相位式激光测距传感器原理及其在自动化生产中的应用
相位式激光测距传感器原理及其在自动化生产中的应用
作者:缪丽玲
激光具有高方向性、高单色性和高亮度性,在工业、工业、医学、国防和科学试验中应用广泛。激光测距传感器是利用激光技术进行测量的传感器,它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。在距离工业、测量、测绘等领域应用广泛。根据激光测距的原理,分为相位式测距和脉冲式测距两类,本文将介绍相位式激光测距原理及其特点和应用。
1.相位法测距原理
相位式激光测距仪是用特定的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,在远距离测量中或者黑色目标物测量中,为了有效的反射信号,需要配置反射镜。
相位测距原理中D为测量点A和目标物B之间的距离,通过测量调制信号在待测距离D上往返传播形成的相位差和调制信号的频率可以计算出往返时间t ,根据光速可以得出的距离和相位的关系为:当调制信号频率固定时,L为常数,只需要确定△φ和N的数据就可以计算得出测量点和目标物的距离。
2.相位测量方法和理论分析
2.1 周期数N的确定方法
用单一频率无法确定N,即存在多值性问题,如果为了保证N=0,当测量量程增加时,尺长变大,测量精度会下降。为了解决该问题,实际测量时,根据量程范围,主要采用若干辅助频率辅助测量。一般可以采用两个频率,为了减少两个周期的耦合性,可以使用三个频率或者四个频率测量。本文采用两个频率测量,精尺采用200M频率,则尺长为823mm;粗尺采用1M的频率,则尺长为137.264mm。测量时限定测量范围为0.05米到100米,先用粗尺测量,比如测量结果为24.368mm,再用精尺测量距离为423mm,则可以通过计算得到精确的距离。计算方法为通过24.368mm确定周期N=24368/823,取整后为29,在根据精尺的距离得出精确的距离29*823+423=24.290mm。通过该方法解决了测量精度和测量长度之间的矛盾,可以增加测距仪测量量程范围的同时解决多值问题。
2.2 相位差△φ的测量方法
△φ的测量精度直接决定了测距精度,所以相位差的准确测量是重中之重。本文通过DAC采集收到模拟调制信号并通过FFT计算初始相位。通过发出信号的初始相位和收到信号的初始相位就可以得到相位差△φ,该方法的难题在于如何提高DAC采集精度和准确度。
本文采用DAC采集,DFT计算的方式计算相位差,通过香农采样定理可以得知,为了不失真地恢复模拟信号,采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。如果对200M信号采样,需要至少400M的采样速度,对ADC的性能也是很高的要求。另外针对2种频率需要设计2种测相电路,使线路复杂化。为了解决该问题,本文采样差频测量原理测量相位差。差频测量因为降低了信号的频率,扩展了信号的相位周期,所以可以提高测相的分辨率。为了使本振信号和主振信号保持温漂的一致性,本文使用同一个PLL产生本振和主振信号。本振和主振直接混频得到混频信号1,本振信号和接收的光信号进行混频得到混频2,通过测量混频2和混频1信号的相位差,就可以得到高频信号在发射点和目标物之间产生的相移。
差频前后相位差不变,但是测量频率降低后可以提高测相精度。在本文中,精尺主振频率选择200M,本振选择200.005M,信号差频后为5K,测量信号的频率降低了40000倍,测相精度也提高了40000倍。本文采用12位ADC采集,检相精度可以达到千分之一,即精度可达0.8mm。
2.3 DFT计算初始相位原理
DFT在一定程度上能克服谐波和噪声的干扰,有利于在低信噪比的条件下测量初始相位。它在相位测量幅值测量中应用广泛。本文只需要求取基准频率的相位信息,高次谐波可以忽略,所以k可以取值为1,由欧拉公式可以实际使用中只需把采样得到的离散值进行加减法和乘法计算就可以得到计算实部和虚部。
3.系统误差分析和解决办法
3.1 器件温漂带来的频率漂移分析和解决办法
