專利名稱：高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光微弱信號測距測厚技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光微弱信號測距測厚技術(shù)，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。
微弱光信號檢測技術(shù)是一門高新技術(shù)，可為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的測試手段。利用激光作無配合目標(biāo)的長度精密測量是該技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用方面。如煉鋼車間的爐(包)襯測厚儀是在1500℃以上高溫環(huán)境，并有很強(qiáng)背景噪聲的情況下，通過對從爐壁漫反射回來的高頻光強(qiáng)調(diào)制的微弱光信號的檢測，來測試爐襯的厚度，進(jìn)而可繪制煉鋼爐內(nèi)壁的輪廓圖代替目測法，以便及時(shí)修補(bǔ)，延長煉鋼爐的使用壽命，可取得很高的經(jīng)濟(jì)效益。
這種測厚儀是采用相位法測距的基本原理，把激光經(jīng)光強(qiáng)調(diào)制器變成調(diào)制波，經(jīng)發(fā)射器發(fā)出調(diào)制光，反射回來的光由接受器接受，得到測距信號，經(jīng)放大送到相位計(jì)，與發(fā)射時(shí)刻送到相位計(jì)的起始信號(基準(zhǔn)或參考信號)進(jìn)行相位比較，得到發(fā)射時(shí)刻和接受時(shí)刻調(diào)制光波的相位差，然后通過計(jì)算機(jī)顯示出相應(yīng)的距離值?，F(xiàn)在國際上僅瑞典Geotronics公司獨(dú)家生產(chǎn)爐(包)襯測厚儀，是用波長為632.8nm的He-Ne激光做光源(據(jù)IMS 1700 TURBO測試儀及IMS 1200TURBO測試儀資料)，它與被測對象——爐(包)襯發(fā)出的紅光波長相近，測量時(shí)有很強(qiáng)的背景噪聲，信噪比低，此外He-Ne氣體激光管壽命短，易損壞，外調(diào)制成本高。瑞士Leica公司生產(chǎn)的＂Hand-held laser meter＂是1994年世界100項(xiàng)重大發(fā)明之一，這種手提式激光測距儀使用的是波長為650nm的半導(dǎo)體激光器(據(jù)＂Hand-held laser meter＂資料)，若用這種測距儀做爐(包)襯測厚儀，同樣信噪比低。上述兩種儀器均用紅光做光源，其波長長，光子能量較小，因此量子效應(yīng)低，特別在無配合目標(biāo)的測距測厚中，由于探測器接受的光信號非常微弱，功率在nW量級，提高其接受靈敏度成了一個(gè)很重要的問題。
本發(fā)明的目的就是針對使用紅激光的缺陷，特地提供了高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光微弱信號測距測厚技術(shù)，使用綠激光做光源，在爐襯測厚儀中與很強(qiáng)的爐襯紅光背景噪聲相比波長相差較大，可大大提高信噪比。由于綠光波長短，光子能量大，量子效應(yīng)高，也可提高測量靈敏度。
本發(fā)明是采用相位法測距的基本原理，研制了一套高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光微弱信號檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)共分五個(gè)部分鎖相穩(wěn)頻，激光發(fā)射與調(diào)制，光電接受檢測，低頻選頻放大與整形，鑒相顯示。下面結(jié)合附圖
描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理。附圖是該檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖。其中1是鎖相穩(wěn)頻部分，2是放大器，3是驅(qū)動(dòng)器，4是固體激光器，5是聚焦系統(tǒng)，6是聲光調(diào)制器，7是準(zhǔn)直系統(tǒng)，8是放大器，9是光電倍增管，10是望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，11是高壓電源，12是低頻選頻放大器，13是鑒相器，14是顯示，15是被測物體。
(1)鎖相穩(wěn)頻鎖相穩(wěn)頻部分提供整個(gè)系統(tǒng)所需的主振信號(頻率為f1)、本振信號(頻率為f2)，以及主、本振的差頻信號fp。采用穩(wěn)定度小于5ppm，頻率為15MHz的溫補(bǔ)晶振作為主振，則經(jīng)10000次分頻后，得到約為1.500KHz。用主振的輸出信號頻率f1與壓控信號頻率f2，經(jīng)混頻后產(chǎn)生和頻信號f1+f2，與差頻信號f1-f1，用低通濾波器濾除和頻，取出差頻信號f1-f2或f2-f1加到鑒相器的輸出端。當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定時(shí)f1-f2＝fp或f2-f1＝fp故壓控振蕩器的輸出頻率為f2＝f1-fp或f2＝f1-fp本系統(tǒng)調(diào)整f2＝f1+fp＝15.0015MHz。主振f1通過高頻放大器放大后送往光電倍增管。本振f2送往聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)器來調(diào)制激光，差頻fp作為參考信號送往鑒相器。我們采用鎖相穩(wěn)頻技術(shù)，在本系統(tǒng)中體現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn)(1)保證所有信號的穩(wěn)定。(2)在溫補(bǔ)晶振頻率有小的漂移情況下，低頻參考信號與低頻測距信號完全同頻。差頻的穩(wěn)定度能達(dá)到10-4，能夠滿足精度的要求。
