作者：蘭 羽，盧慶林
目前,，國內(nèi)的大多數(shù)玻璃生產(chǎn)廠家采用傳統(tǒng)的人工測量玻璃厚度,，在對于一些高要求玻璃制品測量很難達(dá)到高精度，實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的,，而采用激光測量結(jié)合光電檢測技術(shù),，能做到實(shí)時(shí)檢測的非接觸型測量法還較少，且大多成本較高,。隨著光電檢測技術(shù)的發(fā)展,，激光外差技術(shù)在激光通信、雷達(dá),、測距,、測速、測振等方面有了廣泛的應(yīng)用,。在玻璃厚度測量方面,，激光外差測量技術(shù)以其具有分辨率高、精度高,、線性度好,、動態(tài)響應(yīng)快,、在線非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，逐漸開始取代傳統(tǒng)的測量方法,。
1 激光外差玻璃測厚度系統(tǒng)
玻璃厚度的測量系統(tǒng)中應(yīng)用了激光多普勒效應(yīng)和激光外差測量技術(shù),，測量原理如圖1所示。
激光干涉儀發(fā)出的變頻激光通過半透鏡L垂直照射于待測玻璃表面,，由于激光在不同時(shí)刻的頻率不同,，所以激光在玻璃前表面反射的光場，與其前一時(shí)刻在后表面反射后到達(dá)前表面的光場因頻率不同而發(fā)生混頻,，產(chǎn)生差頻信號,，和頻信號由半透鏡L反射后到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器，光電管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,，該信號包括激光本振信號,、差頻信號、和頻信號和噪聲,，其中和頻信號與本振信號頻率較高,，超出光電管的頻率響應(yīng)范圍，利用帶通濾波器的帶寬控制在中頻信號范圍內(nèi),，即可檢測到差頻信號,。該差頻信號含有玻璃板的厚度信息，差頻信號的頻率為,；f=λh,，其頻率與待測玻璃厚度成正比，比例系數(shù)λ與光源頻率,、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)有關(guān),，當(dāng)光源頻率、玻璃板折射率以及振鏡常數(shù)確定,，λ為常數(shù),。根據(jù)頻率差與玻璃厚度的關(guān)系，只要測得差頻信號的頻率,，就能計(jì)算得到玻璃厚度,，光電模塊檢測到光外差信號后，經(jīng)濾波,、放大后送單片機(jī)處理得到玻璃厚度,。
在激光外差測厚系統(tǒng)中，待測光信號經(jīng)過反射,，透射后衰減嚴(yán)重,，到光電接收器十分微弱，雖然經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模塊初步處理,，但信號還是非常微弱,，而且夾雜著大量的噪聲,，待檢測的差頻信號頻率在0．2～0．8 kHz范圍內(nèi)，因此必須設(shè)計(jì)一高指標(biāo)的帶通濾波器對其進(jìn)行濾波才能把差頻信號提取出來,。
傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)過程是：1)根據(jù)阻帶衰減速率要求,，計(jì)算濾波器的階數(shù)n；2)確定具體的電路形式,；3)根據(jù)電路的傳遞函數(shù)建立系數(shù)方程組,，求出電路中元件的具體參數(shù)。該方法復(fù)雜繁瑣,，精度不高,，性能指標(biāo)不盡如人意。
2 濾波器設(shè)計(jì)
2．1 Filterlab簡介
Fiherlab是一款計(jì)算機(jī)輔助濾波器設(shè)計(jì)軟件,，是電子工程人員設(shè)計(jì)濾波器的有力工具,。其特點(diǎn)：1)界面簡潔，操作方便簡單：2)可設(shè)計(jì)各種類型低通,、帶通或高通濾波器,；3)完善的設(shè)計(jì)向?qū)В?)各參數(shù)的可選范圍廣。
