專利名稱：半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種光電檢測裝置，尤其是一種對熔融爐的爐襯厚度進行在線測量的裝置。
可見光無配合目標(biāo)微弱信號檢測技術(shù)是一項最新技術(shù)，據(jù)我們所知，國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品，國外只有瑞典Greotronics公司獨家生產(chǎn)的爐襯測厚儀，它可在煉鋼車間或玻璃精煉廠現(xiàn)場精確測量爐襯的厚度，替代以往傳統(tǒng)的人工目測法。瑞典公司使用的是He-Ne激光光源。目前，一般使用的激光測距儀，是用半導(dǎo)體紅外光做光源，它是有配合目標(biāo)的(用反射棱鏡將被測激光反射回來進行檢測)而用可見半導(dǎo)體紅激光做光源的測距、測厚系統(tǒng)目前尚未見報導(dǎo)。
本實用新型的發(fā)明目的就是提供一種體積小、成本低、易調(diào)制、使用安全、壽命長的半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置。
本實用新型的半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置主要由激光發(fā)射部分、信號接收部分、信號處理部分所組成，該裝置的鎖相穩(wěn)頻電路的輸出端分別接f1放大電路、f2放大電路、鑒相電路，驅(qū)動電路的輸入端接f2放大電路，輸出端接半導(dǎo)體激光管，柱面準(zhǔn)直透鏡位于半導(dǎo)體激光管的輸出端；混頻器的輸入端分別接f1放大電路和雪崩管的輸出端，雪崩管的輸入端接望遠鏡裝置，在望遠鏡裝置的光輸入口設(shè)有干涉濾光片，混頻器的輸出端接選頻放大與整形電路，鑒相電路的輸入端分別與選頻放大與整形電路及鎖相穩(wěn)頻電路的輸出端相接，鑒相電路的輸出端接顯示器。
本實用新型的優(yōu)點在于與目前常用的設(shè)備相比，具有體積小、成本低、易調(diào)制、使用安全、壽命長的優(yōu)點，具體的比較為
1.與瑞典Greotronics公司生產(chǎn)的爐襯測厚儀相比，該種儀器采用He-Ne激光做光源，這是一種氣體激光器，與本發(fā)明所用的半導(dǎo)體紅激光器相比，它體積大，壽命短，容易損壞；由于使用高壓，放電起輝，其安全性差；使用外調(diào)制技術(shù)進行光強高頻調(diào)制，技術(shù)復(fù)雜，成本高。在這方面是無法與本發(fā)明使用的半導(dǎo)體激光器相比的，其間的差異類似當(dāng)年的真空電子管與半導(dǎo)體電子管。
2.與現(xiàn)有的紅外測距儀相比，該儀器采用紅外半導(dǎo)體激光管或半導(dǎo)體發(fā)光二極管做光源，發(fā)出不可見的紅外光，測量時在被測處必須放置一個反射器，將儀器發(fā)出的紅外光反射回來進行測量，是有配合目標(biāo)測量，這種儀器不能用于生產(chǎn)現(xiàn)場的爐襯測厚。本發(fā)明裝置使用可見紅光的半導(dǎo)體激光器做光源，它發(fā)出的可見紅光直接打在被測物體上，由被測物將裝置發(fā)出的紅光漫反射回來進行測量，是無配合目標(biāo)測量，只有這樣才能用于爐襯測厚。


圖1是本實用新型的原理框圖。其中包括f2放大電路21、驅(qū)動電源22、半導(dǎo)體激光管23、柱面準(zhǔn)直透鏡24；f1放大電路11、混頻器12、雪崩管13、望遠鏡裝置14；鎖相穩(wěn)頻電路4；鑒相電路31、選頻放大與整形電路32、顯示器33。
圖2是本實用新型信號發(fā)射部分的電原理圖。其中包括f2放大電路21、驅(qū)動電源22、半導(dǎo)體激光器23。
圖3是本實用新型信號接收部分的電原理圖。其中包括f1放大電路11、混頻器12、雪崩管13。
圖4是本實用新型選頻放大與整形電路32、鑒相電路31的電原理圖。
本實用新型的實施方案如下一、鎖相穩(wěn)頻電路4主要包括晶體管2N1、2N2、2N3與非門2U2A、2U2B、2U3A、2U4、2U5。
鎖相穩(wěn)頻部分提供整個系統(tǒng)所需的本振信號(頻率為f1)，主振信號(頻率為f2)，以及本主振的差信號fp。采用穩(wěn)定度小于5×10-6，頻率為15MHz的溫補晶振作本振，經(jīng)10000次分頻后，得到的頻率fp為1.500KHz。本系統(tǒng)壓控振蕩器輸出的主振信號頻率f2＝f1+fp＝15.0015MHz，它通過高頻放大器放大后送往激光驅(qū)動電源。本振信號經(jīng)高頻放大后，送往混頻器與雪崩管接收的頻率為f2的被測信號混頻，經(jīng)低頻選頻放大器取出其差頻信號，加到鑒相器的輸入端。fp作為參考信號送往鑒相器。主振信號通過鎖相環(huán)路跟蹤本振信號進行穩(wěn)頻。鎖頻部分的混頻器采用MC1496，壓控振蕩器采用晶振并取晶振頻率基本與f1接近，鎖相環(huán)用NE564。
