激光测距传感器的原理分析及应用
激光测距传感器的原理分析及应用
作者:闫赫
激光测距传感器可以准确测定目标距离.在应用较广的相位式激光测距传感器中,DET计算与差频测相初始相位是传感器的棱心点。因此要着重分析该传感器设计上的难点以及问题的解决措施,并结合产生误差的原因,用合适的方法提高测量精度。减少相位瀑移.结果表明。改进后的激光测距传感器可以达到自动化生产的需要.
1 测距原理
相位式激光传感器的激光束幅度是用特定频率调制的,主要是测定激光束往返一次所延迟的相位,根据光束波长的不同,对延迟距离进行计算,也就是采用间接的方式对光通过往返测线所花费的时间进行测定 .该类型传感器主要用于准确测量,精度能达毫米级,对黑色目标物或是远距离测量过程中的准确度进行测定,以得到更准确的反射信号.假设A测量点与B 目标物相隔的长度是D,测量调制信号在该段距离中的相位差及频率,即可将往返的时问t计算出来,调制信号频率用厂表示,光波信号在往返中得到的整周期数用N表示,光速用c表示.当频率的调制信号为,时,计算周期长.当保持调制信号的频率不变时,常数用L表示,要得出目标物与测董点之间的距离,只需将N和6.<p的 数据确定下来即可.
2 相位测量的理论分析及方法
(1)确定周期数N的方法
N值不能依靠单一的频率来确定,即有多值性的问题存在.为了将这一问题解决,在实际测量的过程中,就量程范围的不同,选择若干辅助频率进行测试,且测量的频率不同,其中精尺频率为 195 MHz, 尺长825 mm; 粗尺的频率1.1 MHz, 尺长 136.175 mm. 测量范围在0.05 m至100 m之间,测量时先使用粗尺,若24.368 mm为粗尺测量得到的结果,再使用精尺进行测量,得到的距离数值为423 mm, 这样就能够计算出距离的准确值.计算方法如下:根据 测量结果确定周期值N: N = 24 368/825::::,,:30, 利用精尺计算精确距离:825 X 30 + 423 = 25.174 mm. 利用这种方法,能够有效解决精度与长度之间存在的矛盾,将多值问题解决.
(2)相位差测量的方法
测距的精度直接由测量的精度决定,所以重点是准确的测量相位差.在采集模拟调制的信号时使用DAC,并且采用FFT来计算初始的相位.对比发出信号与收到信号初始相位的差距,可以得出相位差.为 了避免模拟信号回复的时候不出现失真的情况,要保持采样的频率双倍于最高频率.例如,在采集195 MHz 信号的时候,其采集速度不能低于390 MHz. 根据两种不同的频率,对不同的测相电路进行设计,以满足需求,让线路变得更加复杂.此次研究采用的是差频测量的原理,如图1 所 示.为确保主振与本振信号的相同性,在产生主振和本振信号时采用一个PLL, 直接将主振与本振涩频得出混频信号1, 将接收到的光信号与本振信号混频得到混频2'对混频1 与2之间的差值进行测蜇, 得出两者之间的相位差,由此可得出目标物与发射点之间高频信号产生了多少相移.差频前后的相位差不发生改变,测量的频率 减轻之后,测相的精度会相应的得到提高.选择精尺主振频率为195 MHz, 本振频率为195.005 MHz, 信号差频之后数值是5 kHz, 测量信号频率下降了4万倍,与此同时测相的精度上升了4万倍.ADC采集为12 位,可以得到的检相精度是千分之一,也就是说精度能 高达0.8 mm.
(3) 采用 DFT计算初始相位
DFT能够对谐波与噪音产生的干扰进行克服,使测量初始相位的环境更好.离散采样值通过x(n)表示,序列长度为N,角频率为K,只要得到相位信息,高次谐波可忽略,因此设定K值为1,通过欧拉公式算出实际的傅里叶系数.在实际计算过程中,N取不变值 20,可以先对20范围内的值进行分开的计算,并以数组的形式进行储蓄,在实际使用时,只要以加减法与乘法对获得的离散值进行计算,就可以得到计算的虚部与实部.
3 分析系统的误差与解决方法
(1) 分析因器件温漂引起的频率漂移与解决的方法
本振信号、主振信号和由ADC采用获得的信号是系统主要使用的信号,假如产生这些信号的都是独立的没有联系的信号源,就无法保证每个期间具有相同的温漂,一旦出现漂移就会发生在混频电路产生的各个差频信号之间,差频信号还无法与ADC采用保持同步,进而造成测量结论发生误差口).对于该问题的解决,可以利用 高稳定性及 高精度的晶振,通过同一个PLL元件产生本振、主振和ADC采用触发的信号,保证三种信号的同步.
(2) ADC采集测量产生的误差及降低的方法
信号采集计算将直接影响到相位的精度,利用ADC模块进行信号采集,测量的结果直接受到ADC准确度和精度的影响.存在于ADC模块中的误差有以下几种 :增益误差、偏移误差、总未调整误差(TUE入积分线性误差(ILE入微分线性误差(DLE)等.受环境影响产生的ADC误差主要包括:电源稳压、电源噪声、PCB分布电容和信号源容抗的影响、模拟信号源的阻抗影响、模拟输人信号的噪声、温度影响、EMI 噪声、通道间的串扰、注人电流影响等等.为了获得ADC精度,需要采用ADC模块本身的校准功能对增益与偏移误差进行补偿,经多次转换平均,可降低 DLE与ILE的影响.为减少ADC因外部环境产生的误差,需要在为模拟部分供电时采用线性稳压器,并将一个10pF和0.1μF的电容放置在靠近电源的一端,对高频率的噪声小容量的电容可以起到过滤作用,对于低频率的噪声大容量的电容也可以起到过滤作用[SJ.还可以采用软件来降低ADC的误差,通过滤波算法处理,主要有算数、递推算数与去极值等算法.此次研究采用去极值的平均滤波算法来进行设计,对通过ADV采集到的离散数据,每隔8周算一下DET,得出初始相位, 在不间断算出100个初始相位值之后,去除20个最小值和20个最大值,利用剩余60个数据计算平均值.
4 自动化领域激光测距仪的应用
(1)激光三点法测量在线卷钢的直径
采用竖直安装的方式将三个相位激光传感器安装在传送带上.一个圆形可以由三个点确定,因此对 三个点之间的距离值进行测量,再经过计算得到卷钢的直径.
(2)在线测量热轧钢板的宽度
传送带两边各安装一个相位激光传感器,由于传送带上的轧钢板落点是随机性的,因此传感器和轧钢板之间的距离要先计算出来,假设L1为一个距离,匕为另一个距离.向PLC传送这个信息,PLC用两传感器间的总距离减掉L1与L2,就可以将轧钢板的宽度(用W表示)计算出。根据应用方法的不同,这种激光测距的传感器还可以在更广的范围内被使用,比如免碰撞的保护系统、设备的定位、无误差的检查场合等.
5结论
对于存在于相位测量中的难点,提出相应的解决方法,井针对传感器系统产生误差的原因,给出实际的具体解决方法.在设计思想的指导下,制作出激光测距仪,该设计比较科学,传感器的稳定性与精度能够满足自动化生产需要,在自动化生产领域有一定的推广价值.
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