光电课程设计

激光干涉法测量微位移的设计

电科1104班 刘海涛 学号:201011911422

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。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。

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[1]。

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。

目前干涉测量按测量对象不同大致可分为全息干涉测量、散斑干涉测量和光栅位移激光多普勒测量。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。激光多普勒测量有空间分辨率高、测量精度高、多普勒频移与位移成线性关系、动态响应快，信号用光来传递，惯性极小，可以进行实时测量、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

扰等优点。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。

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。光源发射一束光入射到运动物体表面(如图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：

(1)

式中为光源辐射频率，u为运动物体表面速度，

为入射光和运动方向夹

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

发射出来，在

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:

运动体

光源 接收器 (2)

式（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

（3）

把式（3）带入（2）中得

忽略式中的高次项，得

（4）

所以速度为u的运动体产生的多普勒频移为

(5)

用同样方式可得到

(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

(7)

=

=

对式(7)两端时间积分得:

(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。

光信号检测部分

1 混频技术

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，其中一列波表达式为合成波的振幅为

式(9)中，E1，E2是两入射波的振幅，

（9）

是两入射波的角频率，

另一列波表达式为

，则

是两入射波的初相位。当相差不是很大时，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(9)有

(10) 式(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(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(10)最终成为

(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。下图给出了理论上光电检测器输出的信号波形图。

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:

(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。它包括光电流，暗电流，结电阻下没有光照时的输出电流，忽略。

，结电容

的并联。其中暗电流对应于工作电压

，通常可以

为串联电阻，其值远小于负载电阻

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

>>

>>

，

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，并且不受工作温度的影响。

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[2]。

（1）提高响应度与输出的线性

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。典型的光电转换电路如上图所示。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

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,运算放大器的等效输入阻抗为: 式中Ω。

(13)

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（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

(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

(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

。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 。由此可见 越大，

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，同时选用围。

（3）放大电路频带宽度与响应速度的提高

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。

值大的光电二极管并尽量控制温度变化范

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。下图给出了整个系统的硬件结构框图。

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]。

系统光路结构示意图

2 光信号检测电路

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。根据截至频率

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

是为了补偿的确定要

上的是为了去除它上面的杂散噪声。

来计算。运算放大器选用了高输入阻抗的

OPA627。 3信号调理电路

由于信号中含有频率成分较多噪声的低频成分，因此采用带通滤波器滤除噪声，提高信噪比。系统运用有源高通滤波器，其中有源滤波器成本低，质量可靠及寄生影响小，设计和调整过程简便，阻带衰减速度比无源滤波器快，因而有源高通滤波器更适合该系统低频滤波如图。

系统高通滤波电路

选择取

====20pf。

=51k,*=

=4.7k。 *=0.92M

=5k,=15k,

截至频率=

考虑信号带宽要求设置增益为A=（-60/40）×（-60/40）=9/4

推动放大电路设计成反相放大，主要由集成运放及外围元件组成[4]。主放电路的设计要考虑带宽、功耗、噪声、响应速率等各方面因素, 本设计里选用了一款超低失真、低噪声、高压摆率的运算放大器。它是一种较理想的应用于宽动态范围、高精度、高速环境下的运算放大器。由前置放大输出的电信号约为几十毫伏。为满足后续整形器的阀值电压设置放大倍数为200倍，本电路选用AD8045集成运放，管脚如图其单位增益带宽是1GHZ，在增益200的条件下带宽完全满足要

求。为了去除电源的抖动波纹的退耦电容。

主运放电路

根据系统测位移的原理知道，需将滤波放大输出信号整形为方波以便后续计数器进行计数再送入单片机处理。整形的实现是通过门限比较器实现的。系统采用常用有施密特触发器的六反相器74LS14。 4 计数处理电路

本部分由4片4位可预置数同步计数器（异步清零）74LS161、数据锁存器74HC573、反向器40106组成。这部分的作用是将测量信号和基准信号的计数值锁存到锁存器以及通过反向器的进位信号产生中断记录进位数供单片机读取从而进行数据处理。 5 信号处理部分及显示

