一種應(yīng)用于精密測量的二維激光檢測儀的研究與設(shè)計(jì)

錢松 時(shí)圣抗 張玉玉

【摘要】現(xiàn)代安裝工藝以及工程方面對(duì)于精確度提出了更高的要求。在鐵軌平直度、礦井施工等多個(gè)方面都依賴激光檢測來提高測量精度。二維激光檢測儀采用水平以及垂直兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)面向測量的方案，有效提升了激光測量的精度。論述了二維激光檢測儀的工作原理，分析了其測量方案以及實(shí)現(xiàn)的電路，結(jié)果表明，基于硅光電池實(shí)現(xiàn)的四象限檢測在實(shí)現(xiàn)精確測量等領(lǐng)域具有重要的具有廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】二維；激光檢測；面向測量；設(shè)計(jì)；研究

引言

目前大量的工程施工現(xiàn)場以及測量領(lǐng)域?qū)τ跍y量精度提出了更好的要求，因此在目前廣泛應(yīng)用的一維激光檢測的基礎(chǔ)上增加了垂直方向的測試功能，實(shí)現(xiàn)了面向的二維檢測功能。二維檢測的方案使得測試的精度得到了有效的提升。產(chǎn)品綜合采用了光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)以及軟件編程等方面的技術(shù)，沿用了激光類測試產(chǎn)品一般思路，并在算法設(shè)計(jì)以及電路設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了創(chuàng)新，二維激光檢測儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了諸如電梯安裝、礦井施工等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.產(chǎn)品工作原理概述

在測量中，有目標(biāo)源產(chǎn)生17.5KHZ的調(diào)頻激光作為光源，保證在基準(zhǔn)位置的時(shí)候，激光束在光斑落在四象限硅硅光電池的中心位置，四個(gè)象限的信號(hào)相等，輸出為0。當(dāng)所測位置與基準(zhǔn)位置存在差異的時(shí)候，硅光電池四個(gè)象限接受到的光斑強(qiáng)度不同，同時(shí)產(chǎn)生線性度較好的電壓信號(hào)，再經(jīng)過帶通濾波以及放大電路調(diào)理后，輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理，將差異的信號(hào)輸出作為補(bǔ)償。

2.二維激光檢測儀硬件電路

二維激光檢測儀的硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思維，主要采用信號(hào)采集電路、前置與后置放大電路、ADC電路等構(gòu)成，完成了激光信號(hào)的采集、信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換以及輸出控制的基本功能。由于硅光電池中的信號(hào)有自然光等干擾，因此在信號(hào)采集中采用了濾波器電路進(jìn)行濾波，同時(shí)采用了前置以及后置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效放大，并改善電路的阻抗特性。硬件電路中的控制核心是采用了程控放大的方案，實(shí)現(xiàn)了不同距離范圍的有效測量，控制芯片采用了PIC系列單片機(jī)進(jìn)行，同時(shí)產(chǎn)品為后期的升級(jí)以及調(diào)試提供了接口。二維激光檢測儀的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

二維激光檢測儀由于在不同的測試過程中光源的位置不同，因此硅光電池的輸出電壓不同，因此如果采用固定的放大倍數(shù)，必然會(huì)引起近距離信號(hào)過大，引起電路的自激振蕩，遠(yuǎn)距離的信號(hào)則信號(hào)過弱，信號(hào)采集電路難以實(shí)現(xiàn)。因此能夠根據(jù)距離遠(yuǎn)近實(shí)現(xiàn)不同的增益就成為電路正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中采用了MAX521可變衰減器，通過程序進(jìn)行衰減系數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制。同時(shí)產(chǎn)品工作過程中由于有干擾信號(hào)的存在，因此良好的濾波器設(shè)計(jì)以及差分電路的設(shè)計(jì)思路也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 信號(hào)放大電路

由于硅光電池輸出轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)過下，因此需要有合適的放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的有效放大。在設(shè)計(jì)中采用了前置放大器以及后級(jí)放大電路共同實(shí)現(xiàn)，放大電路采用的運(yùn)放芯片采用了OP37作為主放大芯片，放大電路要求能夠?qū)崿F(xiàn)在信號(hào)頻帶范圍內(nèi)有效的放大，并具有良好的阻抗特性，可以實(shí)現(xiàn)級(jí)與級(jí)之間的耦合與信號(hào)的傳輸。放大電路調(diào)試過程中，要能能夠兼顧電路的靈敏度以及電路是否會(huì)出現(xiàn)自激振蕩引起電路工作的不正常。

2.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

2.4 IC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二維激光檢測儀采用了Microchip公司的PICF818作為核心控制器件，芯片的RA口作為模擬量輸入口，可以接受直流模擬信號(hào)，在設(shè)計(jì)中采用RA0、RA1接收來自后1級(jí)放大與整流后的直流信號(hào)，RA1、RA2檢測2級(jí)檢測第二路信號(hào)，單片機(jī)檢測四路信號(hào)的大小，進(jìn)比較進(jìn)行信號(hào)輸出。本設(shè)計(jì)中采用了RB口作為輸出，顯示目前的工作狀態(tài)，并控制電機(jī)進(jìn)行面向的位移，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精確的控制以及良好的實(shí)時(shí)性，控制方式采用了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制加速方案采用了較為簡單的恒加速方案，

二維激光檢測儀的旋轉(zhuǎn)力矩較大，實(shí)現(xiàn)大力矩下旋轉(zhuǎn)角度的精確控制需要應(yīng)用專業(yè)的Matlab/Simulink軟件對(duì)步進(jìn)電機(jī)的工作特性進(jìn)行仿真分析，并將數(shù)據(jù)作為實(shí)際設(shè)計(jì)過程中的重要數(shù)據(jù)參考。在步進(jìn)電機(jī)的控制中第m相電壓平衡方程為公式1所示。

（1）

其中um、im、Rm分別為第m相的電壓、電流及電阻在二維激光檢測儀的設(shè)計(jì)中，參考到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度要求，不考慮電機(jī)中EMC的影響，同時(shí)忽略電機(jī)中電壓、電流的高次諧波影響，產(chǎn)品中采用的步進(jìn)電機(jī)的電壓平衡方程如公式2所示。

（2）

3.結(jié)論

激光頻譜純度高、直線度良好等方面的特點(diǎn)決定了激光在精確測量中具有重要的應(yīng)用，采用了二維面向設(shè)計(jì)的方案可以有效提升測試的精度，在水平以及垂直兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)面向測量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中綜合應(yīng)用了激光采集技術(shù)、信號(hào)調(diào)理以及控制技術(shù)，產(chǎn)品屬于光機(jī)電結(jié)合的典型應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)在50m-800m產(chǎn)品平直度的有效測量，在礦井施工、鐵軌平直度檢測、路橋工程等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

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基金項(xiàng)目：揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2013）。

作者簡介：

錢松（1982—），男，江蘇姜堰人，揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電路設(shè)計(jì)，信號(hào)處理等。

時(shí)圣抗（1990—），男，江蘇徐州人，研究方向：電路設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)。