激光测距传感器的设计与研制
激光测距传感器的设计与研制
作者:邢武;王国泰;葛运建
近年来,光电检测技术已成为自动化技术领域的一个热点。 在工业自动检测及机器人系统中应用十分活跃。 激光测距传感器就是利用光电技术对距离进行非接触测屈的种新型传感器。 它具有测蜇速度快、精度高、抗干扰能力强、测批点小、适用范围广等独特优点,并越来越受到国内外的觅视。
一、PSD器件
在激光测距传感器研制中,我们使用了 一种新型半导体光屯敏感器件,位敏检测器 件(简称PSD)。 PSD器件与电荷耦合器件CCD有若本质不同,它屈千非离散型器件, 其输出电流随光点不同而连续变化,并具有体积小、灵敏度商、噪音低、分辨率茼、响应速度快、价格低等优点。它是一个PIN二极管结构,由P表面层、N表面层和I中间层构成,其中P层是一个均匀一致的阻抗层,并在两端设有输出电极。 PSD工作原理是基于横向光电效应,当一束光入射到PSD表面时,将在PSD表面形成 个光斑,并在光斑位迕产生 个与光 能队成正比的光生电荷.当PSD公共端加上 电压后,将形成光流儿被P层分为I八 12两部分输出,八、12与光斑中心位四到输出 电极X八兑问的阻们成反比。由于P层是匀顶的,囚此,电极输出的光电流与光斑中心位置到电极间的距离成反比。进而可检测出相关的被测量。位置量与入射光强度无关.
二、激光测距基本原理及系统结构
我们采用的是激光三角法测距,其基本原理基于平面三角几何。 其方法是让一束激 光经发射透镜准直后照射到被测物体表面 上,由物体表面散射的光线通过接收透镜会聚到高分辨率的位敏器件PSD上,形成一个 光斑,光斑的中心位置由传感器与被测物体 之间的距离决定,而PSD输出的电信号准确地反映了传感器与被测物体之间的距离信 息。 激光三角法测距分直射光三角法和斜射 光三角法。由于亢射光三角法与斜射光三角法相比光斑较小,光强渠中,不会囚 传感器与被测物体表面不垂直而扩大光照面 上的亮斑,对于被测面较粗糙处,于振动和左右倾斜不定的物体,受干扰引起的误差较小。 另外,直射法的传感头在结构上,也易做得小 而紧凑。 因此,我们采用直射法。
从激光器发射出来的激光通 过发射透镜后入射到被测物体上.和入射光 束有一定倾们的散射光通过接收透镜会聚在 高分辨率的位敏器件PSD上,由PSD输出 该光斑的位匠信息。由千光斑在PSD上的位 置由传感盛与被测物体之间的距离决定。 当 被测物体的距离变化AX时,将相应地在 PSD上产生位四变化AY, 所以通过检测 PSD输出的位忧信息t.Y'便可获得相应的 距离变化员AX, 从而得到传感器与被测物 体之间的距离。 传感头主要包括光路系统和PSD信号一级处理电路,激光驱动屯路为激光器提供恒定的、 无浪涌的驱动电流 . 信号处理电路对传感头 输出信号进行解耦,运算处理,最后放大输 出。此外.信号处理电路还具有自动控制 、 监视等功能。
三、光路系统设计与实现
由千测蜇范围大(100土50mm), 因此采用非垂直接收方式,并尽少能使光斑像点轨迹位于PSD受光面上。为达到准确聚焦,如 schelmpflug条件所规定:像平面、物平面、接 收透镜平面三者须交千一条公共直线。在光 学三角法测蜇装迕中,被测物体(光斑)可作 为一沿直线运动的点(图4)。因此准确聚焦的 条件也就是激光束和PSD接收面以及透镜 平面须交于一点。如果将被测物体表面从三 角形测蜇装置(传感头)移离的方向定为正方 向,以此相应的光斑像点的位移方向也为正方向。其中参数Di、Dz规定了A和8关系的渐近线,由千(5)式推导不带任何先行假设或 近似,因此其关系是准确的,对任何表面位移 都成立.根据.:i"'a关系式,我们可以合理地选择光路参数.对接收装趾来讲,主要是确定五个设计参数L、L'、f、0、叭其中3个是相互独 立的).对发射装笠来讲主要是确定发射透镜 焦距f和激光器与发射透镜相对位笠h。
由于我们测批范围大(泉深较深入为了 保证像质,接收透镜采用了两片透镜胶合的 方法.发射部分采用一个平凸透镜进行准直. 另外在选择透镜孔径时,应在保证光强的情况下尽量减小孔径,因为孔径越小,像差就越 小,但应保证一定的光强,以便PSD有一定输出.
四、信号处理电路
激光测距传感器信号处理电路。由前笠放大、脉冲解调、除法运算、后级放 大调整、自动控制监视等几部分组成.信号处理电路输出信号为PSD输出信 号I八/2'最终输出为对应千距离信号(土 50mm)的电压信号队(士5V).相对来说,时间分割式除法器较好,精度和线性度也较高。时间分割式除法器又分为 脉冲频率吓度惘制式和脉冲宽度窃度调制式两种,我们采用脉冲宽度高度调制式.后级放大调整主要为零点调整、量程范围调整、放大输出三部分.自动增益控制屯路是利用后级输出信号 U1、队的大小来控制前置放大电压增益,可通过悦拟屯子开关来实现.在监控指示电路 中,我们设计使用了一种三色灯,分别表示传 感器测批伯的三种状态.黄色表示传感器工 作在测批范围内,传感器能正常工作 1 绿色表 示被测物体在基准距离100mm处 1 红色表示 被测物体距离超出测批范围。
五、实验结杲
系统调试完成后,对其分辨率、稳定性、 煎复性几个方面进行了测试,并对不同物体 作目标物时的应用行性进行了分析。在实验中我们发现,被测物体表而特性 对传感器输出有 一 定影响,反射光较强的物 体(如白纸、铝板)测批梢度较高,反射光较羽 的物体(如橡胶),测怔精度较差。表面粗糙度、几何形状及颜色不一致时,也会给输出带 来一定影响。
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