為了方便使用Fiherlab,，對Butterworth,，Cebyshev，Bessel3種不同函數(shù)構(gòu)成的濾波器性能作比較：1)Butterworth型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益最穩(wěn)定,，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率較陡,。2)Cebyshew型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益波動較大，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率最陡,。3)Bessel型濾波器：通頻帶內(nèi)電壓增益有較小波動,，轉(zhuǎn)折區(qū)斜率平緩。
Filterlab設(shè)計(jì)濾波器各項(xiàng)指標(biāo)：階數(shù)(1～8),；通帶紋(0．01～3．0 dB)；阻帶衰減(10～100 dB),；截止頻率(0．1：Hz～1 MHz),；阻帶頻率(0．1 Hz～1 MHz)；品質(zhì)因素Q(0．5～5．0),；通頻寬比(20％～200％),。
2．2 濾波器設(shè)計(jì)
激光外差測厚系統(tǒng)中待檢測的差頻信號0．3～0．8 kHz范圍內(nèi)，其含有大量噪聲,，整個(gè)信號只能達(dá)到毫伏級,。濾波器設(shè)計(jì)要求：通頻帶中心頻率fo=500 Hz，上限頻率fH=800 Hz,，下限頻率fL=200 Hz,，通頻帶外噪聲衰減80 dB,。應(yīng)用Filterlab設(shè)計(jì)濾波器的過程如下。
1)確定傳遞函數(shù)以及濾波器類型,，如圖2所示,，設(shè)置傳遞函數(shù)Butterworth，ehebyshew及Besse13項(xiàng)可選,，設(shè)置濾波器類型有低通,、高通、帶通可選,。選擇Butterworth型,，帶通濾波器。
2)根據(jù)要求確定濾波器各項(xiàng)參數(shù),，包括階數(shù),、轉(zhuǎn)折頻率及阻帶衰減，具體如圖3所示,。設(shè)置衰減系數(shù)-80 dB,，下限頻率fL=300Hz，上限頻率fH=800 Hz后,，濾波器階數(shù)自動生成,。
3)電路形式的選擇(有4種)及電路中的電容參數(shù)的設(shè)置，如圖4所示,。電路中電容選擇設(shè)定后,，電阻的參數(shù)是自動生成的。
4)自動生成濾波器電路如圖5所示,，圖5中電路由4個(gè)二階濾波器串聯(lián)構(gòu)成八階濾波電路,。頻率特性曲線如圖6所示，圖6中梯形為電路頻率特性曲線,，半梯形斜線為相頻特性特性曲線,。
2．3 Filterlab應(yīng)用體會
1)Filterlab使用簡便，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)省去了煩瑣參數(shù)的計(jì)算,，根據(jù)需要設(shè)置參數(shù),，而且設(shè)計(jì)過程中如發(fā)現(xiàn)不符合要求，可返回前面修正濾波器各項(xiàng)參數(shù),，直到濾波器特性符合要求為止,。
2)設(shè)計(jì)的濾波器階數(shù)n為1～8階，階數(shù)越高,，濾波器的性能就越好,，但電路也越復(fù)雜，電路的硬件安裝帶來不便,。在設(shè)置階數(shù)時(shí),，不要最高的,，要最適合的。
3)設(shè)計(jì)的濾波器電阻的參數(shù)是自動生成的,，具體電阻值在實(shí)際中可能沒有,，硬件安裝時(shí)需用其它值串并聯(lián)后代替，會影響濾波效果,。
3 結(jié)論
激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中待檢測的信號是微弱信號,，外差信號頻譜分布在0．2～0．8 kHz，被深埋在噪聲當(dāng)中,，需要濾除干擾,。用Filt erlab設(shè)計(jì)的高階帶通濾波器，從其頻譜圖上看完全滿足激光外差玻璃測厚系統(tǒng)中待檢測的外差信號濾波,。因Filterlab設(shè)計(jì)的濾波電路中所有元件均為理想元件,，對應(yīng)裝配硬件的電路濾波效果會稍差，所以硬件裝配時(shí)盡量選擇噪聲系數(shù)小的元件,。