基于光電探測(cè)器的激光定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳宏達(dá)，劉鵬，王曉曼，牟暢

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

激光定位是對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行處理獲得光斑質(zhì)心位置的一種技術(shù)，應(yīng)用在位移測(cè)量和探測(cè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。以光電探測(cè)器件為核心的測(cè)量系統(tǒng)是研究的熱點(diǎn)，同時(shí)激光三角法是很經(jīng)典的定位測(cè)量方法。當(dāng)目標(biāo)發(fā)生位置變化時(shí)，探測(cè)器輸出的信號(hào)計(jì)算光斑質(zhì)心位置得到物體相對(duì)位移?？蓮V泛應(yīng)用于激光制導(dǎo)、自由空間的激光通信、精密工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。未來(lái)激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展方向一定是高度集成、低功耗的。目前市面上有很多種光電探測(cè)器件，進(jìn)行對(duì)比后選擇PSD。隨著PSD的發(fā)展和改良，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)，還有航空和軍事領(lǐng)域都起到了非常重要的作用，更廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。STM32系列芯片是意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的一種ARM內(nèi)核系列產(chǎn)品的總稱，這一系列產(chǎn)品有著成本低功耗低性能優(yōu)良等特點(diǎn)。本系統(tǒng)以激光三角法為基礎(chǔ)基于PSD和STM32的設(shè)計(jì)，小巧靈便、處理速度很快、精度也很高具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1 器件選擇及工作原理

1.1 光電探測(cè)器件的選取

目前常用的光電探測(cè)器件主要有QD（四象限探測(cè)器）、CCD（電荷耦合器件）和PSD（位置敏感器件）。QD存在死區(qū)，光斑很小時(shí)很容易影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍也很小。CCD響應(yīng)速度慢驅(qū)動(dòng)電路也復(fù)雜，信號(hào)是非連續(xù)性的。綜合以后所以選擇PSD（位置敏感器件），因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、分辨率高、不存在死區(qū)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 PSD工作原理

PSD光電傳感器是已經(jīng)發(fā)展起來(lái)很成熟的一種新型的位置探測(cè)器，PSD是通過(guò)把對(duì)光感面上入射光斑位置轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行輸出的一種光電器件。PSD一般為P-I-N結(jié)構(gòu)，機(jī)理與光電二極管類似，PSD的即時(shí)探測(cè)精度和光斑尺寸無(wú)關(guān)，只與光斑重心有關(guān)。輸出X1、X2、Y1、Y2。它的坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD器件的幾何中心，則有公式如下：

入射光斑落在PSD器件感光面的不同位置時(shí)，感光器件將會(huì)輸出不同大小的電信號(hào)。通過(guò)計(jì)算對(duì)此輸出電信號(hào)的處理就可以得到光斑坐標(biāo)，即可確定入射光斑在PSD感光面的位置。本文采用S5990-01型號(hào)的PSD器件，分辨率為0.2mm，敏感區(qū)為4.5mm*4.5mm，L=4.5mm。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 激光三角法原理及光路設(shè)計(jì)

由于激光三角法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單抗干擾性強(qiáng)所以實(shí)用性很強(qiáng)，具有高穩(wěn)定性和高測(cè)量精度的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量定位領(lǐng)域。其原理是將激光照射到被測(cè)物體表面，利用透鏡收集漫反射光斑，然后匯聚到光接受器件上，當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)的時(shí)候光斑也會(huì)對(duì)應(yīng)移動(dòng)。根據(jù)入射光和被測(cè)物體的夾角不同，它分為直射式測(cè)量和斜射式測(cè)量，直射式適合表面不是特別粗糙的物體而且光斑很小并且結(jié)構(gòu)緊湊實(shí)用，所以采用直射式三角法，PSD接收到被測(cè)物體的聚焦反射光，圖1為基于PSD進(jìn)行設(shè)計(jì)的直射式三角法的光路原理圖。

圖1 直射式三角法光路原理圖

由圖可以推導(dǎo)出公式：

其中，Δd是被測(cè)物體距離，Δd'是光斑在PSD光面上移動(dòng)的距離，d0是物距，d1是像距，β是主光軸和PSD的夾角，θ是入射光和反射光的夾角。被測(cè)物體由M移動(dòng)到M’處，PSD所接收到的光斑位置由O’移動(dòng)到了A’。為了滿足成像公式，所搭建的光路系統(tǒng)必須滿足理想成像條件，PSD接收透鏡和激光光軸它們所在的平面相交同一點(diǎn)。并且被測(cè)物體移動(dòng)的最大距離為4.5mm。本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)選擇物距d0為60mm，像距d1為20mm，由于都是已知量，Δd'的值要小于1.5mm，但不能太小，選用的凸透鏡f為15mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求比較以后最后選定θ為48度、β為73度、所以可以求出Δd。

