基于PSD器件的激光位移測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)※*

吳煒，嚴(yán)利平

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州310018)

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基于PSD器件的激光位移測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)※*

吳煒，嚴(yán)利平

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州310018)

摘要:提出了一種基于濱松S3931型號(hào)PSD器件和飛思卡爾Kinetis K60系列微控制器的激光位移測(cè)距系統(tǒng)。該測(cè)距系統(tǒng)主要利用了光學(xué)三角測(cè)量法的工作原理，將被測(cè)位移量通過光路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的微弱電信號(hào)，再由微弱電信號(hào)處理電路，經(jīng)過放大、濾波、信號(hào)處理、A/D采集等一系列處理后，轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移量，并在LCD液晶顯示屏上顯示。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)±5 mm范圍內(nèi)位移的快速測(cè)量，測(cè)量精度為30 μm，可以用于精密儀器尺寸測(cè)量、物體表面平整度檢測(cè)等。

關(guān)鍵詞:PSD；S3931；激光測(cè)距；光學(xué)三角測(cè)量法

引言

在當(dāng)今社會(huì)中，測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可或缺的一部分。其中，位移測(cè)量技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，是測(cè)量技術(shù)中主要的組成部分。一種以光電位置敏感探測(cè)器PSD(Position Sensitive Detector)為核心的新型、高精度、高靈敏度、非接觸式的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),已經(jīng)成為新型測(cè)距法的研究熱點(diǎn)。它具有抗干擾強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、精度高的特點(diǎn)，同時(shí)具有不受外界濕度、磁場(chǎng)、強(qiáng)電等環(huán)境因素影響的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量方法，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1三角測(cè)距法原理及光路設(shè)計(jì)

由于光學(xué)三角測(cè)距法具有精度高、非接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)等一系列的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于幾何測(cè)距領(lǐng)域。根據(jù)入射光線與被測(cè)物表面之間夾角的不同，可以分為直射式三角測(cè)距法與斜射式三角測(cè)距法。在直射式三角測(cè)距法中，PSD接收到的是被測(cè)物表面的漫反射光，比較適用于表面不太粗糙的物體，同時(shí)由于直射式所產(chǎn)生的激光光斑比較小，整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠做到小而緊湊[1]，因此本文采用直射式三角測(cè)距法。

圖1為基于PSD的直射式三角測(cè)量法激光測(cè)距的光路原理圖。激光器發(fā)射出的光斑照射到被測(cè)物體上，透鏡接收被測(cè)物體表面漫反射的光,并聚焦到PSD器件的敏感區(qū)域，當(dāng)被測(cè)物體從初始位置M處移動(dòng)到位置M'處時(shí)，反射光斑從PSD位置的O′處移動(dòng)到A′處。

圖1　三角測(cè)量法光路原理圖

由圖1中的幾何關(guān)系以及ΔANO∽ΔA′N′O′的關(guān)系可以推導(dǎo)出：

(1)

其中,Δd為被測(cè)距離，d0為物距，d1為像距,β為主光軸與PSD夾角，θ為入射光線與反射光線的夾角。

d0、d1、β、θ均為已知量，因此只要求出光斑在PSD上的位移量Δd′，就可以求出位移量Δd。

為了能在PSD表面上得到清晰的成像，并且在被測(cè)物移動(dòng)的過程中物點(diǎn)與像點(diǎn)能夠始終滿足成像公式，光路系統(tǒng)需要滿足Scheimpflug理想成像條件。因此，PSD所在平面、接收透鏡所在平面和激光光軸需要相交在同一點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　Scheimpflug成像條件光路圖

圖2中L表示激光光源與被測(cè)物初始位置的距離。同時(shí)，考慮到S3931型號(hào)PSD的敏感區(qū)大小為1 mm×6 mm，本系統(tǒng)的檢測(cè)范圍為±5 mm。因此，當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)最大距離為5 mm時(shí)，光斑還應(yīng)成像在PSD的敏感區(qū)，即此時(shí)的Δd′應(yīng)小于3 mm。

在實(shí)際中，由于光斑成像在PSD邊緣附近時(shí)，位移與輸出信號(hào)的線性度變差，因此本文選擇PSD器件中心處作為有效敏感區(qū)，當(dāng)被測(cè)物移動(dòng)最大距離為5 mm時(shí)，Δd′應(yīng)小于1.5 mm。本文選擇的透鏡為f=15 mm的凸透鏡，選定物距d0=60 mm，像距d1=20 mm。

