激光技术论文范文

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第1篇

论文摘要：本文论述了激光探测系统信息接口技术；讨论了激光探测接口的一般设计思想。

1引言

激光具有波长单一和良好的方向性，所以和传统的探测方法相比，激光探测具有精度高，抗干扰能力强等特点，在激光测距、激光雷达、激光告警、激光制导、目标识别等军事领域，都得到了广泛应用。针对不同武器系统的需求，激光探测系统接口呈现出多样性。

近年来，随着应用需求和集成化度的增加，激光探测系内部、激光探测系统和各武器平台之间集成了不同厂商的硬件设备、数据平台、网络协议等，由此带来的异构性给探测系统的互操作性、兼容性及平滑升级能力带来了问题。

对激光探测系统而言，接口技术的设计是整个系统集成的关键技术。一个激光探测系统的设计、实施，有很大的工作量是在接口的处理上，好的接口设计可以提高系统的稳定性、运行效率、升级能力等，本文以激光探测系统接口技术为研究对象，着重分析其接口技术类型、设计考虑因素和验证方法。

2激光探测系统几种主要接口技术

接口是多要素或多系统之间的公共边界部分，对激光探测系统的接口包括机械接口、电气接口、电子接口、软件接口等，本文着重讨论电子接口。按物理电气特性划分，常用的激光探测系统接口类型可分为以下几类：

1TTL电平接口：最通用的接口类型，常用做系统内及系统间接口信号标准。驱动能力一般为几毫安到几十毫安，在激光探测系统中主要应用是作为长距离的总线数据和控制信号的传输

2CMOS电平接口：速度范围与TTL相仿，驱动能力要弱一些。

3ECL电平接口：为高速电气接口，速率可达几百兆，但相应功耗较大，电磁辐射与干扰与较大。

4LVDS电平接口：在标准中推荐的最大操作速率是655Mbps，电流驱动模式，信号的噪声和EMI都较小。

5GTL接口电平：低电压，低摆幅，常用作背板总线型信号的传输，虽然使用频率一般在100MHz以下，但上升沿一般都比较陡，特别是对沿敏感的信号，如时钟信号。

6RS-232电平接口：为低速串行通信接口标准，电平为±12V，用于DTE与DCE之间的连接。RS-232接口采用不平衡传输方式，收、发端的数据信号是相对于信号地的电平而言，其共模抑制能力低，传输距离近，多用于点对点接口通讯。

7RS-422/RS-485接口：采用平衡方式传输，采用差分方式，使其在通讯速率、抗干扰性和传输距离较RS-232接口有较大改善。多用于多点接口通迅。RS485电平接口可驱动32个负载，忍受-7V到12V共模干扰。

9光隔离接口：能实现电气隔离，更高速率的器件价格较昂贵。

10线圈耦合接口：电气隔离特性好，但允许信号带宽有限

11以太网：经常采用的是10Base-T和100Base-T两种主流标准，主要应用激光探测系统和分系统之间的接口通讯和数据传输。以太网接口具有性价比高、数据传输速率高、资源共享能力强和广泛的技术支持等众多优点。

12USB接口：USB总线接口是一种基于令牌的接口，USB主控制器广播令牌，总线上的设备检测令牌中的地址是否与自身相符，通过发送和接收数据对主机作出响应，其最大的优点是安装配置简单。

3激光探测系统接口方案设计考虑因素

随着大规模数字处理芯片和高速接口芯片的迅猛发展，激光探测系统也呈现出智能化、小型化、模块化的趋势。在激光探测系统中，信息接口的设计逐渐向标准化、网络化、多节点、高速等方向展

3.1接口信号传输中的干扰噪声

3.1.1接口信号传输中的主要干扰形式

a)串模干扰：杂散信号通过感应和辐射的方式进入接口信道的干扰。串模干扰的产生原因主要是传输中插件等所产生的接触电势、热电势等噪声引起的。

b)共模干扰：干扰同时作用在两根信号往返线上，而且幅指相同。共模干扰产生的原因，主要是传输线路较长，在发送端和接收端之间存在着接地的电位差。

3.1.2接口信号传输中的抗干扰措施

a)传输线的选择

为了抑制由于杂散电磁场通过电磁感应和静电感应进入信道的干扰，接口传输线应尽量选用双绞线和屏蔽线，并将屏蔽层接地，而且屏蔽层的接地要于激光探测系统一端浮地的结构形式配合，不要将屏蔽线层当作信号线和公用线。

b)传输线的平衡和匹配

采用平衡电路和平衡传输结构是抑制共模干扰的有力措施。目前广泛使用的是差分式平衢性线电路，例如RS-422/RS-485标准串口电路。

接口信号传输时还要考虑与传输线特性阻抗的匹配问题。一般长线传输的驱动器接收器都适用于驱动特性阻抗为50Ω—150Ω的同轴电缆和双绞线，一般接口接收器的输入阻抗要比传输线的特性阻抗大，因此要设法将两者匹配，最好将发送端和接收端匹配。