二、激光發(fā)射部分激光發(fā)射部分由f2放大電路21，驅(qū)動電路22和自動光功率控制電路及半導(dǎo)體激光管23構(gòu)成。本裝置所用半導(dǎo)體激光管2D4型號為HL6711G，閾值電流為29mA，通過的電流是48mA時激光管輸出最大功率即為10mW。鎖相部分提供的主振信號經(jīng)放大隔離后送至激光管驅(qū)動電路，使之發(fā)出高頻光強調(diào)制的光信號，驅(qū)動電路1U1是一個對稱平衡的連續(xù)調(diào)制電路，其中Vin為調(diào)制電信號的輸入端，2N1～2N5為中功率高頻管。
自動光控電路的功能是當(dāng)環(huán)境溫度變化時，激光器的輸出功率也要變化，通過自動改變激光器電流大小，來保持輸出功率的恒定。
三、光電接收與檢測此部分由干涉濾光片15，望遠鏡裝置14，雪崩管(APD)D2組成。雪崩管采用GT231-A型光纖耦合Si拉通型低噪聲雪崩光電二極管(Si-RAPD)。為解決不同工作溫度對APD加不同的反向偏壓，以保持APD的信增因子基本不變，本裝置采用的方法不同于常規(guī)，而是在固定APD的內(nèi)電路光強的情況下，調(diào)節(jié)APD反向偏壓，同時檢測低頻測距信號，直至低頻測距信號達規(guī)定值，從而補償APD的增益。
干涉濾光片的作用是濾去650-670nm波長以外的雜散光，使系統(tǒng)能在白光下工作。望遠鏡裝置用于接收被測物漫反射回來的被測光信號，以提高接收靈敏度，望遠鏡裝置口徑為60mm，焦距為75mm。
四、混頻、選頻放大與整形信號混頻器Q2采用2SK127混頻管，經(jīng)混頻，所得信號需要通過選頻網(wǎng)絡(luò)，將有用的差頻測距信號選出，經(jīng)放大后通過通常的整形電路將其整形為測距方波。
本裝置的選頻網(wǎng)絡(luò)采用有源濾波器，它在濾波的同時，還可將信號放大，本裝置用運算放大器作有源器件，構(gòu)成多路反饋式二階帶通有源濾波器，并用兩極濾波增強濾波效果，同時滿足系統(tǒng)增益要求。各級濾波器參數(shù)設(shè)計為中心頻率f0＝1.500KHz，品質(zhì)因數(shù)Q＝14，中心頻率增益為10。
五、鑒相電路31與顯示器33鑒相電路31是對測距信號和參考信號進行檢相，并測出兩者之間的相位差。本裝置采用自動數(shù)字測相的方法，進行相位測量。其中em，em為互補測距信號；er為參考信號，U1為斯密特觸發(fā)器74HC132；U2為異或門74HC86；U3為二進制計數(shù)器；U4為74HC10，U5為相位方波控制門；U6為8位二進制計數(shù)器。P3.5(即T1)為8031單片機，用于測相次數(shù)的計數(shù)；P4.0為計數(shù)器U6的清零端。
本裝置用單片機進行整個測距系統(tǒng)的控制與指揮，它控制整個系統(tǒng)按規(guī)定時序進行各種工作，同時擔(dān)負(fù)數(shù)據(jù)處理和顯示控制。系統(tǒng)單片機采用飛利浦公司生產(chǎn)的51系列高性能8位單片機80C552。系統(tǒng)顯示部分為7位七段LCD顯示器。
本裝置的光學(xué)系統(tǒng)采用一般激光測距儀(包括光電測距儀)通用的光學(xué)系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收、外光路減光與內(nèi)外光路轉(zhuǎn)換這幾部分。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置，由激光發(fā)射部分、信號接收部分、信號處理部分所組成，其特征在于該裝置的鎖相穩(wěn)頻電路(4)的輸出端分別接f1放大電路(11)、f2放大電路(21)、鑒相電路(31)，驅(qū)動電路(22)的輸入端接f2放大電路(21)，輸出端接半導(dǎo)體激光管(23)，柱面準(zhǔn)直透鏡(24)位于半導(dǎo)體激光管(23)的輸出端；混頻器(12)的輸入端分別接f1放大電路(11)和雪崩管(13)的輸出端，雪崩管(13)的輸入端接望遠鏡裝置(14)，在望遠鏡裝置(14)的光輸入口設(shè)有干涉濾光片(15)，混頻器(12)的輸出端接選頻放大與整形電路(32)，鑒相電路(31)的輸入端分別與選頻放大與整形電路(32)及鎖相穩(wěn)頻電路(4)的輸出端相接，鑒相電路(31)的輸出端接顯示器(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置，其特征在于雪崩管(13)采用光纖耦合型Si拉通低噪聲雪崩光電二極管3D2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光管(23)2D4采用型號為“HL6711G”。
專利摘要半導(dǎo)體紅激光無配合目標(biāo)測距測厚裝置是一種對熔融爐的爐襯厚度進行在線測量的裝置,該裝置的鎖相穩(wěn)頻電路(4)的輸出端分別接f
文檔編號G01B11/02GK2482053SQ0123813
公開日2002年3月13日 申請日期2001年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月6日
發(fā)明者華家寧, 曾毓敏 申請人:南京師范大學(xué)