正弦波光强调制式PSD激光三角测头的研制

论文摘要

激光三角测量法是一种非常重要的非接触测量方法,在工业生产中,特别是三坐标测量机上,有着广泛的应用。本文根据激光三角测量原理设计了一种正弦波光强调制式、非接触激光三角测量头实验装置,并对该测量头的性能特点进行了系统的研究和分析。首先,介绍了国内外当前非接触光学测量的发展状况,比较了各种方法的优缺点,确定了激光三角测量法作为进行微位移测量头设计的基础,详细地论述了本文研究的意义及主要内容。文中分别介绍激光三角测量原理,推导了原理公式及理想成像的Scheimpflug条件;进行测量头的总体方案设计、相关壳体的结构设计;甄选各部分器件;重点介绍位置敏感器PSD及其信号电路设计。对主要的电路如I/V电路、带通滤波器、相敏检波电路等,进行了仔细的分析。最后,对设计的测量头进行了实验调试,对实验结果进行简单的误差分析。本文主要的工作在于:针对光学测量头使用中需要抑制背景光干扰的问题,提出采用正弦光强调制驱动光源的设计方案,并完成了电路设计和调试工作。相应的,在检测信号处理电路中,设计了相敏检波电路解调信号光,以提高测量精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题研究的意义
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 测量头原理及公式推导
• 2.1 激光三角法原理
• 2.2 三角法原理公式推导及分析
• 2.2.1 直射式
• 2.2.2 斜射式
• 2.2.3 Scheimpflug条件
• 2.3 直射式和斜射式的对比与改进
• 第三章 测量头总体设计方案及PSD介绍
• 3.1 总体方案
• 3.2 测量头外形
• 3.3 器件的选择
• 3.3.1 光源的选择
• 3.3.2 光学系统的选择
• 3.3.3 光电探测器的选择
• 3.4 位置敏感探测器（PSD）
• 3.4.1 PSD概述
• 3.4.2 一维PSD的基本原理
• 3.4.3 一维PSD的特性
• 3.4.3.1 光谱响应特性
• 3.4.3.2 峰值响应灵敏度
• 3.4.3.3 位置探测误差
• 3.4.3.4 位置分辨率
• 3.4.3.5 光敏面尺寸
• 3.4.4 PSD的影响因素分析
• 3.4.5 PSD选型
• 3.4.5.1 PSD接收光强计算
• 3.4.6 PSD的位置放置
• 3.5 总体设计结果
• 第四章 电路设计及分析
• 4.1 半导体激光器调制驱动电路
• 4.1.1 正弦波产生电路
• 4.1.2 激光器驱动电路
• 4.2 PSD信号处理电路
• 4.2.1 前置放大电路
• 4.2.2 带通滤波器
• 4.2.2.1 有源滤波电路简介
• 4.2.2.2 带通滤波器
• 4.2.3 相敏检波及移相电路
• 4.2.3.1 调制与解调
• 4.2.3.2 相敏检波
• 4.2.4 模拟乘法器AD538
• 4.2.4.1 概述
• 4.2.4.2 工作原理
• 4.2.4.3 AD538实际接入电路
• 第五章 实验与误差分析
• 5.1 实验系统
• 5.2 实验结果
• 5.3 误差分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章
• 致谢