2.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

PSD的輸出信號(hào)很微弱，而且輸出的電流信號(hào)不方便測(cè)量，所以設(shè)計(jì)了一套信號(hào)處理電路方便檢測(cè)流程如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理流程圖

根據(jù)流程圖繪制原理圖對(duì)放大電路的具體參數(shù)和設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 放大電路原理圖

由圖3可知第一部分是電流放大器，是一個(gè)電流——電壓轉(zhuǎn)換器（I/V變換部分）。第二部分是濾波和電壓放大電路，第三部分是信號(hào)跟隨部分，起到緩沖隔離和提升帶載能力。根據(jù)測(cè)量需要的不同還可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來(lái)改變放大倍數(shù)。這里選用的放大器型號(hào)是OP07CP。通過(guò)此套電路的設(shè)計(jì)可以對(duì)PSD的輸出電流信號(hào)進(jìn)行處理方便后面采集運(yùn)算。最后將處理的信號(hào)輸出給STM32進(jìn)行AD處理。

2.3 STM32ADC采集

將處理過(guò)后的信號(hào)輸出給STM32進(jìn)行ADC采集，本文選用STM32F103ZET6芯片，接口豐富功能強(qiáng)大，內(nèi)部AD直接進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)直接顯示在由STM32驅(qū)動(dòng)的LCD液晶屏上，方便直觀。液晶屏驅(qū)動(dòng)方式是用SPI方式驅(qū)動(dòng)。STM32F103ZET6芯片的AD是12位逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大的轉(zhuǎn)換速率為1Mhz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs，不要讓ADC的時(shí)鐘超過(guò)14M，否則轉(zhuǎn)換精度將會(huì)下降。轉(zhuǎn)換效果如圖4所示。

圖4 采集效果圖

采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行運(yùn)算得到測(cè)量位置坐標(biāo)（X，Y）并且在LCD實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，進(jìn)行對(duì)比然后可以得到位移量。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)與結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，手動(dòng)調(diào)整二維精密轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)，光源發(fā)射激光照射到被測(cè)物體上，通過(guò)成像鏡頭成像在PSD上，被測(cè)物體發(fā)生移動(dòng)時(shí)，光斑在PSD光敏面相應(yīng)移動(dòng)，輸出電信號(hào)。軟件部分是以KEIL5為編譯環(huán)境，以STM32為控制器進(jìn)行編程，實(shí)時(shí)采樣信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理。使用STM32內(nèi)部AD四路通道進(jìn)行采集，計(jì)算出當(dāng)前的坐標(biāo)（X，Y）進(jìn)行對(duì)比后得到位移量。然后把測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和物體實(shí)際的移動(dòng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并且計(jì)算測(cè)量誤差。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

以0.1mm為單位移動(dòng)1mm，選取十組靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量分析，得到PSD的靜態(tài)測(cè)量誤差范圍小于6μm，在合理誤差范圍之內(nèi)，如圖6。

圖6 靜態(tài)誤差圖

為了測(cè)量本系統(tǒng)存在的測(cè)量誤差，繼續(xù)做了實(shí)驗(yàn)，由于Δd和px，py成比例關(guān)系，通過(guò)軟件計(jì)算可算得Δd。把被測(cè)物體每次移動(dòng)0.1mm，在0.2～5.0mm的范圍內(nèi)得到的測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 測(cè)量結(jié)果圖

圖7為0.2～4mm的范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果。誤差的平均值為0.011mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.030mm。對(duì)此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量以后對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的誤差也進(jìn)行了分析，然后把系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化在正負(fù)4.5mm范圍內(nèi)位移進(jìn)行快速測(cè)量，本系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)量精度為30μm，可應(yīng)用于精密儀器的測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)激光三角法基于PSD和STM32的激光定位系統(tǒng)測(cè)量位置具有簡(jiǎn)單、高效、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，在平穩(wěn)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠方便、有效的實(shí)時(shí)對(duì)激光位置進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的精確檢測(cè)，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)提升系統(tǒng)的精度和可用性，加入上位機(jī)實(shí)時(shí)控制。光路系統(tǒng)部分可以更加簡(jiǎn)潔高效。而且PSD體積小實(shí)時(shí)性高，整套電路搭載簡(jiǎn)單，在信號(hào)處理部分也還可以加入反饋電路匹配不同反射能力的實(shí)物?？赡艹霈F(xiàn)的誤差方面還可以繼續(xù)改進(jìn)，如光學(xué)裝配和調(diào)試誤差、系統(tǒng)的背景光、暗電流噪聲等。