn)極小值。其原因是在白線附近，光電池表面涂滿了導(dǎo)電物質(zhì)，而感光材料極少。由于測量時(shí)激光器的輸出功率不穩(wěn)定，以及二象光電池的不均勻性，使得測量的結(jié)果不是很對稱，且數(shù)值浮動較大。

對電壓測量值分析可得：激光斑中心正對二象光電池的中心線時(shí)，電壓表示數(shù)為0。激光斑照射到光電池表面的電極上（即白線附近）時(shí)，電壓表的示數(shù)出現(xiàn)極小值。其原因是在白線附近，光電池表面涂滿了導(dǎo)電物質(zhì)，而感光材料極少。電壓測量的結(jié)果比較對稱，且數(shù)值浮動較小，同時(shí)對激光器的輸出功率和二象光電池的均勻性要求也不高。

在實(shí)驗(yàn)中使用的儀器為游標(biāo)卡尺和干涉儀以及氦–氖激光器。其中，游標(biāo)卡尺的精度為0.02 mm，干涉儀的精度為0.01 mm。在實(shí)際操作中，我們主要使用中心附近（電壓為0處）進(jìn)行測量。所得數(shù)據(jù)如見表1。

表 1 測量距離與偏差

由表1可知，隨著測量距離的增加，偏差逐漸減少；當(dāng)測量的距離在16 m左右時(shí)，測量結(jié)果最精確。

三、結(jié)論

結(jié)果表明，數(shù)字化顯示的光電測尺精確度高，調(diào)整結(jié)果直接和數(shù)字顯示聯(lián)系起來，結(jié)果一目了然；微電流數(shù)字化過程中使用放大電路，使調(diào)整更為方便、快捷且實(shí)際操作更為方便；數(shù)字化使集成體積更小，外形更為美觀，價(jià)格更為低廉，從而有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)和投入市場生產(chǎn)。