短距离激光测距传感器系统设计
短距离激光测距传感器系统设计
作者:王顺录;李党娟;范源;郝冬杰
1引言
随着高新技术的不断发展,人们对工业检测中微小位移的测量方式提出了越来越高的要求,例如在测量杜瓦中金属构件在低温下的形变量,要求测量精度优于5um"。同时,在非接触测量领域中常见的超声波测距,红外测距和激光测距等都未能满足其测量要求。目前,红外测距精度较低,测量距离近,一般情况下,其测量误差不超过4cm*;激光测距精度高,但是成本较高;超声波测距的优点是比较耐脏,缺点是精度较低,而且成本很高好。而激光测距仪在光电检测技术中具有精度高、分辨率高、响应速度快、适用范围广等优点,在工业检测当中主要用来检测长度、物体三维形貌、距离和厚度等 本文主要设计了一种以单片机为核心的基于PSD的短距离激光传感器,利用三角法的基本原理来实现距离的非接触式测量,对整个设计当中的基本原理、硬件电路、软件设计,误差分析等各个方面进行了介绍,该设计结构简单 成本低廉,比较适合于短距离非接触式测量。
2本原理及光学结构设计
2.1激光三角法测距的基本原理
当激光光束经过半导体激光器发射到被测物体表面后发生反射,由于入射光与反射光构成几何三角形,因此命名为激光三角法。当用一柬激光按照某一角度照射在被测物体的表面时,根据三角法的基本原理,反射光将进行汇聚,汇聚后的光斑成像在位置传感器PSD上,当被测物体表面的位置沿着激光方向发生改变时,反射光的角度也将随之会发生改变,从而反射光进行汇聚后的光斑也会在位置传感器PSD上发生移动,其移动的距离与物体实际移动的距离之间存在着一一对应的关系,通过这种对应关系,即可根据汇聚后光斑移动的距离间接的计算出对应物体移动的实际距离)
2.2结设计
在激光三角法中也存在着不同的入射方式,根据入射光与被测物体表面法线之间角度的不同,分为斜射式和直时式。随着被测物体表面向物距减小的方向移动时,系统的精度开始提高;当接收物镜的焦距越长时,系统的精度越高,分辨率也就越高。
斜射式和直射式三角激光测距针对于物体的非接触测量,都可以实现高精度、高速度和高分辨率的检测.但它们之间仍然存在差异,主要区别如下:
1)斜射式的光斑较大光强不集中,并且随入射角度的变化有明显差异,体积较直射式大。但直射式的分辨率没有斜射式的高。采用斜射式工作模式,当被测物体发生位移时,物体上的光斑会照在不同的位置,所以对某一确定的点来说,无法知道它的位移情况;而直射式的光斑则和位置是可以一一对应的。
2)直射式在几何算法上较为简单,误差较小,测量精度较高并且体积上可以做的较小方便携带,因此,在本设计中采用直射式激光三角法。
3硬件电路及软件设计
3.1测距系统的硬件电路设计
基于PSD的短距离激光测距传感器系统的硬件电路部分设计主要由PSD驱动电路(I/V转换信号放大滤波)和单片机信号处理电路组成,PSD经过光源照射后能够输出两路电流信号,同时将两路电流信号经过I/V转换电路,得到两路电压信号,由于该电压信号幅值较小,为了能够满足后端单片机的AD采集要求,需要将转换之后的两路电压信号进行适当的放大。由于放大后的信号含有高频成分,为了确保其测量结果的高精度以及准确性,需要将放大后的电压信号进行滤波处理,最终送入单片机利用AD进行信号的采集以及数据处理。
该系统中PSD驱动电路部分的原理,其中1/V转换电路和信号放大电路均采用了“双运放” AD822来完成,其优点是具有低漂移和高共模抑制比,既可单电源供电也可双电源供电电源电压范围为士23V到+18V.本设计中采用双电源+5V供电,经实验测试发现,PSD驱动电路部分信号输出较为稳定,以便于后端单片机中AD去采集。