鎖相部分的混頻器采用MC1496，MC1496工作溫度范圍是0℃--70℃，具有極好的載波抑制能力，高的共模抑制比，平衡輸入、輸出，方便的增益調(diào)整與信號處理等優(yōu)點(diǎn)。
(2)激光發(fā)射與調(diào)制a.LD泵浦的固體激光器所用的半導(dǎo)體泵浦固體綠激光器(Diode Pumped NdYVO4Green Lasers)，由中科院福州科騰光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)，型號是CDPL-1020，波長為532nm，輸出功率為20mW，光斑直徑為0.068mm，發(fā)散角為10mrad，輸出的激光為線偏振光。此種小型綠激光器是LD泵浦的全固化激光器。
b.聲光調(diào)制由于國內(nèi)外對半導(dǎo)體泵浦固體綠激光進(jìn)行內(nèi)調(diào)制的最高頻率才1MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到我們所需的調(diào)制頻率，因此我們只能用外調(diào)制的方法來進(jìn)行調(diào)制。電光調(diào)制器一個(gè)很大的缺點(diǎn)是調(diào)制電壓非常高，大約為幾百伏。而聲光調(diào)制器的調(diào)制電壓才5伏左右，所以我們選用聲光調(diào)制器來對激光進(jìn)行外調(diào)制。
我們所用的聲光調(diào)制器是英國Gooch&Housego公司的M350-2C，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器是該公司的A310，A310的最高載波頻率為350MHz。欲把激光的光強(qiáng)調(diào)制到15MHz，要耱通過聲光調(diào)制器晶體中的激光束直徑小于0.1mm。由于固體激光器發(fā)散角比He-Ne激光器大，為達(dá)到這個(gè)要求，我們自行設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。將光斑直徑為0.068mm且發(fā)散角為10mrad的發(fā)散激光束聚焦為發(fā)散角小于7mrad聚焦直徑小于0.1mm的會聚激光束，保證通過聲光調(diào)制器(M350-2C)晶體激發(fā)部分的光束直徑小于0.1mm，然后再用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)將通過聲光調(diào)制器的調(diào)制光束在4--6米的測試范圍內(nèi)會聚成直徑不大于5mm的光斑。該光學(xué)系統(tǒng)分兩部分，第一部分光學(xué)組合系統(tǒng)(焦距為135mm)將固體激光器發(fā)出的激光束初步會聚；第二部分由一焦距為500mm的長焦距透鏡和焦距為32mm的短焦距透鏡相距310mm組成。
(3)光電接收檢測光電接收檢測部分由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、光電倍增管、高壓電源、濾波電路，選頻放大器、屏蔽罩等構(gòu)成。
我們使用的光電倍增管是日本HAMAMATSU公司生產(chǎn)的R980，它對532nm的綠激光具有較好的光譜響應(yīng)，適合加1250V高壓，平均陽極電流是0.1mA，陰極靈敏度為100μA/1m，典型上升時(shí)間為2.8ns。
分壓電路提供倍增管合適的偏置電壓和各倍增極的加速電壓，濾波電路給倍增管提供合適的負(fù)載，并且濾去高頻分量。利用光電倍增管陰極與聚焦極組成的二極管之非線性特性進(jìn)行混頻。
15.0015MHz的調(diào)制光波經(jīng)無配合目標(biāo)漫反射到光電倍增管的陰極，光電陰檢將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。另一路15MHz的本振電信號通過電容也反饋給光陰極。兩路高頻信號在光陰極與聚焦極之間進(jìn)行混頻，產(chǎn)生1.5KHz的低頻信號，它經(jīng)過聚焦極以后的10個(gè)倍增極放大，最后電子被陽極收集，經(jīng)負(fù)載電阻及濾波電路濾去高頻分量，饋給前置低頻選頻放大器。
(4)低頻選頻放大與整形經(jīng)混頻所得的信號，需要通過選頻網(wǎng)絡(luò)，將有用的低頻測距信號選出，經(jīng)放大后通過整形電路將其整形為測距方波。
利用選頻網(wǎng)絡(luò)選頻放大是抑制系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)檢測靈敏度最簡單而行之有效的一種方法。選頻網(wǎng)絡(luò)最常用的就是模擬濾波器。濾波器通常有無源濾波器和有源濾波器兩類。無源濾波器由無源器件組成，其增益A≤1；而有源濾波器由于是有源器件，因而其增益A＞1，即它在濾波的同時(shí)，可以將信號放大。
本系統(tǒng)采用運(yùn)算放大器(LM324)作為有源器件，構(gòu)成多路反饋式二階帶通有源濾波器，并運(yùn)用兩級濾波增強(qiáng)濾波效果，同時(shí)滿足系統(tǒng)增益要求。LM324的輸入電流、輸入偏置電流和調(diào)零電壓都非常低，而且具很寬的輸出電壓，可以從0V到V+-1.5V。各級濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)為中心頻率＝1.500KHz，品質(zhì)因數(shù)Q＝40，中心頻率增益＝10，由此可選出KHz頻率的差頻測量信號。