控制信号线的具体配置：控制信号线要和强电、数据总线、地址总线分开，尽量选用双绞线和屏蔽线，并将屏蔽层接地。

c)隔离技术：电位隔离是常用的抗干扰方法，接口信号采用光电隔离和电磁隔离可以切断接口内外线路的电气连接，从而减弱露流、地阻抗耦合等传导性干扰的影响。3.2接口硬件的选择原则：

3.2.1为各类接口选择合适的总线接口芯片、接口总线，并设计具体的接口电路。

3.2.3选择接口芯片时应根据激光探测系统CPU/MPU类型，总线类型／宽度和系统所完成的功能并按照高效、经济、可靠，方便、简单的原则来确定。

3.2.4设计具体的接口电路应具体考虑电源问题

3.2.5数据／命令的锁存和驱动

激光探测系统内部及激光探测系统和其他系统间实施数据／命令传输时，一般采用数据锁存技术来适应双方读写的时间要求。

3.3接口的实时性

由于激光探测系统对数据处理和传输的实时性要求很高，设计时要使时钟抖动、通道间时延、工作周期失真以及系统噪声最小化，所以设计接口时尽量选用高通讯速率和同步工作方式。

接口软件的设计原则

同步通讯系统软件设计要充分考虑数据流量的控制，最好在数据发送方发送数据时每隔一段时间插入一段空闲时间，从而保证数据同步传输的可靠性。

异步通讯系统软件设计要充分考虑合理的数据校验方式，可以根据系统要求选择冗余校验、校验和、冗余校验的方法。

4激光探测系统接口方案设计验证

构建高速有效的激光探测系统接口是非常有挑战性的，并且设计者需要在设计接口前后就考虑多个因素，详细的系统级的验证都是必须的。

4.1设计前的验证

基于指令集模拟器和硬件模拟器软硬件模拟技术是一种高效、低代价的系统验证方法。接口设计软件采用汇编，C，C++等语言编写，用户编写的接口源程序经过交叉编译器和连接器编译，输入到软件指令集模拟器进行软件模拟。而接口硬件验证则采用硬件描述语言如VHDL设计，经过编译后由硬件模拟器模拟。但设计前的验证也有一定的局限性，比如只能验证数字接口和验证环境理想化等缺点。这些都需要设计后的验证

4.2设计后的验证

最常见的验证方法是制作模拟激光探测系统内部接口和系统间外部接口的通用信号源，通用信号源可以模拟探测系统内部的如主回波、时统、显示、键盘等信号，也可以模拟输入外部操控命令，并将激光探测系统状态、测量数据等信息显示输出。

4.3通过验证，发现问题，修改设计，然后再模拟，最终完成满足要求的软硬件接口设计。

第2篇

0引言

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化,光束移开后自激冷却形成稀释率极低,与基体材料呈冶金结合的表面涂层,从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法[1~3]。如对60#钢进行碳钨激光熔覆后，硬度最高达2200HV以上，耐磨损性能为基体60#钢的20倍左右。在Q235钢表面激光熔覆CoCrSiB合金后，将其耐磨性与火焰喷涂的耐蚀性进行了对比，发现前者的耐蚀性明显高于后者[4]。

激光熔覆技术是一种经济效益很高的新技术,它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本,节约贵重稀有金属材料，因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视[1-2、5-7]。

1激光熔覆技术的设备及工艺特点

目前应用于激光熔覆的激光器主要有输出功率为1~10kW的CO2激光器和500W左右的YAG激光器。对于连续CO2激光熔覆,国内外学者已做了大量研究[1]。近年来高功率YAG激光器的研制发展迅速,主要用于有色合金表面改性。据文献报道,采用CO2激光进行铝合金激光熔覆,铝合金基体在CO2激光辐照条件下容易变形,甚至塌陷[1]。YAG激光器输出波长为1.06μm,较CO2激光波长小1个数量级,因而更适合此类金属的激光熔覆。

同步注粉式激光表面熔覆处理示意图[8]

激光熔覆按送粉工艺的不同可分为两类:粉末预置法和同步送粉法。两种方法效果相似,同步送粉法具有易实现自动化控制,激光能量吸收率高,无内部气孔,尤其熔覆金属陶瓷,可以显著提高熔覆层的抗开裂性能,使硬质陶瓷相可以在熔覆层内均匀分布等优点。