本部分由单片机AT89S52和16ⅹ2 LCD液晶显示器组成。核心是单片机AT89S52，数据的处理，控制计数器清零，数据选择器，锁存器锁存及液晶显示器显示位移等都由单片机完成。

系统软件的设计

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，编写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发

单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。 1 系统程序流程图

系统单片机AT89S52配合硬件电路完成数据的自动采集，计算处理，显示位移的任务。

系统程序流程图

系统启动首先执行启动检测程序即检测两路信号（参考信号和测量信号）是否频率相等。如果检测到频率不等说明测量已启动然后执行位移测量程序，采集数据，计算得出位移值，最后通过LCD显示程序显示位移值。测量程序包括数据采集，数据分析计算，辩向测量等。系统软件流程图如上图。 2 启动检测程序

程序执行过程中首先进行系统初始化，包括对LCD的显示模式、清屏，设定定时器0的工作模式和装初值以及开启外部中断0等等。当初始化完毕之后，系统程序进入判断测量是否开始，即进入一个比较函数，该函数先通过P3.1对计数器清零，一段时间后通过P1、P0口读取计数值，然后通过P3.0置高选择另一路信号（即测量信号）同样清零，相同时间后读取计数值，将两值想比较，如果相等表示测量未启动，因为测量信号相对参考信号未发生频移；如果不相等代表测量已经开始执行下一步，同时启动定时器0和定时器1。

………

WS=0; 数据选择参考信号 j0=P1; k0=P0; ………

j1=P1;

k1=P0; 读取P1、P0计数值 ee=cc; 读取进位值

q=k0+j0*256+dd*256*256; 计算参考信号10ms内总的计数值 r=k1+j1*256+ee*256*256; 计算测量信号10ms内总的计数值 if((r-q)<3) 判断是否启动 bb=1; 定义相应变量值 else bb=2; 3 位移测量程序

定时器0是为了记录从测量开始到实时的时间以便计算出△t时间内测量信号与参考信号的计数差值即还原系统的位移值。定时器1是为了在设定的时间内执行比较程序诊断系统是否停止测量，如果没有停止继续跳回主程序执行测量，如果已停止，则跳出到循环检测是否启动程序以待下一次启动继续测量。外部中断0是记录测量过程中进位的次数，以便完整的处理计数值还原位移量。

while(bb==2) 查询变量值判断测量已启动； { gao=1; di=1;

TMOD=0x01; 设置定时器0的工作模式为1； TH0=(65536-50000)/256; 根据定时时间装初值高八位； TL0=(65536-50000)%6; 根据定时时间装初值低八位； EA=1; 开总中断； ET0=1; 开定时器0中断； TR0=1; 启动定时器0； ET1=1; 开定时器1中断； TR1=1; 启动定时器1；

gao=0; 锁存数据； di=0; j=P1;

k=P0; 读取端口计数值； write_com(0x80); 动态显示时须先清屏； a=(j*256+k+cc*256*256-(ff*50)*q/2)*0.5*0.0006328;位移 4 测量辩向程序

在微位移的实际测量过程中，由于需要或外界振动等干扰，可能会使被测物体产生正、反两个方向的位移，在这种情况下若只采用单一的测量程序将会带来测量误差。因此，必须对被测物体位移方向进行判断并作出相应数据处理。系统通过定时器1中断判断测量信号的频率与参考信号的频率大小。如果频率低于参考信号表示被测物相反移动了，则系统应相应作出数据处理。

………

s=P1; 读取中断此时得数据高八位； t=P0; 读取低八位； w=cc; 读取进位值； gao=1; di=1; delay(2); gao=0; di=0;

u=P1; 延时2ms后再次读取计数值； v=P0;

if(((u*256+v+cc*256*256-s*256-t-w*256*256)-q)<0) 判断是否反向； bx=1; 定义一个变量值返回； 通过系统软件实现辩向测量大大减小了硬件电路的复杂性。 5 LCD显示程序

