高精度激光测距仪在大物位上的应用研究
高精度激光测距仪在大物位上的应用研究
作者:曹福祝;李冬梅
工业生产中有一些物位的距离在几十米到几百米之间,用一些接触(如电容式物位计、钢带物位计、射频导纳物位计、重锤物位计等)和非接触(如超声物位计、雷达物位计)的仪表都无法满足要求,究其原因不是量程不够,就是精度不够,或者满足不了安装要求,这种情况下高精度激光测距仪就体现了其独特的优势。由于现代高科技的发展生产出超大集成电路芯片,使得高精度激光测距仪实现高精度成为可能,精度可以精确到± Imm以内,发射角非常小,非接触,方向好及安装维护方便。
1激光测距的工作方式
激光测距仪表在工业测距应用起着越来越重要的作用,激光测距的工作方式一般有两种:
1)脉冲式激光测距:由测距仪的激光器发出一束光脉冲信号,光信号经空气传输到被测目标的表面后,其中的一部分光信号被反射回来,接收单元接收到返回的光信号,如果把光信号从发出到接收所用的时间检测出来,就可以利用公式计算出测距仪与被测目标之间的距离。假设所测距离设为L,光信号往返时间设为t,光信号在空气中的传播速度为c,则L=ct/20
2)相位式激光测距:首先对测距仪的激光器发出的光信号进行幅度调制,经调制后的光信号发射后遇到被测目标的部分光信号被反射回来,发出到接收之间光信号会产生相应的相位延迟,利用公式和调制光信号的波长就能计算出光信号所传输的距离卩]。
相位式测距原理是经过调制后的光信号由激光器发出,在空气中传输遇到被测目标后部分光信号被反射,检测出光信号在一定时间t后所产生的相位移,利用公式和光信号的波长计算出光信号所传输的距离L.如图1所示,A点表示调制光信号的起始点,B点为被目标的表面,A'表示光信号经被测目标反射后的接收点,A和At两点之间的距离就是光信号所传输的距离,它等于待测距离L的2倍,图1中光信号在往返路径上的相位移用巾来表示。
光信号在空气中传输的过程中相位不断发生改变,用代表调制光信号的波长,则光信号每传输一个波长,相位就会发生一个周期的变化为2-因此被测距离L、光信号在空气中往返相位移小和光信号调制波的波长之间的关系为:
L=入/2*小/2
设X/2为一个测量单位h,軻2丌则是光信号在空气中传输距离L包含的数值个数。如果设小:2 N+厶,式中N为正整数或为0,A+是中不足一个周期(2)的小数,则式(1)可写为:
L=h[N+A軻2到
由于式中相位移的正整数N无法确定或计算出来,而只能测定其中不足一个周期(2)的相位移小数A,要解决这个问题,实现大物位的高精度测量(例如钟表的时、分、秒3个指针才能准确地确定时间),采用两种频率相互配合使用及平均值的合理运算,就能保证了测量距离的高精度,使用差频测相的方法能更好地提高激光测距仪的系统精度。
2激光测距仪系统方案设计
激光测距仪的原理框图2,下面简单介绍各部分功能罔: MSP430F5XX微处理器是TI公司2開0年研制出的一款超低功耗、多功能、开发简便、扩展灵活的工业级微控制器,它由许多不同的功能模块组成,可以完成多种芯片的任务,在不同的领域(如汽车电子、仪器仪表、环境监测、家用电器、便携设备及医疗器械等)都有着广泛应用。
MSP430F5XX微控制器采用冯·诺依曼架构,有着精简的指令集,独特的时钟系统。处理器在电源电压1.8V时工作电流只有160 A是极低功耗的,CPU内核功能强大,运算处理速度快,FLASH存储器可在线擦写,不需要额外的编程器和仿真器,减少开发成本,提高开发效率,此外处理器集成多种多样的端口,有通讯端口、显示端口、A/D 转换器、D/A转换器、JTAG转换器端口、1/0端口、时钟端冂、定时器及各种控制器等,便于开发者灵活配置,快速设计出产品,减少了外围电路,降低生产成本,这样整个系统抗电磁干扰能力加强了,仪器工作稳定。测距仪软件采用 c语言进行编程,模块化,修改调试方便快捷。由于处理器硬件集成度高,集成的功能单元多,利用软件的编程可以把不同的功能模块有序地串起来,实现你所需要的多种任务和指标。激光测距仪正是基于MSP430F5XX微控制器的以上特性设计开发的,因此激光测距器能够实现高精度、大量程、低能耗和性能稳定。利用MSP430F5XX微控制器的多种时钟功能,来实现激光测距仪的连续测量、单次测量、定次数测量、预测量及触发测量等多种工作模式。
DDS(直接数字频率合成)AD9913芯片是一种通过编程能产生不同频率的分频器,它主要由系统精准时钟、相位累加器、波形存储器、D/A转换器等组成,输出频率和锁相频率进行数字化合成,由控制信息精准控制,通过LC 低带通滤波器滤除噪声,使频率和相位达到毫赫兹精度,中心频率f0的相位误差为0.01度,满足整个系统要求[习。
激光测距传感器:本激光测距仪选用的激光发射最高功率为I mw,安全等级为2级安全。符合1EC825一1 / DINEN60825一L2001一1 1及FDA21 CFR规定。如果出现意外,人眼短时间被激光照中(高于0.25s),人眼可通过自身眼睑的眨眼反射进行保护。人的眨眼反射会很好地保护好眼睛。
3高精度激光测距仪在大物位上的应用
激光调制接收单元将接收的调制光波信号由前置仪表精密放大器放大,再经过整形、滤波、鉴相等信号处理,由A/D电路转换成数字信号传输给CPU(MsP430F5435)处理器,处理器通过一系列计算、平均值处理,再由处理器把计算的结果分别由数字信号传输给显示单元(LCD)显示数值、D/A电路转换成标准4一20mA模拟信号输出、通讯单元输出Rs232或MODBUS接口与上位机通讯另外,上位机可以通过通讯接口对激光测距仪的一些参数进行修改如量程、上下限报警、自由设置连续测量的触发时间间隔等。
在实际现场工况中激光传感器的发光管温度适用范围非常窄(一般在一10 ℃、50 ℃之间),而我国幅员辽阔,南北温差大,为适用于不同现场,激光测距仪必须有温度补偿,来满足不同地域、不同工况需求,在设计高精度激光测距仪时,将实时采集环境温度,DS18B20是常用的温度传感器(测温范围一55 ℃、125 ℃),具有体积小、功耗低、抗十扰能力强、精度高的特点,当环境温度接近激光传感器的上限或下限时,处理器发出指令由温度控制单元及时进行制冷或加热来补偿温度,以保证仪表的激光传感器及整个系统在一20 ℃一70 ℃下都能正常工作。
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