基于PSD器件的激光位移测距系统设计厂
基于PSD器件的激光位移测距系统设计厂
作者:吴炜;严利平
在当今社会中,测量技术已经成为现代科学技术中不可或缺的一部分。其中,位移测量技术应用范围十分广泛,是测量技术中主要的组成部分。一种以光电位置敏感探测器 PSD (Position Sensitive Detector) 为核心的新型 、高精度、高灵敏度、非接触式的激光测距仪系统,已经成为新塑测距法的研究热点。它具有抗干扰强、实时性好、精度高的特点,同时具有不受外界湿度、磁场、强电等环境因素影响的优点,已经逐渐代替传统测扯方法,具有十分广阔的应用前景。
1 三角测距法原理及光路设计
由于光学三角测距法具有精度高、非接触、结构简单、抗干扰强等一系列的特点,被广泛应用于几何测距领域。根据入射光线与被测物表面之间夹角的不同,可以分为直射式三角测距法与斜射式三角测距法。在直射式三角测距法中, PSD 接收到的是被测物表面的漫反射光 ,比较适用于表面不太粗糙的物体,同时由千直射式所产生的激光光斑比较小,整体系统的结构能够做到小而紧凑 '因此本文采用直射式三角测距法。
基于 PSD 的直射式三角测量法激光测距的光路原理图。激光器发射出的光斑照射到被测物体上,透镜接收被测物体表面漫反射的光,并聚焦到 PSD 器件 的敏感区域,当被测物体从初始位置 M 处移动到位置 M 处时 ,反射光斑从 PSD 位置 的 O'处移动到 A '处 。
物移动的过程中物点与像点能够始终满足成像公式,光路系统需要满足Scheimpflug理想成像条件。因此,PSD所在平面、接收透镜所在平面和激光光轴需要相交在同一点。
L表示激光光源与被测物初始位置的距离。同时,考虑到S3931型号PSD的敏感区大小为1 mmX6mm,本系统的检测范围为士5 mm。因此,当被测物移动最大距离为5 mm时,光斑还应成像在PSD的敏感区,即此时的d'应小于3 mm。
在实际中,由于光斑成像在PSD边缘附近时,位移与输出信号的线性度变差,因此本文选择PSD器件中心处作为有效敏感区,当被测物移动最大距离为5 mm时,d' 应小于1. 5mm。本文选择的透镜为f=15mm的凸透镜,选定物距d。= 60 mm,像距d1 =20mm。
根据上述所讨论的情况及Scheimpf!ug成像条件,可以列出与测距系统光路参数x、 p、0 有关 的方程 。
为了选择合适的系统光路各部分参数,本文借助MATLAB来计算各参数。由于对于每一个不同取值的0、 p、1:::,, d'和 L 都有唯一解 ,因此本文利用枚举法,将0的取值(36 ° 64°, 间隔1')'代入到方程组中去,在结果中选择符合实验条件(即1:::,,d'<l. 5mm)的参数取值。
基于PSD激光测距系统各参考略一 — 编者注 。有许多组参数符合凶'<l. 5mm这一要求,但是当!:::,,d'过小时,光斑在PSD敏感面上的移动范围也会变得十分小,使得位移测量分辨率明显降低。同时,如果0的角度过大,激光光源到被测物距离L的增大会使得系统变得过于庞大,最终经过比较,本文最后选定的光路部分的参数为0 =48°、= 73°、L = 89. 7mm。
2 一维PSD工作原理
PSD的横截面示意图,P层是光敏层,当激光照射在P层表面上时,在入射位置表面下就会产生与光强成比例的电荷,产生的电荷通过P层向两端电极流动形成光电流。由千P层的电阻是均匀的,所以由两极输出的电流分别与光点到两极的距离成反比。
只要测得I 1 、L 、L ,就能求出光斑在PSD上的位置。本文选择的PSD器件为H本滨松公司所生产的S3931, 这款PSD具有优秀的位置探测能力,可靠性高,光敏面积大小为1 mmX6mm,分辨率为0. 3 m ,光谱响应范围为320- 1100nm,峰值波长为920 nm。
3 激光传感器信号处理电路
由于本系统所采用的位置敏感传感器PSD的输出信号十分微弱,饱和输出光电流只有100μA,因此需要设计前置放大电路对信号进一步放大,为了一致干扰信号,还需要设计相应的滤波电路,光斑在PSD敏感面上的位移量孙娜娇d‘与(I1+I2)/(I1-I2成正比,因此还需要设计加法电路和减法电路。
为了减小电路布局所带来的影响,选择将信号处理电路进行PCB刻板,进一步提高电路的稳定性,整体型。先利用Altium Designer软件对整理电路尽心隔离的PCB步距,再利用腐蚀机对其进行腐蚀处理。
4、激光位移测距系统软件设计
软件部分以IAR作为开发环境,对K60微控制器进行软件编程。本系统中,K60主控芯片主要需要实现的功能为:在考虑采样频率的情况下,以尽可能小的时间间隔对输出信号进行采样,来达到接近实时测量的目的,同时利用K60本身的软件除法运算功能,来代替模拟除法器,进一步简化系统结构。
此外,由于K60微控制器只能采样大于零的模拟信号,当(I1-I2)为负值时,需要采集(I1-I2)的反相信号,因此K60单片机的A/D模块的3个通道分别采集3个模拟量,分别是AD0同奥采集信号(I1+I2),AD1通道采集信号(I1-I2)、AD2通道采集信号(I1-I2)的反向值。
5、系统测试与结果
为了验证基于PSD的激光测距系统可行性和有效性,进行了位移测量实验。位移测量值由螺旋测微器移动平台提供,改移动平台最小移动间隔为0.02mm。通过手动旋转螺旋测微器来带动被测物前后移动,通过测距系统测量被测物的位移距离,将测量结果与实际位移距离进行比较,计算测量误差。
由于在制作系统实物时,与理论设计的参数存在一定的偏差,因此测距结果不能用理论公式计算得到,本文采用标定拟合法来得出最终测距结果的计算公式。因此首先需要进行标定实验,对位移计算公式中的系统进行确定,在实验1中,被测物体每次位移0.2mm,然后记录相对应的(I1+I2)和(I1-I2)的值,利用Origin软件将记录的数据做成折线图,其中x轴为实际位移值,y轴为(I1-I2)/(I1+I2),然后通过软件计算并画出拟合曲线,该曲线拟合系数为009985.实验结果表明,本文研制的激光位移测距系统测量精度为30μm。
6、结语
本文对PSD的激光位移测距系统进行了深入的研究与探讨,根据光学三角测量法工作原理,对系统光路部分进行了设计。通过对PSD输出信号特性的分析,设计出了合理的信号处理电路。再进行相关测量实验之后,对测量结果所产生的误差进行了分析,对系统进行进一步的优化,最终设计出了完整了激光位移测距系统,在±5mm范围内位移测量精度为30μm。
在本文研究的基础上,还可以通过以下几方面的优化进一步提高系统的测量精度和适用性;选择准直性更好地红外激光发射器,减少光斑过大所带来的不良影响;选用纹波更小的电源对系统进行工地啊;在信号处理电路中增加反馈电路,以适用于不同反射能力的被测对象;系统光路部分设计的更加小型和紧凑。
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