根據(jù)上述所討論的情況及Scheimpflug成像條件，可以列出與測(cè)距系統(tǒng)光路參數(shù)x、β、θ有關(guān)的方程。將式(1)進(jìn)行移項(xiàng)變換，將Δd=5 mm、d0=60 mm、d1=20 mm代入到公式(1)中，可以得到：

(2)

此外，根據(jù)圖2光路圖中的幾何關(guān)系可以得到：

(3)

(4)

為了選擇合適的系統(tǒng)光路各部分參數(shù)，本文借助MATLAB來計(jì)算式(2)～(4)中的各參數(shù)。由于對(duì)于每一個(gè)不同取值的θ、β、Δd′和L都有唯一解，因此本文利用枚舉法，將θ的取值(36°~64°，間隔1°)，代入到方程組中去，在結(jié)果中選擇符合實(shí)驗(yàn)條件(即Δd′<1.5mm)的參數(shù)取值。

基于PSD激光測(cè)距系統(tǒng)各參考略——編者注。有許多組參數(shù)符合Δd′<1.5mm這一要求，但是當(dāng)Δd′過小時(shí)，光斑在PSD敏感面上的移動(dòng)范圍也會(huì)變得十分小，使得位移測(cè)量分辨率明顯降低。同時(shí)，如果θ的角度過大，激光光源到被測(cè)物距離L的增大會(huì)使得系統(tǒng)變得過于龐大，最終經(jīng)過比較，本文最后選定的光路部分的參數(shù)為θ=48°、β=73°、L=89.7mm。

2一維PSD工作原理

圖3為PSD的橫截面示意圖，P層是光敏層，當(dāng)激光照射在P層表面上時(shí)，在入射位置表面下就會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的電荷，產(chǎn)生的電荷通過P層向兩端電極流動(dòng)形成光電流。由于P層的電阻是均勻的，所以由兩極輸出的電流分別與光點(diǎn)到兩極的距離成反比。

圖3　PSD橫截面示意圖

假設(shè)光斑照射在光敏層的A點(diǎn)處，照射點(diǎn)距光敏層中點(diǎn)O的距離為x，假設(shè)光敏層總長(zhǎng)度為2L，那么可以根據(jù)電流與光點(diǎn)到兩極的距離成反比這一關(guān)系得到：

(5)

其中,I1、I2為PSD極點(diǎn)輸出電流，L為PSD有效敏感面長(zhǎng)度。

由式(5)可知，只要測(cè)得I1、I2、L，就能求出光斑在PSD上的位置。本文選擇的PSD器件為日本濱松公司所生產(chǎn)的S3931，這款PSD具有優(yōu)秀的位置探測(cè)能力，可靠性高，光敏面積大小為1mm×6mm，分辨率為0.3μm，光譜響應(yīng)范圍為320~1100nm，峰值波長(zhǎng)為920nm。

3激光傳感器信號(hào)處理電路

由于本系統(tǒng)所采用的位置敏感傳感器PSD的輸出信號(hào)十分微弱，飽和輸出光電流只有100μA，因此需要設(shè)計(jì)前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大，為了抑制干擾信號(hào)，還需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路。根據(jù)式(1)可知，光斑在PSD敏感面上的位移量Δd′與(I1+I2)/(I1-I2)成正比，因此還需要設(shè)計(jì)加法電路和減法電路，信號(hào)處理電路總體框架如圖4所示。

圖4　PSD信號(hào)處理電路示意圖

為了減小電路布局所帶來的影響，選擇將信號(hào)處理電路進(jìn)行PCB刻板，進(jìn)一步提高電路的穩(wěn)定性、整體性。先利用Altium Designer軟件對(duì)整體電路進(jìn)行合理的PCB布局，再利用腐蝕機(jī)對(duì)其進(jìn)行腐蝕處理。信號(hào)處理電路實(shí)物圖如圖5所示。

圖5　信號(hào)處理電路實(shí)物圖

4激光位移測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分以IAR作為開發(fā)環(huán)境，對(duì)K60微控制器進(jìn)行軟件編程。本系統(tǒng)中，K60主控芯片主要需要實(shí)現(xiàn)的功能為：在考慮采樣頻率的情況下，以盡可能小的時(shí)間間隔對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，來達(dá)到接近實(shí)時(shí)測(cè)量的目的，同時(shí)利用K60本身的軟件除法運(yùn)算功能，來代替模擬除法器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