系统主要使用主振信号,本振信号, ADC采样触发信号,如果这些信号都有独立的信号源产生,那么由于各自器件的温漂不一定一致,就会导致混频电路产生的差频信号发生漂移,ADC采样也会和差频信号不同步,从而导致测量结果产生误差;解决此问题可以通过选用高稳定度、高精度的晶振并使用同一个PLL器件主振信号,本振信号,ADC采样触发信号,就可以确保三种信号保持同步,消除温漂带来的频率漂移对测量结果的影响。
3.2 ADC采集测量误差和减小办法
信号的采集计算直接影响到相位的精确度,相位的精确度又直接影响测量精度。信号的采集使用ADC实现,ADC的精度和准确度直接影响测量结果。ADC转换精度不是仅仅依赖于ADC模块的性能和功能,它与该模块周边应用环境的设计密切相关。ADC模块自身的误差主要有偏移误差、增益误差、微分线性误差(DLE)、积分线性误差(ILE)、总未调整误差(TUE)。与环境相关的ADC误差主要有电源噪声、电源稳压、模拟输入信号噪声、模拟信号源阻抗的影响、信号源的容抗与PCB分布电容的影响、注入电流影响、温度影响、通道间的串扰、EMI噪声等原因。
为了得到最佳的ADC精度,偏移误差和增益误差需要可以使用ADC模块自身的校准功能补偿,ILE和DLE可以通过多次转换再平均的方式减小它们的影响。为了减小外部环境相关的ADC误差,需要使用线性稳压器为模拟部分供电,并且在靠近电源端防止一个0.1uF和10pF的电容,小容量电容可以过滤高频率噪声,大容量电容可以过滤低频率噪声。为了需要减小输入信号的噪声,需要外部增加一个滤波器;选用合适的模拟信号源阻抗,在可能产生注入电流的IO脚和VSSA之间连接一个肖特基二极管以减少诸如电流影响;另外在PCB布板时,在模拟信号线的周围布置地线产生的屏蔽可以有效减小串扰干扰噪声,通过物理分离发射源和接收源、分割模拟与数字电路并单独供电、使用多层PCB布板等、合理分布耦合电容、使用较宽电源线等合理的屏蔽和布局技巧以减小EMI噪声。
除了硬件方面需要使用上述解决办法减小ADC误差外,软件方面也需要使用相应的滤波算法加以处理。通常有算数平均滤波、递推平均滤波和去极值平均滤波法。本文设计选用去极值平均滤波法,对ADC采集后的离散数据先8个周期计算一次DFT,求取初始相位,连续计算100个初始相位值后,进行周期判断补偿并排序,然后去掉最大和最小各20个数据,剩余的60个数据进行平均计算。
4.激光测距仪自动化领域的应用
4.1 在线卷刚激光三点法测直径
使用三个相位激光传感器在传送带的上面竖直安装。由于三点可以确定一个圆形,所以通过测量三个点的距离值,可以通过计算得出卷刚直径。
4.2 热轧钢板在线厚度、宽度、长度测量系统
使用两个相位激光传感器L2和L3,在传送带的两侧面对面安装。因为轧钢板落到传送带上的位置是不固定的,这样,每个传感器都测量出自己与轧钢板的距离,设一个距离为L1,另一个为L2。此信息送给PLC,PLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2,从而可计算出轧钢板的宽度W。使用L1和L4合作可以测出轧钢板的长度和厚度,方法为L1距离由小变大时触发L4测量,测量结果均传送到PLC,PLC根据L1传感器距离变化值可以计算出轧钢板厚度,根据L4和L1的已知距离减去L4的测量结果可以计算出轧钢板的长度。
在实际使用中,发现该相位式激光测距传感器不仅重量轻、体积小、安装调试方便,而且工作稳定可靠、抗干扰能力强、可以长时间使用测量、精度高,适合在轧钢厂的恶劣环境使用。
根据不同的应用方法,该激光测距传感器可以推广到更多的使用,比如设备定位、免碰撞保护系统、无误差检查场合等等。
5.结语
本文首先介绍了相位式测距仪的原理,然后对相位测量中存在的难点进行分析并给出解决办法,对相位式激光测距传感器系统误差原因也加以分析并给出了具体的解决方案。根据本文的设计思想制作的激光测距仪在自动化领域经过实际应用验证证明系统的设计方法科学可靠,相位式激光测距传感器的稳定度和精度也能达到自动化生产线的要求。最自动化生产的很多领域都有一定的推广和应用价值。
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