激光熔覆具有以下特点[2、9]：

(1)冷却速度快(高达106K/s),属于快速凝固过程,容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相,如非稳相、非晶态等。

(2)涂层稀释率低(一般小于5%),与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整,可以获得低稀释率的良好涂层,并且涂层成分和稀释度可控;

(3)热输入和畸变较小,尤其是采用高功率密度快速熔覆时,变形可降低到零件的装配公差内。

(4)粉末选择几乎没有任何限制,特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金;

(5)熔覆层的厚度范围大,单道送粉一次涂覆厚度在0.2~2.0mm,

(6)能进行选区熔敷,材料消耗少,具有卓越的性能价格比;

(7)光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷;

(8)工艺过程易于实现自动化。

很适合油田常见易损件的磨损修复。

2激光熔覆技术的发展现状

激光熔覆技术是—种涉及光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。它由上个世纪60年代提出,并于1976年诞生了第一项论述高能激光熔覆的专利。进入80年代,激光熔覆技术得到了迅速的发展,近年来结合CAD技术兴起的快速原型加工技术,为激光熔覆技术又添了新的活力。

目前已成功开展了在不锈钢、模具钢、可锻铸铁、灰口铸铁、铜合金、钛合金、铝合金及特殊合金表面钴基、镍基、铁基等自熔合金粉末及陶瓷相的激光熔覆。激光熔覆铁基合金粉末适用于要求局部耐磨而且容易变形的零件。镍基合金粉末适用于要求局部耐磨、耐热腐蚀及抗热疲劳的构件。钴基合金粉末适用于要求耐磨、耐蚀及抗热疲劳的零件。陶瓷涂层在高温下有较高的强度,热稳定性好,化学稳定性高,适用于要求耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性的零件。在滑动磨损、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下,纯的镍基、钴基和铁基合金粉末已经满足不了使用工况的要求,因此在合金表面激光熔覆金属陶瓷复合涂层已经成为国内外学者研究的热点,目前已经进行了钢、钛合金及铝合金表面激光熔覆多种陶瓷或金属陶瓷涂层的研究[1、10]。

3激光熔覆存在的问题

评价激光熔覆层质量的优劣,主要从两个方面来考虑。一是宏观上,考察熔覆道形状、表面不平度、裂纹、气孔及稀释率等;二是微观上,考察是否形成良好的组织,能否提供所要求的性能。此外,还应测定表面熔覆层化学元素的种类和分布,注意分析过渡层的情况是否为冶金结合,必要时要进行质量寿命检测。

目前研究工作的重点是熔覆设备的研制与开发、熔池动力学、合金成分的设计、裂纹的形成、扩展和控制方法、以及熔覆层与基体之间的结合力等。

目前激光熔敷技术进一步应用面临的主要问题是:

①激光熔覆技术在国内尚未完全实现产业化的主要原因是熔覆层质量的不稳定性。激光熔覆过程中,加热和冷却的速度极快,最高速度可达1012℃/s。由于熔覆层和基体材料的温度梯度和热膨胀系数的差异,可能在熔覆层中产生多种缺陷,主要包括气孔、裂纹、变形和表面不平度[1]。

②光熔敷过程的检测和实施自动化控制。

③激光熔覆层的开裂敏感性，仍然是困扰国内外研究者的一个难题，也是工程应用及产业化的障碍[1、11]。目前，虽然已经对裂纹的形成扩进行了研究[1]，但控制方法方面还不成熟。

4激光熔覆技术的应用和发展前景展望

进入20世纪80年代以来,激光熔敷技术得到了迅速的发展,目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。激光熔敷技术具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海[12]与航天和石油化工等领域。

目前激光熔覆技术已经取得一定的成果,正处于逐步走向工业化应用的起步阶段。今后的发展前景主要有以下几个方面:

