光电测尺的数字显示设计

广西南宁地区教育学院 伍琼芬 施家添 李素玲

光电测尺的数字显示设计

广西南宁地区教育学院 伍琼芬 施家添 李素玲

光电测尺，即激光准直检测仪，对它的研制起源于桥式起重机的安全性检测。桥式起重机是工程中广泛应用的大型起重运输机械，且经常用于关键岗位。作为主要受力构件的主梁，其安全性不仅影响到生产能否正常进行，甚至会危及人身安全，因此，国家规范不仅明确规定必须定期检测，而且对检测要求甚高；而具体实施中，检测手段却相当简陋，要求与现实差距很大。若采用高精度装置，则因其现场使用不便，装置价格昂贵而无法普遍使用。因此，笔者根据实际情况，指出如下研制思路：光电测尺的数字显示要适合规范要求的精度，且现场使用方便，价格适中，便于推广。

一、相关原理

1. 光电检测原理。光电检测装置主要由光电传感器进行测量，见图1。光电传感器的作用原理是：光源产生光通量，光通量的参数（如辐射能流的横截面积、光谱成分及光强度等）受被测对象控制，然后由光电器件接收再转变成电参数的变化进行测量。

2. 光电测尺的构造及工作原理。光电测尺采用激光光束作为基准，充分发挥了激光直线性好、光强高、在较远距离仍能保持一定光强的特性。但光束有一个扩散角，到一定距离后光斑直径较大，不便采集，因此，根据检测距离，压缩发散角以调整光斑直径作为研制工作的第一步；得到适当的光斑直径后，采用集光、机、电为一体的测尺，一步实现检测，这是装置的关键所在和创新之处。利用这套装置，研究人员先后在现场完成l1台双梁桥式起重机箱形主梁的变形检测，达到了预期效果，并有普遍推广价值。研究人员还进行过电梯轨道、起重机轨道的平直度检查，也是成功的。从原理上讲，大型结构平整度完全可以用它进行检测；经过改装，还可以用于桥梁、高层建筑的位移监测。装置原理见图2。

3. 光学准直系统设计原理。采用激光准直仪由半导体激光器及电源、小型单筒望远镜、孔径约1 cm 的圆光阑、二象限光电池、2个可正、负显示的小量程数字电压表、导轨和3个调节架组成，见图3。其中，半导体激光器用于产生红色激光，倒置望远镜用于对激光器发出的激光束进行扩束准直，圆光阑可起到控制光斑直径大小及获得近似的轴对称圆光束的双重作用，二象限光电池用于检测激光束中心相对其中心的位置。激光准直仪检查导轨的平直度的原理：由可见红光的半导体激光器配上单筒望远镜及合适孔径的圆光阑，经调节可形成一束与导轨轴平行且有一定截面积大小的基准光束。实验表明，从光阑射出的轴对称圆光束在强度和光强分布上均能满足实验的要求。光路调节好后，当装有二象限光电池的调节架在导轨上由近及远（或相反）移动时，可由照在二象限光电池上光斑的上下、左右偏移而引起2个电压表读数正负和大小的变化来检验导轨是否有高低起伏或扭曲。

二、实验设计

1. 设计原理。数字化显示的工作原理是：光电测尺的内部电源是2块并行连接的硅光电池，用激光照射时，如果光斑在2块光电池的照射面积不同，2块光电池产生电势差且在回路闭和时产生光电流（即在传统显示时的表盘指针偏转）。基于此研究者把内部的电路的微光电流信号引出进行电流补偿，再通过模数转换器进行模数转换，最后由数码管或者液晶片显示出来。

电路设计、由以下几部分组成：微光电流补偿电路、模数转换电路、数字显示功能块和为整个系统提供能量的电源电路，见图4。在设计过程中，该设计使用的最核心的部分是具有高性能、高输入阻抗和良好的线性A/D转换特性的芯片UP5035A。

由于外部的干扰，在没有光信号输入的情况下，数字表仍有示数。为了提高检测的精度，必须设计电路进行补偿。

在设计为整个系统提供能量的电源电路时，要将为整个系统提供能量的电源电路和微光电流补偿电路两部分分开设计，这样既确保了精度又简化了电路的设计。

该设计最终组装完成的仪器由3部分组成，即探测头部分、游标卡尺部分和主机显示部分，见图5。探测头部分的主要材料是二象硅光电池，受到光照射刺激时所产生的光电流会经一根细导线引入主机显示部分。游标卡尺的可动游标端和探测头粘连在一起，因此移动游标卡尺的可动游标端时，探测头也会相应地移动，并且移动的距离可以读出来。主机显示部分的主要外观组成是液晶显示屏（可以进行3位半的显示），机体表面的另外2个旋钮分别是主机的开关和显示的调零旋钮（用于每次使用前对显示示数进行调零），其中主机和探测头由细导线连接。

2. 实验精度测定。考虑到对桥式起重机及电梯使用过程中的安全性、可靠性的检测，对检测精度只要求到毫米数量级。实验设主要有迈克尔逊干涉仪、半导体激光器以及光电测尺等，见图6。

实验的基本过程如下：实验前先将主机显示部分的示数调整为0，设定激光器到探测头的距离（如15 m）。首先调节干涉仪使得显示的示数再次为零，然后调节干涉仪，使得示数变为某一数值时，记录下干涉仪的实验台部分移动的距离，再调节探测头主体部分的游标卡尺，使显示的示数变为0并记录下游标卡尺移动的距离，最后比较两距离，得到其差值。改变激光器到探测头的距离，进行多组测量实验。

实验中，共测量了3组数据，其中2组测量电流，1组测量电压。经初步的数据分析和处理，可以得到如下结论。

对2组电流测量值分析可得：激光斑中心正对二象光电池的中心线时，电流表示数为0。证明本课题的题设结论成立。当激光斑照射到光电池表面的电极上（即白线附近）时，电流表的示数出现极小值。其原因是在白线附近，光电池表面涂满了导电物质，而感光材料极少。由于测量时激光器的输出功率不稳定，以及二象光电池的不均匀性，使得测量的结果不是很对称，且数值浮动较大。

对电压测量值分析可得：激光斑中心正对二象光电池的中心线时，电压表示数为0。激光斑照射到光电池表面的电极上（即白线附近）时，电压表的示数出现极小值。其原因是在白线附近，光电池表面涂满了导电物质，而感光材料极少。电压测量的结果比较对称，且数值浮动较小，同时对激光器的输出功率和二象光电池的均匀性要求也不高。

在实验中使用的仪器为游标卡尺和干涉仪以及氦–氖激光器。其中，游标卡尺的精度为0.02 mm，干涉仪的精度为0.01 mm。在实际操作中，我们主要使用中心附近（电压为0处）进行测量。所得数据如见表1。

表 1 测量距离与偏差

由表1可知，随着测量距离的增加，偏差逐渐减少；当测量的距离在16 m左右时，测量结果最精确。

三、结论

结果表明，数字化显示的光电测尺精确度高，调整结果直接和数字显示联系起来，结果一目了然；微电流数字化过程中使用放大电路，使调整更为方便、快捷且实际操作更为方便；数字化使集成体积更小，外形更为美观，价格更为低廉，从而有利于产品的进一步研发和投入市场生产。