【文章內(nèi)容簡介】 微米級，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標均可輕而易舉地檢測出來。 值得一提的是，將準直后的激光束通過柱面光學透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到 ，如圖 所示。采用這種線光源，可以實現(xiàn)流水作業(yè) 中材料定位切割、醫(yī)學上 CT 檢測中目標定位、物體的直線度、不平度檢測等，應用十分廣泛。 本設(shè)計也采用了 半導體 激光 二極管 作為光源。 圖 線狀激光光源 9 半導體激光二極管的常用參數(shù) （ 1）波長：即激光管工作波長，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長有 635nm、650nm、 670nm、 690nm、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm 等。 （ 2）閾值電流 Ith ：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至 10mA以下。 （ 3） 工作電流 Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅(qū)動電流，此值對于設(shè)計調(diào)試激光驅(qū)動電路較重要。 （ 4）垂直發(fā)散角 θ ⊥ ：激光二極管的發(fā)光帶在垂直 PN 結(jié)方向張開的角度，一般在 15?～ 40?左右。 （ 5）水平發(fā)散角 θ ∥ ：激光二極管的發(fā)光帶在與 PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在 6?～ 10?左右。 （ 6）監(jiān)控電流 Im ：即激光管在額定輸出功率時，在 PIN 管上流過的電流。 半導體激光二極管的特點 （ 1）照射 距離長 半導體激光光源是一種相干性強的光源，因而方向性很強，用光學系統(tǒng)準直后，可很容易的把發(fā)散角限制在 mrad 以內(nèi)，如示意圖 8。激光照射的光斑大小可按下式近似計算： d≈Lθ （ ） 式中， d — 光斑直徑（ mm）； L — 檢測距離（ m）； θ — 發(fā)散角（ mrad）。 若一束激光投射到 500m 遠處，可近似得光斑直徑為 100mm，可見光斑并不大，在此范圍內(nèi)仍有較大的能量分布，足以驅(qū)動接收器工作。同時，采用功率較大的激光管則容易實現(xiàn)數(shù)公里遠的目標探測。 （ 2）可實現(xiàn)高精度的定位控制和微小目標的檢測 由于半導體激光是方向 性很強的相干光源，經(jīng)光學透鏡準直或聚焦后，光束很細，因此可用小光闌獲取直徑為 ～ 的激光光束，用這種細的準直 10 光束可以實現(xiàn)高精度的定位控制、位置檢測、線徑測量，并可以檢測直徑小到像繡花針頭般大小的目標。特別是將半導體激光束通過芯徑 5mm～ 9mm 單模光纖耦合并準直后，可以將檢測精度提高到微米級，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標均可輕而易舉地檢測出來。 值得一提的是，將準直后的激光束通過柱面光學透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到 ，此外，將準直的激光光束通過某種光柵片后可射出十字形激光，在 檢測和定位方面亦有獨到的應用之處。 （ 3）適應不同使用要求，有多種波長的激光光源可供選用 近一、二十年來，半導體激光技術(shù)取得長足的發(fā)展，業(yè)已商品化的半導體激光管在可見光波段有波長為 635nm、 650nm、 670nm、 690nm 四種類型，在近紅外波段則有 780nm、 810nm、 830nm、 850nm、 860nm、 910nm、 980nm 等幾種。根據(jù)使用要求，可靈活選擇其中任何一種作為光電開關(guān)的激光電源。一般來說，若選擇可見光波段，則在安裝、調(diào)試、對準上都比較方便，若選用近紅外波段，則在安裝、調(diào)試過程中，須使用夜 視儀或紅外測試卡配合進行。當使用波長短于 860nm的型號時，雖然看不見激光光束，但激光管窗口還能清楚看到有紅色光，即所謂有 “ 紅暴現(xiàn)象 ” 。因此，在作周界報警的光電發(fā)射傳感器時，宜選用無 “ 紅暴現(xiàn)象 ” 的 910nm、 980nm 激光器，以免暴露目標。有時還要考慮傳輸介質(zhì)中的損耗問題，例如，綠色激光在水中很少被吸收，其他波段則很容易被水吸收引起激光能量嚴重衰減。因此，在水中工作時，選用 532nm 的綠色激光最為適宜。 總之，今天的半導體激光波長范圍之寬，品種之豐富，均為使用者提供了充分選擇的余地。 單片機測量轉(zhuǎn)速的 方法 轉(zhuǎn)速是工程中應用非常廣泛的一個參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法在測量范圍和測量精度上，已不能適應現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測量系統(tǒng)得到普遍應用，利用單片機對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，應用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測量系統(tǒng)的越來越普及。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。下面對測量系統(tǒng)進行探討。 