(1)激光熔覆的基础理论研究。

(2)熔覆材料的设计与开发。

(3)激光熔覆设备的改进与研制。

(4)理论模型的建立。

第3篇

在前面的分析中，本文具体讨论了光学细分系统的设计方案。运动距离测量实验选取光学四细分的光学系统，实验系统如图6所示。系统分为光路部分和信号处理部分。mW和0．5mW，反射镜M4由硅片制成，其反射率大约为0．4。硅片反射镜M4可调节反射方向。角锥棱镜M1、M2和M3的型号为Agilent10767A，具有非常好的光学性能。测量导轨选用的是PI公司的M－5x1．DD型号。二维精密电控平移台（直流电机驱动）单向重复定位分辨率达0．1μm，直线度参数为0．1μm／200mm，最高运行速度50mm／s，量程为200mm。2个测量角锥棱镜被安装在导轨上，通过PI公司的控制软件在计算机上对导轨的运动进行控制，实现对外腔长度的改变。通过运动距离测量结果与PI导轨运动参数的一致性可验证测量方案的可行性。信号处理部分中，由PD探测到的激光自混合干涉信号首先由低噪声前置放大器（Standford，SR560C）进行滤波和放大，一路送入示波器而另一路接着由NI公司的数据采集卡（NI6251）进行AD转换。采集到的数字信号送入PC机中由专业的数据分析软件（LabVIEW）实现信号再次细分以及实时处理重构目标物体的运动距离。测量过程中，示波器可定性观察光学细分的现象，而数据采集卡采集到的信号经过计算机的处理可进行运动距离测量。

2实验过程与结果分析

实验在同一测量环境条件下进行：恒温（20℃±1℃），恒湿（50％±3％）。使激光器预热2h，激光波长稳定在632．8334nm，让导轨以某一速度匀速运动，然后对采集的信号加入电子五细分处理。在本实验系统中，由自混合干涉光路细分原理可知，一个条纹对应的运动距离为λ／8，将此波形通过阈值为0的比较器后得到对应的方波信号，再将方波信号n细分，通过计数方波的个数来得到外部物体实际的运动距离。这样处理后，可以得到的分辨率为λ／8n。一个周期内的正弦波通过过零比较器整形成方波信号，五细分后的波形如图7所示。这样通过计数的方法就可以再次提高分辨率。此外，细分处理前对干涉信号进行了整形，可以显著增强对于叠加在自混合干涉信号上的高斯噪声的抗干扰能力，使测量结果更加稳定可靠。在数字域进行细分时，将上面得到的方波信号改写成二进制码（1111100000），然后将其右移9次，将其奇数次和偶数次的右移结果两两异或，则可以得到（1010101010），即对应的五细分信号及其互补信号（0101010101），实现了对原自混合干涉信号的细分。将PD探测到的微弱信号进行电流－电压（I－V）转换后，变成电压信号，经高通电路去直流后，再经放大电路放大，通过NI公司的数据采集卡USB－6251采集，在PC机上编写LabVIEW程序进行细分计数处理。信号经数字域电子细分后，进行计数后就可以重构并显示物体的实时运动距离。测量实验使用PI精密导轨对实时测量数据进行校准。导轨的移动范围设置为0～200mm，每次匀速步进20mm，移动速度设置为5mm／s，步进10次，每次导轨的示数作为标准；该运动过程由电机自动完成，系统对每次的步进长度进行自动测量记录并给出实时误差，连续记录几十组，选择其中的5组实验数据进行分析。通过拟合曲线与误差分析可以看出，实验结果与实际运动距离有良好的线性关系，且重复性非常的好，实现了使用光学细分与电子细分相结合的方法对物体的运动距离进行实时监测，实验结果与理论分析吻合。

3讨论

激光器作为测量光路的一部分而不能成为一个独立的、波长稳定的光源，其稳定性对测量准确度有很大的影响。空气折射率的变化和角锥棱镜的直角误差也会影响系统的测试精度。1）激光器频率稳定性带来的累计误差。实验中的氦氖激光器输出光在空气中传播的中心波长为632．8334nm，短期频率稳定性为1．5×10－6，因此，在没有反馈时，激光器波长稳定性为δλ＝λδν／ν≈0．9492×10－6μm。当自混合效应反馈系数很低时，频率波动极小。理论计算表明，当外腔长度在百毫米量级时，波长稳定度可以达到10－8的测量准确度，测量不确定度小于0．4μm［9－10］。2）空气折射率变化带来的误差。测量环境的初始条件：空气压强101325Pa，室温20℃，湿度1333Pa。测量过程中，由温度、湿度以及压强传感器可知，只有环境温度会有最大不超过1℃的改变。因此得到折射率的变化为δn≈0．929×10－6。当测量长度为200mm时，测距不确定度小于0．3μm［9］。3）角锥棱镜的直角误差。角锥棱镜的直角误差会直接影响其对光路的反射特性。对于Agilent10767A型号的角锥棱镜，其3个直角误差δθ＜5″。玻璃的折射率为1．56，则测量长度为200mm的测距误差小于0．002μm［11］。由于本实验系统存在3个角锥，则测距不确定度应小于0．006μm。由以上讨论可以知道，影响测量精度的最大因素来自于激光的频率的稳定度。理论上实验系统的测量分辨率可达到波长的1／40。而实际上，受制于激光频率的稳定程度，在弱反馈条件下，百毫米量级运动距离的测量只能达到微米级的测量精度。

4结语