第15章现代检测系统综合设计 ·337 一是主机选择；二是主机字长选择；三是寻址范围选择；四是指令功能：五是处理速度 六是中断能力；七是功耗等。 15.1.3.2检测系统对计算机接口的要求 在对现代检测系统的综合设计中，对计算机接口的要求应考虑以下几个方面的问 题：一是数据采集与处理能力；二是总线接口能力；三是人机对话能力；四是输出驱动 能力等。 15.2脉冲测距综合系统设计 15.2.1理论依据 通过激光对距离S进行测量时，只要知道激光传输的时间，根据S=C△：就可以 求出距离。 15.2.2设计方案 图151给出了脉冲激光测距原理图。设计方案中主要包括：激光发射单元的选取 光学准直系统设计、光电转换、放大整形、时间间隔测量等
15 ·337· 一是主机选择；二是主机字长选择；三是寻址范围选择；四是指令功能；五是处理速度； 六是中断能力；七是功耗等。 15.1.3.2 检测系统对计算机接口的要求 在对现代检测系统的综合设计中，对计算机接口的要求应考虑以下几个方面的问 题：一是数据采集与处理能力；二是总线接口能力；三是人机对话能力；四是输出驱动 能力等。 通过激光对距离 S 进行测量时，只要知道激光传输的时间，根据 1 . t 2 S C = 就可以 求出距离。 图 15-1 给出了脉冲激光测距原理图。设计方案中主要包括：激光发射单元的选取、 光学准直系统设计、光电转换、放大整形、时间间隔测量等
·338· 传感器技术设计与应用 发射望运镜2个 激光器1 取样被3 光电元件6 收透镜+ 一放大器7 一整形器8 一一时间间两测业仅9 图151脉冲激光测距基本原理图 15.2.3工作过程 激光脉冲测距的工作过程：激光器1输出脉冲激光，经过发射望远镜2后的光束发 散角变小（一般小于1mad),而后射向被测目标，取样镜3将发射的一部分激光传送到 透镜4，处于接收透镜焦点附近的光电元件6便可输出第一个电脉冲信号，通过放大器 放大，然后由整形器8对电信号进行整形后的脉冲信号，送到时间间隔测量系统中，将 时间间隔测量系统的门控双稳态触发器触发，输出的脉冲将闸门打开，对晶体振荡器的 等时距的脉冲通过计数显示电路开始进行计数；当从目标反射回来的一部分激光进入接 收透镜4时，光电元件6便输出第二个电脉冲信号，通过放大器放大再由整形器8后控 制门控双稳态触发器，使门控双稳态触发器再次发出控制信号将闸门关闭。把第一个电 脉冲信号称为参考信号，第二个电脉冲信号称为回波信号。这两个脉冲信号经时间间隔
·338· 图 15-1 脉冲激光测距基本原理图 激光脉冲测距的工作过程：激光器 1 输出脉冲激光，经过发射望远镜 2 后的光束发 散角变小（一般小于 1mard），而后射向被测目标，取样镜 3 将发射的一部分激光传送到 透镜 4，处于接收透镜焦点附近的光电元件 6 便可输出第一个电脉冲信号，通过放大器 放大，然后由整形器 8 对电信号进行整形后的脉冲信号，送到时间间隔测量系统中，将 时间间隔测量系统的门控双稳态触发器触发，输出的脉冲将闸门打开，对晶体振荡器的 等时距的脉冲通过计数显示电路开始进行计数；当从目标反射回来的一部分激光进入接 收透镜 4 时，光电元件 6 便输出第二个电脉冲信号，通过放大器放大再由整形器 8 后控 制门控双稳态触发器，使门控双稳态触发器再次发出控制信号将闸门关闭。把第一个电 脉冲信号称为参考信号，第二个电脉冲信号称为回波信号。这两个脉冲信号经时间间隔
第15章现代检测系统综合设计 ·339 测量系统测出回波信号与参考信号之间的时间间隔为△：，则根据上式可测出距离， 15.2.4说明几点 (1)该系统的设计关键是时间间隔测量系统，即时间的测量，如果时间测量不精确 将会产生较大误差。 (2)在光学系统设计时，凹透镜应放置在凸透镜的一倍焦距上 (3)光阑孔径的大小与厚度应合适，放置在光电元件之前. (4)激光器输出功率大小应根据测距长度适当选取。 15.3激光准直综合系统设计 在大型设备、管道、建筑物等的测量、安装、校准中，往往需要给出一条直线，以 此来检查各零部件位置的准确性。激光准直仪系统集机、光、电及计算机技术于一体 它利用激光方向性好的特点以H®-Ne激光器发出的光线做基准直线，采用新型光电位置 传感器PSD(Position Sensitive Detector)将光束能量中心位置信号变换为电信号，由基 于PC的数据采集处理系统进行数据处理，可对直线度、平面度、平行度等多项形位误 差进行快速测量及误差评定。 15.3.1激光准直系统总体设计方案 15.3.1.1总体设计方案