单片机采集数据处理将计数值还原为位移量之后须将位移值通过LCD显示。单片机操作LCD时须根据一定的时序，图为16ⅹ2LCD写操作时序图。在显示数

据之前，须初始化设置LCD的工作模式，显示光标，数据指针以及清屏等。

lcden=0; 开始使能置低；

write_com(0x38); 设置16X2显示，5X7点阵，8位数据接口； write_com(0x0e); 开显示，显示光标，光标不闪烁； write_com(0x06); 写数据后地址自动加一，整屏不移动； write_com(0x01); 清屏；

write_com(0x80); 设置地址指针为0；

LCD时序图

在显示数据时，因为系统设定精确度为10um ，须保留小数点后5位，暂定系统的测量范围小于100m，则显示时须根据不同数据范围控制小数点的显示位置。即当数据小于10时，小数点在第二位显示；当数据大于10小于100时小数点在第三位显示。

a=a*100000; a为位移值，将a值扩大10万倍方便计数各数据位值 b=((long int)a)/100000; 确定个位值；

c=((long int)a)0000/10000; 确定小数点后第一位值； d=((long int)a)000/1000; 确定小数点后第二位值； e=((long int)a)00/100; 确定小数点后第三位值； f=((long int)a)0/10; 确定小数点后第四位值； g=((long int)a); 确定小数点后第五位值； write_dataa(b+48); 显示第一位； write_data('.'); 显示小数点；

write_data(c+48); 显示第三位； write_data(d+48); 显示第四位； write_data(e+48); 显示第五位； write_data(f+48); 显示第六位； write_data(g+48); 显示第七位；

在显示数据时，因为LCD包括计算机信息交互都是以ASCII码显示的，查阅ASCII码表实际数字和显示数字之间相差48，所以写数据时须在值上加上48。

仿真调试与分析

1 前置放大调试

仿真时用1.5MHZ，500uA电流代替PIN光电二极管输出电流，设置参数（详见系统硬件前置放大部分）时须考虑到微弱信号的漂移和噪声影响较大故前置放大不宜过大。通过前置放大电路的放大和I-V转换，输出如图电压波形。 输出的电压峰峰值为47.442mv，波形正常无失真。

前置放大输出波形

2滤波电路调试

选择C1=C2=C3=C4=20pf。取R1=5k理论截至频率Fc=

*

=

,R2=15k

*

,R3=51k=0.92M

,R5=4.7k

。

考虑后续放大整形设置增益为A=（60/40）×（60/40）=9/4

调试时取输入波形电压为30mv，下降3dB时的波形电压峰峰值应为30×2×9/4×0.707=95.445mv,调试输入波形的频率直到此电压值得截至频率为：

Fc=0.776M满足系统高通滤波要求。

高通滤波截至频率

截至频率时输出波形

3主放大电路和整形电路调试

整形前波形

因为整形74LS14的阀值电压是1.6V，所以考虑主放大电路的增益设置为200倍，此时AD8045在信号通带内，放大输出信号为7.008V满足整形输入。如图5.4为信号整形前，图5.5为信号整形后方波。

整形后波形

4 单片机AT89S52及LCD液晶显示仿真调试

Keil对系统编程，程序初始化设置LCD显示光标但不闪烁，显示地址自动加一且整屏显示不移动；测量未开始时LCD不显示，测量开始时实时显示测量位移，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。

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。

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×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。

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。

参考文献：

[1]王英凯,安晓东.纳米级位移测量技术研究.应用基础与工程报,2005,(10). [2]孙红兵，莫永新.微弱光电信号检测电路设计.微电子技术，2007，18-156-03 [3]王启华.激光实用测量[M].北京:中国铁道出版社，1989.

[4]詹福如,袁洪永,苏国锋,等.光电探测器微变信号放大电路的设计和分析[J].

光电课程设计

题目 学生姓名 所在班级 学号 联系方式 日期

激光干涉法测量微位移的设计

刘海涛 电科1104班 201011911422 13726928358 2013年 12 月 18 日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k1ag.html