經(jīng)選頻放大后的信號，需要通過整形電路整形成方波。本系統(tǒng)采用LM393電壓比較器進(jìn)行波形整形，再送入鑒相器鑒相。
(5)鑒相顯示鑒相方法采用當(dāng)前廣泛使用的自動(dòng)數(shù)字測相技術(shù)，它不僅精度高、測量速度快，直觀、準(zhǔn)確，且便于數(shù)據(jù)記錄和處理自動(dòng)化，由比較器、檢相器、計(jì)數(shù)器以及89C51單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。
目前瑞典Gectrcnics公司獨(dú)家生產(chǎn)的He-Ne激光爐襯測厚儀在我國只有幾家大型鋼廠各有1--2臺，總數(shù)不超過十臺，大多數(shù)中小鋼廠及全部的玻璃廠均沒有，仍然采用傳統(tǒng)的人工目測方法。按瑞典公司的價(jià)格每臺約40萬美元，一年維護(hù)費(fèi)1.4萬美元，壽命只有7--8年。若以本專利發(fā)明為核心，研制一種新型綠激光爐襯測厚儀，可大大提高信噪比，測量靈敏度和使用壽命。若用內(nèi)調(diào)制技術(shù)取代瑞典公司的He-Ne激光外調(diào)制技術(shù)，特別是使用半導(dǎo)體綠激光管，則于其體積小、價(jià)格便宜、易調(diào)制、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊，可大大降低儀器的成本，在國際上會有很強(qiáng)的競爭能力和廣闊的市場前景，有無法估量的經(jīng)濟(jì)效益。用現(xiàn)代化儀器自動(dòng)測量代替人工目測，可大大節(jié)約耐火材料，保證安全生產(chǎn)，避免重大的人身和設(shè)備事故，從這方面看也有很高的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
由于目前可用于制造儀器的綠激光器只有半導(dǎo)體泵浦的固體綠激光器，它的成本高，加之其內(nèi)調(diào)制技術(shù)還達(dá)不到本發(fā)明所要求的10MHz以上，因此，本發(fā)明只能采用外調(diào)制技術(shù)，因此，采用本發(fā)明制作的儀器技術(shù)較為復(fù)雜，成本較高。
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，本技術(shù)可在兩方面進(jìn)一步改進(jìn)A.用內(nèi)調(diào)制的方法將上述半導(dǎo)體泵浦的固體綠激光光強(qiáng)變化調(diào)制到10MHz以上，所謂“內(nèi)調(diào)制”指將鎖相部分提供的本振信號經(jīng)放大隔離后，送至半導(dǎo)體紅外管的驅(qū)動(dòng)電路，使倍頻后的綠激光直接發(fā)出高頻光強(qiáng)調(diào)制的光信號，無需使用聲光調(diào)制器。
B.可用于內(nèi)調(diào)制的半導(dǎo)體綠激光管，目前壽命還太短，預(yù)計(jì)不久將會有長壽命的半導(dǎo)體激光器面世。那時(shí)可選用直接發(fā)綠光的半導(dǎo)體激光管(不用晶體倍頻)，采用內(nèi)調(diào)制的方法，使半導(dǎo)體綠激光器直接發(fā)出高頻光強(qiáng)調(diào)制的光信號。它可以做到體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便安全，前景非常好。
采用本發(fā)明技術(shù)為核心，加上已成熟的激光測距有關(guān)的輔助系統(tǒng)，制成綠激光爐襯測厚儀，可廣泛用于煉鋼和玻璃廠的爐襯測厚。
權(quán)利要求
1.用高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光激弱信號測距測厚技術(shù)，為根據(jù)相位測距法原理研制成的一套實(shí)驗(yàn)檢測系統(tǒng)，包括鎖相穩(wěn)頻、激光發(fā)射與調(diào)制、光電接收檢測、低頻選頻放大與整形和鑒相顯示等五部分組成，其特征是激光光源采用半導(dǎo)體泵浦的固體綠激光器(Diode Pumped NdYVO4Green Lasers)，輸出波長為532nm，用聲光調(diào)制器進(jìn)行外調(diào)制將激光光強(qiáng)調(diào)制到10MHz以上的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光微弱信號測距測厚技術(shù)，其特征是光電接收檢測部分的探測器采用光電倍增管接收被測物漫反射回來的微弱光信號，并在光電倍增管的陰極與溫補(bǔ)晶振信號進(jìn)行混頻。
全文摘要
一種利用相位測距法原理設(shè)計(jì)的用高頻光強(qiáng)調(diào)制綠激光激弱信號測距測厚技術(shù),由鎖相穩(wěn)頻、激光發(fā)射與調(diào)制、光電接收檢測,低頻選頻放大與整形和鑒相顯示五部分組成。采用綠激光做光源,與紅激光相比,在爐襯測厚儀中,可大大提高信噪比和測量靈敏度,并可采用內(nèi)調(diào)制綠激光源,做到體積小、成本低、效率高,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便安全,前景非常好。
文檔編號G01B11/06GK1260477SQ0011206
公開日2000年7月19日 申請日期2000年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月31日
發(fā)明者華家寧, 吳棟 申請人:南京師范大學(xué)