一种新型激光测距传感器的设计与分析
一种新型激光测距传感器的设计与分析
作者:王晓东;赵杰;蔡鹤皋
1 引言
激光测距传感器就是利用激光非接触地测量待测物体的距离、位移和振动等的装置.近年来随着半导体技术的发展,半导体激光管(简称LD- Laser Diode) 和半导体位置敏感元 件(简称 PSD - Position SensitiveD啦中>r)相继出现并已达到实用,这些元件使用起来都非常方便.PSD以输出模拟信号来反映照射其上光点的位置.而且仅对光点的能量重心敏感,光点形状和尺寸的影响很小.同线阵CCD图象传感器相比较,它具有分辩率高电路组成简单以及响应快等优点,用它同半导体激光管基于三角测量原理构成测距传感器.可用于实时到量和检测.由于它具有体积小成本低以及不受外界强 电磁场和潮湿环境的影响.因而具有广阔的开发应用前景.
2 PSD 器件简介
PSD的断面结构,如它为三层PIN 半导体硅片结构,P层为感光面,在其两式边各有一个信号输出电极,基底的公共电极用来加偏置电压+VR. 当光束照射在PSD表面上时,由于光电效应,产生一定的光生电流七又由千存在横向光电效应 ,使光生电流I,11分别流向两端的输出电极,显然l o= I , +12, 11和12的大小与光束照射位置到两输出电极间的阻抗成反也因为P层的阻抗均匀一致.因此有下式存在:根据PSD的输出电流 Jl和12由(4)式可计算出人射光斑的位置义并且可以吞出,x 与人射光束的能 量大小 无关.
3 测量原理
半导体激光管所发出的光速经发射透镜变成近似平行光束,照射在待剽物体表面上并被反射.部分反射光经接收透镜成像在PSD敏感表面上,光点的位置经PSD检测电路可以得到.根据此位置经计算就可以求出待测物体的距离.0点为PSD 敏感表面的中心,x为像点P与0点的距离,在结构已经确 定的条件下.b心a为已知常数,则由相拟三角形APAB和心WP可得;
4 传感器基本结构尺寸的确定
为使PSD上成像光点弥散斑小,能量集中,使PSD敏感面在照射光点的像平面上,为此需要确定透镜的安放位置及焦距,CA为光束的传播方向 .co为PSD敏感表面所在直线,A点为测距范围中的一点,0点为PSD的中心,由透镜成像公式得.若确定 a和b, 根据(I I) - (13) 式即可确定透镜的位置和焦距.在实际设计时还应考虑到透镜厚度的影响.
5 传感攒的分辨率
测距传感器的分辨率取决于敏感元件的分辩率和结构尺寸. CCD器件的分辨率取决于其象素的间距.一般都在十儿个微米左右;而PSD 器件,由于其敏感表面是连续的.它的分辩率与外部检测电路的噪声及人射光所产生的光电流大小有关.一般为零点几个微米,因此说 PSD 器件适用于设 计高分辨率精密测距传感器.对于传感器.其分辨率计算如下:将( 5) 式两端对 x 檄分得:由 PSD 的分辩率即可计 算出测距传感器的分辩率,由此式也可吞出,不固的结构尺寸带来不固的分辨率.
6 影响传感器测距精度的因素
影响传感器测距精度的主要因素包括以下儿项:CD PSD 器件的暗电流及外 界杂散光;@ PSD 检测电路的噪声、漂移及两输出端放大电路不对称;@光学系统像差;@待测物体表面的倾斜,凸凹,粗糙度;@待测物体表面特性不均匀。上述前三项属于传感器本体因索,后两项为待测物体表面的影响因素.@ 所述 PSD 暗电流是指在没有光束人射时.两输出电极所输出的电流,它随外加馅登电压和温度不阿而发生变化.外界杂散光也 能产生一定的输出电流,它和暗电流一起叠 加在有用信号上,影响剥距精度.采用下述方法可以消除它们的影响: 采用A[D 转换电路,在微处理器的控制下两次 采集 PSD 的输出,—次光沈发射光束,一次不发射.用两次采集相 减的结果来计算 x 使.而以往采用模拟运算电路.影响将很难消除.选用性能优良的元特件并仔细训节,可以把@的影响限制在较小的范围内.由于采用了单色性好的半导体激光管作为发射光源,光学系统的像差主要是单色像差中包括球差彗差象散场曲和畸变,它们 的影响都使 PSD 敏 感表 面上 光点能 量 重心发生偏移,从而使检测到 的 x 值产生误差.@使光点的形状和反射的能量大小及分布发生变化,@使光点一部分反射光强,而另一部分弱,这些影响也都会使光点的能量重心发生偏移.
传感器制造完毕后,光学系统已经确定,这时进行标定,可消除光学系统像差的影响.采用不同特性表面分别进行标定.则可以减小待测物体表面因素的影响.具体可采用如下方法:通过高精度的微动装置带动待测物体表面,将移动距离和由‘和厶按(4)式计算得出的X值输入到计算机并制成表格,存贮在ROM 中,实际测量时,根据PsD输出结果进行查表。为了验证这种标定方法的可行性,作者作了原理性实验,采用千分尺测头作为待测表面,几次实验的一致性非常好。
7 结束语
从上面所介绍的测距传感器的工作原理可以看出,采用线型PSD 可以设计出测量范围大高精度的传感器,并且适用于多种场合的应用。本文作者采用上述方法为空间机器人设计了非常小的传感器,安装在机器人手爪的手指内,和测量范围较大的传感器安装在机器人的腕部.机器人只是这种新型传感器的一个应用场合,可以说它是未来工厂自动化的一种理想的传感器,今后还应进一步研究如何降低待测物体表面影响的方法,提高其性能并推出系列商品化的测距传感器。
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