此外，由于K60微控制器只能采樣大于零的模擬信號(hào)，當(dāng)(I1-I2)為負(fù)值時(shí)，需要采集(I1-I2)的反相信號(hào)，因此K60單片機(jī)的A/D模塊的3個(gè)通道分別采集3個(gè)模擬量，分別是AD0通道采集信號(hào)(I1+I2)、AD1通道采集信號(hào)(I1-I2)、AD2通道采集信號(hào)(I1-I2)的反相值，系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6　軟件流程圖

5系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

為了驗(yàn)證基于PSD的激光測(cè)距系統(tǒng)可行性和有效性，進(jìn)行了位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。位移測(cè)量值由螺旋測(cè)微器移動(dòng)平臺(tái)提供，該移動(dòng)平臺(tái)最小移動(dòng)間隔為0.02 mm。通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器來帶動(dòng)被測(cè)物前后移動(dòng)，通過測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量被測(cè)物的位移距離，將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際位移距離進(jìn)行比較，計(jì)算測(cè)量誤差。

圖7　基于PSD激光位移測(cè)距系統(tǒng)實(shí)物圖

由于在制作測(cè)距系統(tǒng)實(shí)物時(shí)，與理論設(shè)計(jì)的參數(shù)存在一定的偏差，因此測(cè)距結(jié)果不能用理論公式計(jì)算得到，本文采用標(biāo)定擬合法來得出最終測(cè)距結(jié)果的計(jì)算公式。因此首先需要進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，對(duì)位移計(jì)算公式中的系數(shù)進(jìn)行確定。在實(shí)驗(yàn)1中，被測(cè)物體每次位移0.2 mm，然后記錄相對(duì)應(yīng)的(I1+I2)和(I1-I2)的值，利用Origin軟件將記錄的數(shù)據(jù)做成折線圖，其中x軸為實(shí)際位移值，y軸為(I1-I2)/(I1+I2)，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8　擬合實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

然后通過軟件計(jì)算并畫出擬合曲線，該曲線擬合系數(shù)為0.9985，最終得出位移計(jì)算公式為：

(6)

為了測(cè)試位移系統(tǒng)的測(cè)量誤差，進(jìn)行了第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)2中，被測(cè)物表面每次步進(jìn)0.1mm，將測(cè)得的(I1+I2)和(I1-I2)代入式(6)，在0.2～4.7mm和-4.8～-0.3mm范圍內(nèi)的位移測(cè)量結(jié)果分別如圖9和10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研制的激光位移測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度為30μm。

圖9　0.2~4.7 mm范圍內(nèi)位移測(cè)量結(jié)果

圖10　-4.8～-0.3 mm范圍內(nèi)位移測(cè)量結(jié)果

結(jié)語

本文對(duì)基于PSD的激光位移測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究與探討，根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量法工作原理，對(duì)系統(tǒng)光路部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過對(duì)PSD輸出信號(hào)特性的分析，設(shè)計(jì)出了合理的信號(hào)處理電路。在進(jìn)行相關(guān)測(cè)量實(shí)驗(yàn)之后，對(duì)測(cè)量結(jié)果所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出了完整的激光位移測(cè)距系統(tǒng)，在±5 mm范圍內(nèi)位移測(cè)量精度為30 μm。

在本文研究的基礎(chǔ)上，還可以通過以下幾方面的優(yōu)化進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和實(shí)用性：選擇準(zhǔn)直性更好的紅外激光發(fā)射器，減少光斑過大所帶來的不良影響；選用紋波更小的電源對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電；在信號(hào)處理電路中增加反饋電路，以適用于不同反射能力的被測(cè)對(duì)象；系統(tǒng)光路部分設(shè)計(jì)得更加小型和緊湊。

參考文獻(xiàn)

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吳煒(本科生)，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究。

Laser Displacement Ranging System Based on PSD※

Wu Wei,Yan Liping

(School of Information Science and Technology,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Abstract：A laser displacement ranging system based on Hamamatsu S3931 model PSD device and Freescale Kinetis series microcontroller K60 is proposed.The ranging system mainly uses the principle of optical triangle method,which converts the measured displacement into the corresponding weak electrical signals using the optical path system.After amplification,filtering,signal processing,A/D sampling and a series of processing,the signals are converted into the actual displacement and displayed on the LCD screen.The experiment results show that the system achieves a displacement measurement range of ±5 mm and the measuring accuracy of 30 μm.It can be used for the size detection of precision instruments,the roughness measurement of surface and so on.

Key words:PSD;S3931;optical laser ranging system;optical triangle method

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-07-08)

中圖分類號(hào):TH711

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

基金項(xiàng)目：*國(guó)家級(jí)——激光合成波長(zhǎng)干涉測(cè)量空氣折射率的方法研究(514754535)。