廣西南寧地區(qū)教育學(xué)院 伍瓊芬 施家添 李素玲

光電測(cè)尺的數(shù)字顯示設(shè)計(jì)

廣西南寧地區(qū)教育學(xué)院 伍瓊芬 施家添 李素玲

光電測(cè)尺，即激光準(zhǔn)直檢測(cè)儀，對(duì)它的研制起源于橋式起重機(jī)的安全性檢測(cè)。橋式起重機(jī)是工程中廣泛應(yīng)用的大型起重運(yùn)輸機(jī)械，且經(jīng)常用于關(guān)鍵崗位。作為主要受力構(gòu)件的主梁，其安全性不僅影響到生產(chǎn)能否正常進(jìn)行，甚至?xí)＜叭松戆踩虼?，?guó)家規(guī)范不僅明確規(guī)定必須定期檢測(cè)，而且對(duì)檢測(cè)要求甚高；而具體實(shí)施中，檢測(cè)手段卻相當(dāng)簡(jiǎn)陋，要求與現(xiàn)實(shí)差距很大。若采用高精度裝置，則因其現(xiàn)場(chǎng)使用不便，裝置價(jià)格昂貴而無法普遍使用。因此，筆者根據(jù)實(shí)際情況，指出如下研制思路：光電測(cè)尺的數(shù)字顯示要適合規(guī)范要求的精度，且現(xiàn)場(chǎng)使用方便，價(jià)格適中，便于推廣。

一、相關(guān)原理

1. 光電檢測(cè)原理。光電檢測(cè)裝置主要由光電傳感器進(jìn)行測(cè)量，見圖1。光電傳感器的作用原理是：光源產(chǎn)生光通量，光通量的參數(shù)（如輻射能流的橫截面積、光譜成分及光強(qiáng)度等）受被測(cè)對(duì)象控制，然后由光電器件接收再轉(zhuǎn)變成電參數(shù)的變化進(jìn)行測(cè)量。

2. 光電測(cè)尺的構(gòu)造及工作原理。光電測(cè)尺采用激光光束作為基準(zhǔn)，充分發(fā)揮了激光直線性好、光強(qiáng)高、在較遠(yuǎn)距離仍能保持一定光強(qiáng)的特性。但光束有一個(gè)擴(kuò)散角，到一定距離后光斑直徑較大，不便采集，因此，根據(jù)檢測(cè)距離，壓縮發(fā)散角以調(diào)整光斑直徑作為研制工作的第一步；得到適當(dāng)?shù)墓獍咧睆胶?，采用集光、機(jī)、電為一體的測(cè)尺，一步實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，這是裝置的關(guān)鍵所在和創(chuàng)新之處。利用這套裝置，研究人員先后在現(xiàn)場(chǎng)完成l1臺(tái)雙梁橋式起重機(jī)箱形主梁的變形檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期效果，并有普遍推廣價(jià)值。研究人員還進(jìn)行過電梯軌道、起重機(jī)軌道的平直度檢查，也是成功的。從原理上講，大型結(jié)構(gòu)平整度完全可以用它進(jìn)行檢測(cè)；經(jīng)過改裝，還可以用于橋梁、高層建筑的位移監(jiān)測(cè)。裝置原理見圖2。

3. 光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。采用激光準(zhǔn)直儀由半導(dǎo)體激光器及電源、小型單筒望遠(yuǎn)鏡、孔徑約1 cm 的圓光闌、二象限光電池、2個(gè)可正、負(fù)顯示的小量程數(shù)字電壓表、導(dǎo)軌和3個(gè)調(diào)節(jié)架組成，見圖3。其中，半導(dǎo)體激光器用于產(chǎn)生紅色激光，倒置望遠(yuǎn)鏡用于對(duì)激光器發(fā)出的激光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，圓光闌可起到控制光斑直徑大小及獲得近似的軸對(duì)稱圓光束的雙重作用，二象限光電池用于檢測(cè)激光束中心相對(duì)其中心的位置。激光準(zhǔn)直儀檢查導(dǎo)軌的平直度的原理：由可見紅光的半導(dǎo)體激光器配上單筒望遠(yuǎn)鏡及合適孔徑的圓光闌，經(jīng)調(diào)節(jié)可形成一束與導(dǎo)軌軸平行且有一定截面積大小的基準(zhǔn)光束。實(shí)驗(yàn)表明，從光闌射出的軸對(duì)稱圓光束在強(qiáng)度和光強(qiáng)分布上均能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。光路調(diào)節(jié)好后，當(dāng)裝有二象限光電池的調(diào)節(jié)架在導(dǎo)軌上由近及遠(yuǎn)（或相反）移動(dòng)時(shí)，可由照在二象限光電池上光斑的上下、左右偏移而引起2個(gè)電壓表讀數(shù)正負(fù)和大小的變化來檢驗(yàn)導(dǎo)軌是否有高低起伏或扭曲。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)原理。數(shù)字化顯示的工作原理是：光電測(cè)尺的內(nèi)部電源是2塊并行連接的硅光電池，用激光照射時(shí)，如果光斑在2塊光電池的照射面積不同，2塊光電池產(chǎn)生電勢(shì)差且在回路閉和時(shí)產(chǎn)生光電流（即在傳統(tǒng)顯示時(shí)的表盤指針偏轉(zhuǎn)）。基于此研究者把內(nèi)部的電路的微光電流信號(hào)引出進(jìn)行電流補(bǔ)償，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后由數(shù)碼管或者液晶片顯示出來。

