基于PSD器件的激光位移測距系統(tǒng)設(shè)計※*

吳煒，嚴利平

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州310018)

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基于PSD器件的激光位移測距系統(tǒng)設(shè)計※*

吳煒，嚴利平

(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PSD器件和飛思卡爾Kinetis K60系列微控制器的激光位移測距系統(tǒng)。該測距系統(tǒng)主要利用了光學(xué)三角測量法的工作原理，將被測位移量通過光路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的微弱電信號，再由微弱電信號處理電路，經(jīng)過放大、濾波、信號處理、A/D采集等一系列處理后，轉(zhuǎn)換為實際位移量，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)位移的快速測量，測量精度為30 μm，可以用于精密儀器尺寸測量、物體表面平整度檢測等。

關(guān)鍵詞:PSD；S3931；激光測距；光學(xué)三角測量法

引言

在當今社會中，測量技術(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，位移測量技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，是測量技術(shù)中主要的組成部分。一種以光電位置敏感探測器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)測量系統(tǒng),已經(jīng)成為新型測距法的研究熱點。它具有抗干擾強、實時性好、精度高的特點，同時具有不受外界濕度、磁場、強電等環(huán)境因素影響的優(yōu)點，已經(jīng)逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)測量方法，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1三角測距法原理及光路設(shè)計

由于光學(xué)三角測距法具有精度高、非接觸、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾強等一系列的特點，被廣泛應(yīng)用于幾何測距領(lǐng)域。根據(jù)入射光線與被測物表面之間夾角的不同，可以分為直射式三角測距法與斜射式三角測距法。在直射式三角測距法中，PSD接收到的是被測物表面的漫反射光，比較適用于表面不太粗糙的物體，同時由于直射式所產(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距法。

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

圖1　三角測量法光路原理圖

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，并且在被測物移動的過程中物點與像點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，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物初始位置的距離。同時，考慮到S3931型號PSD的敏感區(qū)大小為1 mm×6 mm，本系統(tǒng)的檢測范圍為±5 mm。因此，當被測物移動最大距離為5 mm時，光斑還應(yīng)成像在PSD的敏感區(qū)，即此時的Δd′應(yīng)小于3 mm。

在實際中，由于光斑成像在PSD邊緣附近時，位移與輸出信號的線性度變差，因此本文選擇PSD器件中心處作為有效敏感區(qū)，當被測物移動最大距離為5 mm時，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，可以列出與測距系統(tǒng)光路參數(shù)x、β、θ有關(guān)的方程。將式(1)進行移項變換，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來計算式(2)～(4)中的各參數(shù)。由于對于每一個不同取值的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)果中選擇符合實驗條件(即Δd′<1.5mm)的參數(shù)取值。

基于PSD激光測距系統(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Δd′過小時，光斑在PSD敏感面上的移動范圍也會變得十分小，使得位移測量分辨率明顯降低。同時，如果θ的角度過大，激光光源到被測物距離L的增大會使得系統(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，當激光照射在P層表面上時，在入射位置表面下就會產(chǎn)生與光強成比例的電荷，產(chǎn)生的電荷通過P層向兩端電極流動形成光電流。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點處，照射點距光敏層中點O的距離為x，假設(shè)光敏層總長度為2L，那么可以根據(jù)電流與光點到兩極的距離成反比這一關(guān)系得到：

(5)

其中,I1、I2為PSD極點輸出電流，L為PSD有效敏感面長度。

由式(5)可知，只要測得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，峰值波長為920nm。

3激光傳感器信號處理電路

由于本系統(tǒng)所采用的位置敏感傳感器PSD的輸出信號十分微弱，飽和輸出光電流只有100μA，因此需要設(shè)計前置放大電路對信號進行進一步放大，為了抑制干擾信號，還需要設(shè)計相應(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)計加法電路和減法電路，信號處理電路總體框架如圖4所示。

圖4　PSD信號處理電路示意圖

為了減小電路布局所帶來的影響，選擇將信號處理電路進行PCB刻板，進一步提高電路的穩(wěn)定性、整體性。先利用Altium Designer軟件對整體電路進行合理的PCB布局，再利用腐蝕機對其進行腐蝕處理。信號處理電路實物圖如圖5所示。

