LK031激光位移传感器设计

课程设计（报告）

题目：LK-031激光位移传感器数据采集系统设计学院：

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摘要

利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器(磁致伸缩位移传感器)就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的需要精密测量检测的行业。激光位移传感器是可以精确进行非接触位置、位移测量的精密传感器，主要应用于位置、位移、厚度、振动、距离等几何量的工业测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

本文对LK-031激光位移传感器数据采集系统进行了设计，该系统是利用CCD激光位移传感器来的两物体的微小形变量，再利用AD7705芯片进行A/D转换和用AT89C51作为处理器，最后用LED显示出测量的位移值。该测量系统量程为-5mm～+5mm，精度为1μm。该测量装置显示清晰明了，反应快，灵敏度高，性能稳定，结构简单且设计廉价，可以得到广泛的推广和使用。

关键词：位移传感器，AD7705，AT89C51，LED显示

目录

第1章绪论 (1)

第2章系统总体方案设计 (3)

2.1系统技术指标 (3)

2.2系统电路框图 (3)

2.3数据采集与处理方案 (3)

第3章系统硬件设计 (4)

3.1A/D电路选择 (4)

3.1.1AD7705引脚说明 (4)

3.1.2AD7705内部转换原理 (5)

3.1.3AD7705的数字接口 (6)

3.1.4AD7705的接口电路 (7)

3.2单片机的选择 (8)

3.2.1AT89C51主要特性 (8)

3.2.2管脚说明 (9)

3.3AD7705与AT89C51接口电路 (11)

3.4放大电路的设计 (11)

3.5调整电路与滤波电路设计 (12)

3.6显示电路设计 (13)

第4章系统软件设计 (18)

第5章电路原理图 (19)

总结 (20)

致谢 (21)

参考文献 (22)

第1章绪论

激光测距技术按照测程可以分为绝对距离测量法和微位移测量法；按照测距方法细分，绝对距离测距法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距，微位移测量法主要有三角法激光测距和干涉法激光测距。

脉冲激光测距的原理是：由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光(主波)，经过待测距离L后射到被测目标，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的间隔。即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可以算出待测目标的距离。

D=1/2ct

式中c为光速，脉冲法精度一般在米量级。例如，光速约为3108m/s，要想使分辨率达到1mm，则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：

0.001m(3108m/s)=3ps

要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

相位激光测距的原理是：对发射的激光进行光强调制，利用激光空间传播时调制信号的相位变化量。根据调制波的波长，计算出该相位延迟所代表的距离。即用相位延迟测量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间，实现距离的测量，这种方法精度可达到毫米级。

三角法激光测距是由激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上。当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。在80年代末90年代初，人们开始激光与三角测量的原理相结合，形成了激光三角测距器。它的优点是分辨率很高，精度高，可以达到微米数量级，不受被测物的材料、质地、型状、反射率的限制。从白色到黑色，从金属到陶瓷、塑料都可以测量。

激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。

图1-1激光三角法工作原理示意图

第2章系统总体方案设计

2.1系统技术指标

本次设计为LK-031激光位移传感器数据采集系统设计，其测量范围是±5mm ，输出电压是±5V ，设计一个位移采集与显示系统，要求系统位移分辨小于1μm ，位移用数码管显示，系统具有任意位置置零功能。

2.2系统电路框图

2.3数据采集与处理方案

当CCD 位移传感器反馈一个电压信号，由于位移传感器反馈的是物体的位移形变，而位移形变可以会发生形变陡然增大或减小，使反馈的电话信号突然变化，再加上外界环境的影响，可能会时反馈的电压信号不在-5V ～+5V 这个范围内变化，调整电路和滤波电路对信号进行限幅处理，限幅范围为-5V —+5V 。而放大电路把-5V ～+5V 范围的电压信号转换成0～10V 范围的电压信号，位移传感器的-5V 转换后对应的0V ，+5V 对应+10V 。A/D 转换器和单片机接受电压信号后，经过处理并输出显示在LED 屏幕上。

图2-1 系统电路框图