15 ·339· 测量系统测出回波信号与参考信号之间的时间间隔为 t ，则根据上式可测出距离。 （1）该系统的设计关键是时间间隔测量系统，即时间的测量，如果时间测量不精确， 将会产生较大误差。 （2）在光学系统设计时，凹透镜应放置在凸透镜的一倍焦距上。 （3）光阑孔径的大小与厚度应合适，放置在光电元件之前。 （4）激光器输出功率大小应根据测距长度适当选取。 在大型设备、管道、建筑物等的测量、安装、校准中，往往需要给出一条直线，以 此来检查各零部件位置的准确性。激光准直仪系统集机、光、电及计算机技术于一体， 它利用激光方向性好的特点以 He-Ne 激光器发出的光线做基准直线，采用新型光电位置 传感器 PSD（Position Sensitive Detector）将光束能量中心位置信号变换为电信号，由基 于 PC 的数据采集处理系统进行数据处理，可对直线度、平面度、平行度等多项形位误 差进行快速测量及误差评定。 15.3.1.1 总体设计方案
·340- 传感器技术设计与应用 (1)系统组成：激光准直系统设计包括五个部分：光源激光发射系统设计、光学 系统设计、传感器信号处理系统设计、数据采集处理系统设计、显示与控制设计等。如 图15-2所示 激光器 光 PSD 系统 飘显示 电路 图15-2高精度多功能激光准直仪原理框图 (2)系统特点：激光准直系统利用He-Ne激光器的方向性好、高稳定性的特点，作 为准直光线，用改进型的新型二维光电位置传感器(PSD)作为接收器，将准直激光束 的入射光斑进行接收转换。其特点：对激光光斑能量中心敏感、响应速度快、分辨率高、 适合长距离直线度误差检测等。 15.3.2激光准直系统的工作过程 激光准直仪系统的工作过程是：以Hc-Ne激光器发出的激光光线作为直线度的基准 直线，随着PSD光靶在被测件上的移动，PSD就将入射光点的位置信号转变为电流信 号，经调理电路后送入数据采集系统，利用直线度测评软件快速评判出直线度误差并提 供图形文件、文本文件、EXCEL文件等输出形式 15.3.3激光准直系统主要部分设计 15.3.3.1光源-激光发射系统设计
·340· （1）系统组成：激光准直系统设计包括五个部分：光源-激光发射系统设计、光学 系统设计、传感器信号处理系统设计、数据采集处理系统设计、显示与控制设计等。如 图 15-2 所示。 图 15-2 高精度多功能激光准直仪原理框图 （2）系统特点：激光准直系统利用 He-Ne 激光器的方向性好、高稳定性的特点，作 为准直光线，用改进型的新型二维光电位置传感器（PSD）作为接收器，将准直激光束 的入射光斑进行接收转换。其特点：对激光光斑能量中心敏感、响应速度快、分辨率高、 适合长距离直线度误差检测等。 激光准直仪系统的工作过程是：以 He-Ne 激光器发出的激光光线作为直线度的基准 直线，随着 PSD 光靶在被测件上的移动，PSD 就将入射光点的位置信号转变为电流信 号，经调理电路后送入数据采集系统，利用直线度测评软件快速评判出直线度误差并提 供图形文件、文本文件、EXCEL 文件等输出形式。 15.3.3.1 光源-激光发射系统设计
第15章现代检测系统综合设计 ·341· 激光作为基准直线使用时由于安装误差使激光线存在轻微的左右、上下移动和两个 方向的旋转，因此安放激光器的支架必须要有四个自由度的微调机构。如图15-3所示， 螺钉组1用来调节激光上下、左右移动(3mm),螺钉组2用来调节激光线的倾角与偏 航（调整范围为4°， 光学微调架激光器 图15-3光学微调架 15.33.2光靶光电接收器件选取 由于光电位置敏感器件(PSD)适应位置、位移等精确实时测量的一种新型半导体 光电位置敏感器件，它有响应速度快、位置分辨率高、可同时检测位置和光强、位置输 出信号与光强无关，只对光的能量中心敏感、频谱响应宽、响应范围从300到1100nm、 外围电路简单、信号检测方便等。 由于二维PSD传感器有表面分流型、两面分流型和改进表面分流型三种类型，而改 进表面分流型传感器既克服了表面分流型传感器非线性误差大的缺点又保留了暗电流 小，加反偏容易的优点，因此，在本综合设计中选择21×21mm的改进表面分流型二维
15 ·341· 激光作为基准直线使用时由于安装误差使激光线存在轻微的左右、上下移动和两个 方向的旋转，因此安放激光器的支架必须要有四个自由度的微调机构。如图 15-3 所示， 螺钉组 1 用来调节激光上下、左右移动（3mm），螺钉组 2 用来调节激光线的倾角与偏 航（调整范围为 4 o）。 图 15-3 光学微调架 15.3.3.2 光靶-光电接收器件选取 由于光电位置敏感器件（PSD）适应位置、位移等精确实时测量的一种新型半导体 光电位置敏感器件，它有响应速度快、位置分辨率高、可同时检测位置和光强、位置输 出信号与光强无关，只对光的能量中心敏感、频谱响应宽、响应范围从 300 到 1100nm、 外围电路简单、信号检测方便等。 由于二维 PSD 传感器有表面分流型、两面分流型和改进表面分流型三种类型，而改 进表面分流型传感器既克服了表面分流型传感器非线性误差大的缺点又保留了暗电流 小，加反偏容易的优点，因此，在本综合设计中选择 21 21 mm 的改进表面分流型二维