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激光对中仪研发

作　者: 王智群
导　师: 何士雅
学　校: 北京工业大学
专　业: 光学
关键词: 半导体激光器 PSD 单片机控制对中液晶显示
分类号: TH744.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 285次
引　用: 3次
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内容摘要

在需要主动轴带动从动轴旋转的大型、贵重机械设备中,检测两轴的中心线是否重合(即对中度)是动力机械等装配工作中十分重要的一步。如果对中良好,机器损坏将减少,突发故障得到防止及维修时间得到减少。经验证明, 对中不准将造成机械损坏,严重的将会危害操作人员生命安全。在两轴对中测量领域中,目前国外有多种高技术、高精度的光测量仪器,如德国普鲁夫激光对中仪,瑞典FIXTURLASER 激光对中仪等。本课题是由美国派利斯(北京)有限公司根据国内无该产品,而实际工业又急需的情况下,与北京工业大学合作建立激光对中仪研发项目的。激光对中仪是目前较为理想的精密对中测量仪器,它与回转轴相连接的是小巧而安全的半导体激光器(LD)和分辨率为6 的光电半导体位置探测器(PSD)。它的核心算法和人机交互功能由单片机系统完成。本论文在研发激光对中仪基础上完成。首先介绍半导体激光发生器产生激光的机理,然后根据激光的特性,研究了激光在测量中的不变量——能量中心。再研究了光接收器件位置敏感探测器PSD 探测机理和后续处理电路。依此机理,通过将激光束看成理想的直线,利用几何对称性,研究并建立双光束LD/PSD 激光对中仪数学模型,给出被测量参数坐标计算公式,通过该公式可得出两回转轴轴偏差、角偏差。在实际测量中,只要测量双光束LD/PSD 在两个角度时光斑的坐标,即可求得两轴的相对位置。系统核心MCU 是新华龙公司C8051F020 单片机,该单片机采集经过放大的PSD 输入电压信号,经过片内模/数(A/D)转换后,送入主处理机进行各种处理。最后,设计并研发整个仪器,系统包括半导体激光器、测量传感器、放大电路模块、单片机系统、LCD 显示模块和供电模块。um

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 课题背景  9-11
    1.1.1 对中在实际生产中的用途广泛  9
    1.1.2 传统的对中方法耗时低效  9-10
    1.1.3 激光对中仪的技术优势  10-11
  1.2 激光对中仪发展的历程、现状  11-12
    1.2.1 国际激光对中仪发展现状  11-12
    1.2.2 国内激光对中仪发展现状  12
  1.3 课题的提出  12-13
  1.4 课题研究的目的和意义  13
  1.5 主要的工作  13-15
第2章半导体激光器技术  15-29
  2.1 半导体激光器简介  15-22
    2.1.1 半导体激光器简介  15
    2.1.2 半导体激光器的发展阶段  15-19
    2.1.3 半导体激光器的应用  19-21
    2.1.4 半导体激光器的发展趋势  21-22
  2.2 半导体激光器原理  22-25
    2.2.1 粒子数反转  22-24
    2.2.2 共振腔及光量子放大  24
    2.2.3 阈值电流密度  24-25
  2.3 光在测量中的不变量——能量中心  25-27
  2.4 本章小结  27-29
第3章基于光电子技术的位敏传感器  29-57
  3.1 PSD 位敏传感器介绍  29-34
    3.1.1 PSD 的分类与现状  29-33
    3.1.2 PSD 研究展望  33
    3.1.3 PSD 的优点  33-34
  3.2 PSD 位敏传感器结构及原理  34-39
    3.2.1 一维 PSD 结构及原理  34-35
    3.2.2 二维 PSD 结构及原理  35-36
    3.2.3 枕型二维位置敏感探测器的设计原理  36-38
    3.2.4 实验用 PSD 主要指标  38-39
  3.3 PSD 位敏传感器后续处理电路  39-48
    3.3.1 WG200 信号处理器原理及分析  39-47
    3.3.2 改进后放大电路原理图及分析  47-48
  3.4 实验用PSD 性能分析  48-55
    3.4.1 PSD 的X、Y 轴方向线性度测试  48-51
    3.4.2 激光器不同光强对X、Y 轴单点影响  51-53
    3.4.3 不同背景光对PSD 的X、Y 轴单点精度的影响  53-55
  3.5 本章小结  55-57
第4章双光束LD/PSD 数学模型  57-65
  4.1 问题的提出  57-58
  4.2 机械装置的设计  58
  4.3 双光束 LD/PSD 数学模型的建立  58-64
    4.3.1 三个坐标系的建立  58-60
    4.3.2 两个中心坐标的计算  60-62
    4.3.3 从动轴前后脚挪动距离的计算  62-64
  4.4 双光束 LD/PSD 数学模型优点  64
  4.5 本章小结  64-65
第5章 C8051F020 单片机电路  65-77
  5.1 C8051F 系列单片机简介  65-66
  5.2 Cygnal C8051F020 单片机片内资源和特点  66-67
    5.2.1 F020 片内资源  66-67
    5.2.2 F020 主要特点  67
  5.3 C8051F020 中A/D 转换  67-73
    5.3.1 ADC 的精度与通道  68-69
    5.3.2 ADC 的速率与启动  69
    5.3.3 ADC 的基准与增益  69-70
    5.3.4 ADC 的数据与控制  70
    5.3.5 激光对中仪的模数转换硬件连接  70-71
    5.3.6 ADC 的激光对中仪程序  71-73
  5.4 C8051F020DK 开发工具  73-75
    5.4.1 C8051F020DK 开发工具简介  73
    5.4.2 C8051F020DK 开发工具软、硬件设计  73-75
  5.5 键盘原理及其硬件连接  75
  5.6 本章小结  75-77
第6章液晶显示模块软、硬件设计  77-91
  6.1 液晶显示模块简介及选型  77-78
  6.2 带字库 LCM128645ZK 模块的基本参数  78-80
    6.2.1 外型及点阵尺寸图  78-79
    6.2.2 电性能参数  79-80
    6.2.3 LCM128645ZK 引脚说明  80
  6.3 LCM128645ZK 模块硬件设计  80-82
  6.4 LCM128645ZK 模块的指令分析和指令集  82-86
    6.4.1 指令分析  82-84
    6.4.2 基本指令集  84-85
    6.4.3 扩充指令集  85-86
  6.5 激光对中仪显示软件设计  86-90
    6.5.1 接口定义  86
    6.5.2 关于液晶显示的几个子程序  86-87
    6.5.3 并行方式上电初始化程序分析  87-88
    6.5.4 激光对中仪显示模块软件程序分析  88-90
  6.6 本章小结  90-91
结论  91-93
参考文献  93-97
附录  97-117
致谢  117

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