11 一般轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測量框圖如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn) 速測量框圖 1． 轉(zhuǎn)速 信號拾取 轉(zhuǎn)速 信號拾取是整個系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過敏感元件、傳感器或測量儀表等來實現(xiàn)。 2．整形和 放大 前向通道中，將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成 單片機 輸入要求的信號。 3．單片機 單片機是整個測量系統(tǒng)的主要部分，擔負對前端脈沖信號的處理、計算、以及信號的同步，計時等任務，其次，將測量的數(shù)據(jù)經(jīng)計算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用液晶顯示器顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計數(shù)的范圍、使用的定時 /計數(shù)器的個數(shù)及 I/O 口線，選用 STC89C52 單片機。 4．驅(qū)動和顯示 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄超輕等諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用 系統(tǒng)中得到越來越廣泛應用。 由于 本系統(tǒng) 采用獨立供電的方案，所以也選用了液晶來顯示。 轉(zhuǎn)速測量原理 測周期法“ T 法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 TP來決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤，可以是 單片機 顯示接口芯片 鍵盤 整形和放大 驅(qū)動電路 顯示 轉(zhuǎn)速信號拾取 12 單孔或多孔，對于單孔碼盤測量兩次脈沖間的時間，就可測出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)， TP也可以用時鐘脈沖數(shù)來表示。對于多孔碼盤，其測量的時間只是每轉(zhuǎn)的 1/N， N 為碼盤孔數(shù)。如圖 “ T”法脈寬測量所示。 TP通過定時 器測得。定時器對時基脈沖 (頻率為 fc)進行計數(shù)定時，在 TP內(nèi)計數(shù)值若為 m2，則 計算公式為： n = 60/PTp （ ） 即： n = 60fc/Pm2 （ ） P — 為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)； fc— 為硬件產(chǎn)生的基準時鐘脈沖頻率：單位（ Hz）； n — 轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； m2— 時基脈沖。 輸入脈沖 時基脈沖 圖 “ T”法脈寬測量 由 “ T”法脈寬測量可知“ T”法測量精度的誤差主要有兩個方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時間不一致而產(chǎn)生的；二是計數(shù)和定時起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計數(shù)和定時嚴格同步。測周法在低轉(zhuǎn)速時精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差， 會 有小于一個脈沖的誤差存在。 測頻率法“ M 法” 在一定測量時間 T 內(nèi)，測量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈 沖數(shù) m1來測量轉(zhuǎn)速，如圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù)為 Xτ ，則轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示： 13 n=60Xτ /2π T () 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的弧度數(shù) Xτ 可用下式所示 Xτ =2π m1/p () 圖 “ M”法測量轉(zhuǎn)速脈沖 將（ 36）式代入（ 35）式得 轉(zhuǎn)速 n的表達式為： n=60m1/TP () n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； T定時時間單位：（秒）。 在該方法中， 由于定時時間 T和脈沖不能保證嚴格同步，以及在 定時時間 T內(nèi)能否 準確測量外部脈沖的完整 周期 等問題的影響 ， 所以 可能產(chǎn)生 1個脈沖的量化誤差。因此，為了提高測量精度， 要保證定時時間 T 足夠長 。定時時間 T可根據(jù)測量對象情況預先設(shè)置。設(shè)置的時間過長， 雖然 可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計的脈沖數(shù)增大 （碼盤孔數(shù)已經(jīng)確定的 情況下） ，限制了轉(zhuǎn)速測量的量程。而設(shè)置的時間過短，測量精度 又 會受到一定的影響。 測頻測周期法“ M/T 法” 所謂測頻測周 期 法，即是綜合了“ T”法和“ M”法分別對高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖 “ M/T”法定時 /計數(shù)測量所示。 “ M/T”法采用三個定時 /計數(shù)器，同時對輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn) 14 生）、及預設(shè)的定時時間進行定時和計數(shù)， m1反映轉(zhuǎn)角， m2反映測速的準確時間，通過計算可得轉(zhuǎn)速值 n。該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間Td 由脈沖發(fā)生器脈沖來同步，即 Td 等于 m1個脈沖周期。由圖可見，從 a點開始，計數(shù)器對 m1和 m2計數(shù)，到達 b 點，預定的測速時 間時，計算機發(fā)出停止計數(shù)的指令，因為 TC不一定正好等于整數(shù)個脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計數(shù)器仍對高頻脈沖繼續(xù)計數(shù)，到達 c 點時，脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生的 脈沖上升沿使計數(shù)器停止 計數(shù) ，這樣， m2就代表了 m1個脈沖周期的時間。 “ M/T”法綜合了“ T”和“ M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為 fC，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P個脈沖，由式（ ）和（ ）可得 M/T 法轉(zhuǎn)速計算公式為： n=60fcm1/pm2 () n轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn) /分）； fc晶體震蕩頻率：單位（ Hz）； m1輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角； m2時基脈沖數(shù)。 圖 “ M/T”法定時 /計數(shù)測量 通過誤差和精度分析可知， M法適合于高速測量，當轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會越大。 T 法適合于低速測量，轉(zhuǎn)速越大，誤差越大 。 M/T 這種轉(zhuǎn)速測量方法的相對誤差與轉(zhuǎn)速 n無關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測量。保證其測量精度的途徑是增大定時時間 T，或提高時基脈沖的頻率 fc。 在實際操作時往往采用一種稱變 M/T 的測量方法。 所謂 的 變 M/T 法， 就是 在 15 M/T 法的基礎(chǔ)上，讓測量時間 Tc始 終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號的周期之和，并根據(jù)第一次 所測 的轉(zhuǎn)速及時 調(diào)整預測時間 Tc， 這樣就解決了不同轉(zhuǎn)速情況下 的測量精度 問題 。 基于 M法 來測量轉(zhuǎn)速 ，電路和程序均較為簡單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計中采用 M法進行測量，誤差和精度的具體分析過程在此不做復述。 16 4 智能轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 本轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)有以下幾個部分構(gòu)成，如圖 。 圖 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)方框圖 本 設(shè)計 的硬件主要由光電傳感器、信號處理電路、單片機 STC89C5鍵盤、LCD 顯示 等部分組成。如圖 ，當測速轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，光電傳感器接收反射紙反射 的 激光 信號 ， 產(chǎn)生一個脈沖電信號，然后把信號送入放大電路、整形及三極管組成的 整形電路進行 信號 處理，將 模擬 波信號轉(zhuǎn)化為 TTL 電平輸出到 單片機 計數(shù)器中 進行轉(zhuǎn)速計數(shù)，最后通過液晶顯示器顯示其數(shù)值 。硬件電路圖如圖附件 1 所示。 轉(zhuǎn)速信號 發(fā)射與 拾取的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計中采集信號部分是通過光電傳感器來實現(xiàn)，利用測速轉(zhuǎn)盤將激光信號轉(zhuǎn)變成單片機能夠處理的電信號。測速轉(zhuǎn)盤位于 激光 二極管和 接收光電傳感器 正前方 ，采用 +5V 電壓供電，選用合適的電阻值來配合 其工作。 激光 二極管發(fā)出的光信號通過反射紙， 光電傳感器 表面，并將接收到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。如圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖所示。 測速轉(zhuǎn)盤 光電傳感器 信號處理 單片機 顯示 鍵盤 半導體激光器 17 圖 轉(zhuǎn)速 信號發(fā)射與接收 電路圖 T11234567 891011121314J P 174 L S 04123J P 2發(fā)射管123J P 3接收管75R 11R e s 21KR 13R e s 21KR 12R e s 2D S 1激光管D S 2L E D 0V C CV C CV C CV C CC8C a pV C C 18 本 設(shè)計中 采用 LCD1602 液晶顯示器作為顯示部分， P0 口的 ～ 口作為液晶顯示器的段驅(qū)動， 使用一片 10K的上拉排阻