電路設(shè)計(jì)、由以下幾部分組成：微光電流補(bǔ)償電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字顯示功能塊和為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的電源電路，見圖4。在設(shè)計(jì)過程中，該設(shè)計(jì)使用的最核心的部分是具有高性能、高輸入阻抗和良好的線性A/D轉(zhuǎn)換特性的芯片UP5035A。

由于外部的干擾，在沒有光信號(hào)輸入的情況下，數(shù)字表仍有示數(shù)。為了提高檢測(cè)的精度，必須設(shè)計(jì)電路進(jìn)行補(bǔ)償。

在設(shè)計(jì)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的電源電路時(shí)，要將為整個(gè)系統(tǒng)提供能量的電源電路和微光電流補(bǔ)償電路兩部分分開設(shè)計(jì)，這樣既確保了精度又簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)最終組裝完成的儀器由3部分組成，即探測(cè)頭部分、游標(biāo)卡尺部分和主機(jī)顯示部分，見圖5。探測(cè)頭部分的主要材料是二象硅光電池，受到光照射刺激時(shí)所產(chǎn)生的光電流會(huì)經(jīng)一根細(xì)導(dǎo)線引入主機(jī)顯示部分。游標(biāo)卡尺的可動(dòng)游標(biāo)端和探測(cè)頭粘連在一起，因此移動(dòng)游標(biāo)卡尺的可動(dòng)游標(biāo)端時(shí)，探測(cè)頭也會(huì)相應(yīng)地移動(dòng)，并且移動(dòng)的距離可以讀出來。主機(jī)顯示部分的主要外觀組成是液晶顯示屏（可以進(jìn)行3位半的顯示），機(jī)體表面的另外2個(gè)旋鈕分別是主機(jī)的開關(guān)和顯示的調(diào)零旋鈕（用于每次使用前對(duì)顯示示數(shù)進(jìn)行調(diào)零），其中主機(jī)和探測(cè)頭由細(xì)導(dǎo)線連接。

2. 實(shí)驗(yàn)精度測(cè)定?？紤]到對(duì)橋式起重機(jī)及電梯使用過程中的安全性、可靠性的檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)精度只要求到毫米數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)設(shè)主要有邁克爾遜干涉儀、半導(dǎo)體激光器以及光電測(cè)尺等，見圖6。

實(shí)驗(yàn)的基本過程如下：實(shí)驗(yàn)前先將主機(jī)顯示部分的示數(shù)調(diào)整為0，設(shè)定激光器到探測(cè)頭的距離（如15 m）。首先調(diào)節(jié)干涉儀使得顯示的示數(shù)再次為零，然后調(diào)節(jié)干涉儀，使得示數(shù)變?yōu)槟骋粩?shù)值時(shí)，記錄下干涉儀的實(shí)驗(yàn)臺(tái)部分移動(dòng)的距離，再調(diào)節(jié)探測(cè)頭主體部分的游標(biāo)卡尺，使顯示的示數(shù)變?yōu)?并記錄下游標(biāo)卡尺移動(dòng)的距離，最后比較兩距離，得到其差值。改變激光器到探測(cè)頭的距離，進(jìn)行多組測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，共測(cè)量了3組數(shù)據(jù)，其中2組測(cè)量電流，1組測(cè)量電壓。經(jīng)初步的數(shù)據(jù)分析和處理，可以得到如下結(jié)論。

對(duì)2組電流測(cè)量值分析可得：激光斑中心正對(duì)二象光電池的中心線時(shí)，電流表示數(shù)為0。證明本課題的題設(shè)結(jié)論成立。當(dāng)激光斑照射到光電池表面的電極上（即白線附近）時(shí)，電流表的示數(shù)出現(xiàn)極小值。其原因是在白線附近，光電池表面涂滿了導(dǎo)電物質(zhì)，而感光材料極少。由于測(cè)量時(shí)激光器的輸出功率不穩(wěn)定，以及二象光電池的不均勻性，使得測(cè)量的結(jié)果不是很對(duì)稱，且數(shù)值浮動(dòng)較大。

對(duì)電壓測(cè)量值分析可得：激光斑中心正對(duì)二象光電池的中心線時(shí)，電壓表示數(shù)為0。激光斑照射到光電池表面的電極上（即白線附近）時(shí)，電壓表的示數(shù)出現(xiàn)極小值。其原因是在白線附近，光電池表面涂滿了導(dǎo)電物質(zhì)，而感光材料極少。電壓測(cè)量的結(jié)果比較對(duì)稱，且數(shù)值浮動(dòng)較小，同時(shí)對(duì)激光器的輸出功率和二象光電池的均勻性要求也不高。

在實(shí)驗(yàn)中使用的儀器為游標(biāo)卡尺和干涉儀以及氦–氖激光器。其中，游標(biāo)卡尺的精度為0.02 mm，干涉儀的精度為0.01 mm。在實(shí)際操作中，我們主要使用中心附近（電壓為0處）進(jìn)行測(cè)量。所得數(shù)據(jù)如見表1。

表 1 測(cè)量距離與偏差

由表1可知，隨著測(cè)量距離的增加，偏差逐漸減少；當(dāng)測(cè)量的距離在16 m左右時(shí)，測(cè)量結(jié)果最精確。

三、結(jié)論

結(jié)果表明，數(shù)字化顯示的光電測(cè)尺精確度高，調(diào)整結(jié)果直接和數(shù)字顯示聯(lián)系起來，結(jié)果一目了然；微電流數(shù)字化過程中使用放大電路，使調(diào)整更為方便、快捷且實(shí)際操作更為方便；數(shù)字化使集成體積更小，外形更為美觀，價(jià)格更為低廉，從而有利于產(chǎn)品的進(jìn)一步研發(fā)和投入市場(chǎng)生產(chǎn)。