单片机信号处理电路是将经过滤波电路之后的输出信号送至单片机,利用单片机中的片内自带AD采集输出电压信号,并且对信号进行“二值化”处理在单片机内部利用线性播值法进行数据处理便可计算出物体移动的实际距离,并将计算出的实际距离通过串口实时打印显示在串口助手上面m
3.2测系统的软件设计
软件的设计主要通过对STM321103RCT6程序的编写实现对PSD的驱动电路、信号采集、单片机数据处理以及串口打印显示结果等控制工作。其中,信号采集主要是通过STM321103RCT6内部自带的12位ADC去实时采生PSD驱动电路输出的两路电压信号,在实验中,分别用两路ADC采售250次作为输出结果由于考虑到实验环境所产生的误差,使得采集到的一组数据之间有相对偏差,为了提高系统的精度,保证实验结果的准确性,在利用单片机进行数据处理时采用中值滤波的方法,即对采集到的250次数据进行冒泡法排序,取其平均值作为本次采集的有效信号,这样可以防止实验环境等原因造成数据的偏差,能够有效提高系统的精度。
4测试结果及误差分析
实验中AD采集PSD驱动电路输出两路电压信号的数据。同时,在单片机数据处理中采用对曲线进行标定的方法,由于考虑到标定时曲线的单调性,因此在本设计中需要对两路电压数据进行相应的处理,使其处理之后的信号和对应物体实际移动的距离之间且有近似的单调性。经过实际测量和查阅资料发现,当按照工- AD1-AD2处理采集到的两路电压信号时,便可得到D1+AD2-物体移动的实际距离y与处理之后的变量工的关系近似为单调关系,对于任何一条曲线,将其放置于二维坐标系当中时,都可以用固定的任意小区间对它进行分割,分割的区间越小线段越逼近直线,实际测量距离的精度就越高,在本次设计中单片机AD采集到预路电乐信号经过上述处理之后与物体实际距离之间的曲线是非线性的,因此在计算物体实际之间的距离时采用折线法来逐渐逼近,即把所测量程分割为多个区间,将AD采集到的两路信号处理之后分别与分割线段拐点值依次做比较,找到所在的对应区间,利用相应的直线段代替曲线段,从而计算物体在某一位置时所对应的实际测量距离,实际距离与测量值的对比可以看出,本设计可以实现20-80mm的位移量测量,并且在20-60mm范围内的测量误差小于1%,61-80mm范围内的测量误差不大于2%。同时,由于各种因素的影响使得该系统仍然存在误差,例如被测物体表面颜色的影响,因为激光器发出的是红光,所以当物体表面颜色为对红光吸收率不强的颜色时,实际测量的值与理论值较接近,测距误差较小,精度较高;相反,当物体表面为黑色或蓝色等对红光吸收较强的颜色光时,则会出现较大程度的误差,由于激光器发出的入射光强大部分被测量物体表面的颜色所吸收,从而会导致系统测量时有较大的误差,物体表面的粗精程度也将会影响系统的误差,因为当物体表面比较光滑时,正反射的光远多于漫反射光,导致位置传感器PSD接收的光强较弱,从而使得系统的精度降低;相反,当被测物体表面粗酷时,漫反射的光过于分散,很难在PSD上汇聚于一点,同时也破坏了像点的完整性,使得系统的精度降低。
5结论
本文根据激光三角法的测量原理,设计了一种适合短距离、非接触式测量的激光测距传感器,经实验测试,该系统能够实现20~80mm的位移量测量,并且在20~60mm的测量范围内误差小于1%61~80mm的测量范围内误差不大于2%。同时,分析了系统内误差产生的原因以及减小误差的方法,并且验证了其系统的可行性。由于该系统具有非接触式、精度高、分辨率高、响应速度快、价格低廉等优点,因此在工业短距离测距领域将有着广泛的应用。
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