圖5　信號處理電路實物圖

4激光位移測距系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分以IAR作為開發(fā)環(huán)境，對K60微控制器進行軟件編程。本系統(tǒng)中，K60主控芯片主要需要實現(xiàn)的功能為：在考慮采樣頻率的情況下，以盡可能小的時間間隔對輸出信號進行采樣，來達到接近實時測量的目的，同時利用K60本身的軟件除法運算功能，來代替模擬除法器，進一步簡化系統(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，當(I1-I2)為負值時，需要采集(I1-I2)的反相信號，因此K60單片機的A/D模塊的3個通道分別采集3個模擬量，分別是AD0通道采集信號(I1+I2)、AD1通道采集信號(I1-I2)、AD2通道采集信號(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)測試與結(jié)果

為了驗證基于PSD的激光測距系統(tǒng)可行性和有效性，進行了位移測量實驗。實驗裝置如圖7所示。位移測量值由螺旋測微器移動平臺提供，該移動平臺最小移動間隔為0.02 mm。通過手動旋轉(zhuǎn)螺旋測微器來帶動被測物前后移動，通過測距系統(tǒng)測量被測物的位移距離，將測量結(jié)果與實際位移距離進行比較，計算測量誤差。

圖7　基于PSD激光位移測距系統(tǒng)實物圖

由于在制作測距系統(tǒng)實物時，與理論設(shè)計的參數(shù)存在一定的偏差，因此測距結(jié)果不能用理論公式計算得到，本文采用標定擬合法來得出最終測距結(jié)果的計算公式。因此首先需要進行標定實驗，對位移計算公式中的系數(shù)進行確定。在實驗1中，被測物體每次位移0.2 mm，然后記錄相對應(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軸為實際位移值，y軸為(I1-I2)/(I1+I2)，測量結(jié)果如圖8所示。

圖8　擬合實驗測量結(jié)果

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

(6)

為了測試位移系統(tǒng)的測量誤差，進行了第二項實驗，在實驗2中，被測物表面每次步進0.1mm，將測得的(I1+I2)和(I1-I2)代入式(6)，在0.2～4.7mm和-4.8～-0.3mm范圍內(nèi)的位移測量結(jié)果分別如圖9和10所示。實驗結(jié)果表明，本文研制的激光位移測距系統(tǒng)測量精度為30μm。

圖9　0.2~4.7 mm范圍內(nèi)位移測量結(jié)果

圖10　-4.8～-0.3 mm范圍內(nèi)位移測量結(jié)果

結(jié)語

本文對基于PSD的激光位移測距系統(tǒng)進行了深入的研究與探討，根據(jù)光學(xué)三角測量法工作原理，對系統(tǒng)光路部分進行了設(shè)計。通過對PSD輸出信號特性的分析，設(shè)計出了合理的信號處理電路。在進行相關(guān)測量實驗之后，對測量結(jié)果所產(chǎn)生的誤差進行了分析，對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化，最終設(shè)計出了完整的激光位移測距系統(tǒng)，在±5 mm范圍內(nèi)位移測量精度為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)化進一步提高系統(tǒng)的測量精度和實用性：選擇準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系統(tǒng)進行供電；在信號處理電路中增加反饋電路，以適用于不同反射能力的被測對象；系統(tǒng)光路部分設(shè)計得更加小型和緊湊。

參考文獻

[1] 侯金龍. PSD 激光三角測量系統(tǒng)的研究 [D] .武漢:華中科技大學(xué),2005.

[2] 張華.基于PSD的測距系統(tǒng)研究[D] .杭州:浙江大學(xué),2005.

[3] 普晉亞.PSD激光三角測距系統(tǒng)設(shè)計[D] .武漢:華中科技大學(xué),2008.

[4] Freescale Kinetis MK60 Datasheet [EB/OL].(2013-09)[2015-07].http://www.freescale.com.

[5] ADI.OP07 Datasheet [EB/OL].(2011-07) [2015-07]. http://datasheet.eepw.com.cn/datasheet/show/id/1719712.

[6] Makymen A.Linear and sensitive CMOS position-sensitive photo detector[J] .Electronics Letters,1998(12).

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：(責任編輯：楊迪娜2015-07-08)

中圖分類號:TH711

文獻標識碼:A

基金項目：*國家級——激光合成波長干涉測量空氣折射率的方法研究(514754535)。