（通信与信息系统专业论文）基于dsp的高速激光位移装置的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 曼皇曼曼曼邑曼量曼皇曼曼曼皇曼皇曼曼量量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼舅舅皇舅曼曼曼曼皇曼曼蔓曼蔓i 皇曼皇曼曼曼曼量量曼蔓曼曼曼葛葛皇曼暑量曼曼 摘要 随着现代控制技术、信息处理技术和半导体技术的发展，人们对位移测量的要求 也不断提高，其中基于激光位移传感器技术的非接触式测量由于其精确性高：实时性 好以及无损坏等特点己越来越多的用于科研生产中。 作为激光传感器的一种，位置敏感探测器p s d ( p o s i t i o ns e n s i b l ed e t e c t o r ) 具有体 积小、光电灵敏度高、响应速度快、分辨率高和应用电路简单等优点，因此，基于p s d 的位移测量技术在非接触式测量中具有更加广泛的应用。本文使用p s d 器件，提出了 一种基于d s p 的高速激光位移装置的设计方案。方案总体设计思想为：以p s d 结合激 光三角测量法作为位移信息采集端，使用电流型模数转换器d d c l l 2 对p s d 产生的光 电流信号进行a d 转换；以d s p 作为系统中央处理器，控制d d c l l 2 的a d 转换和 转换结果的传输，将转换结果进行格式化处理后利用相关公式计算出激光在p s d 感光 面上的位移信息，最后将位移信息显示在液晶显示屏上，并通过串口通信将位移信息 发送到p c 机，在p c 机上对位移信息做进一步分析处理。 本文首先分析了基于p s d 的激光位移传感器的国内外研究现状，对激光三角测量 法和p s d 的工作原理进行分析研究，并指出p s d 的工作特性、影响因素和使用注意事 项。然后提出了系统的总体设计方案，并做了方案可行性分析。针对p s d 产生的光电 流信号处理问题，本文阐述了利用电流型模数转换器d d c l l 2 和t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片做数据采集系统的软硬件设计思路。依据系统设计方案，对于 本系统所涉及到的光电流信号采集模块、模数转换模块、数据处理和传输模块的软硬 件设计均给出详细论述。最后本文介绍了系统在实验室环境下的整体测试过程，对于 系统存在的问题和不足做了认真分析和总结，给本方案的进一步完善提供一些设计参 考。 本文设计的基于d s p 的高速激光位移装置，采用电流型模数转换器d d c l1 2 直接 对p s d 产生的光电流信号进行a d 转换，与现有的将电流信号转换成电压信号进行处 理的方法相比，大大减少了硬件电路给信号采集造成的各种信号干扰和系统延迟，提 高了系统测量的精确性和实时性。利用d s p 强大的数字信号处理能力，为系统提供精 确的控制和时钟信号，并能快速准确地处理采集数据，达到高速测量的目的。本系统 设计的测量误差为0 1 m m ，系统响应时间为小于l u s ，在实时性要求比较高的场合，本 系统具有一定的测量优势。 关键词：非接触测量；位置敏感探测器；d d c l1 2 ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o n t r o lt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , t h ed e m a n d so fd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ti sr a i s i n gu pd a yb y d a y , a n dt h en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tb a s e do nl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o rt e c h n o l o g yd u et o i t sa c c u r a c y , t i m e l i n e s s ，a n dw i t h o u td a m a g eh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so fr e s e a r c h a n dm a n u f a c t u r e a sal a s e rs e n s o r , p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o rp s dr p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) h a sa s m a l ls i z e ，h i g hp h o t o e l e c t r i cs e n s i t i v i t y , h i g hr e s p o n s es p e e d ，h i g hr e s o l u t i o n ，a n ds i m p l e a p p l i c a t i o nc i r c u i t ，t h e p s d b a s e d d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sb r o a d e r a p p l i c a t i o ni nn o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t ad s p - - b a s e dh i g h s p e e dl a s e rd i s p l a c e m e n td e v i c es c h e m ei s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h eb a s i ci d e ao ft h es c h e m ei sa sf o l l o w s ：p s dc o m b i n e dw i t hl a s e rt r i a n g u l a t i o ni su s e db y t h ed i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nt e r m i n a lw h i c hi m p l e m e n t sa dc o n v e r s i o no nt h e p h o t o c u r r e n tg e n e r a t e db yt h ep s i - ) t h r o u g ht h ec u r r e n ti n p u ta n a l o g - t o - - d i g i t a lc o n v e r t e r d d c112 ；t h ed s pi st a k e na st h ec e n t r a lp r o c e s su n i to ft h es y s t e m 。a n dt h ed s pc o n t r o lt l e c o n v e r s i o no fd d c1 12a n dt r a n s m i s s i o no ft h er e s u l to fc o n v e r s i o n ，a n dt h ec o n v e r s i o n r e s u l ti sf o r m a t t e dt oc a l c u l a t e st h el a s e r sd i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o no nt h ep h o t o s e n s i t i v e s u r f a c eo fp s d u s i n g t h ec o r r e l a t i o nf o r m u l a t h e nd i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o ni sd i s p l a y e db y t h el c da n ds e n tt op c t h r o u g hs e r i a lc o m m u n i c a t i o nf o rf u r t h e ra n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fp s db a s e dl a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r r e s e a r c hs t a t u si s s u r v e y e df i r s t l y , a n dt h e l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e t h o da n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fp s di sa n a l y z e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp s d ，i n f l u e n c ef a c t o r sa n dp o i n t sf o r a t t e n t i o ni nu s ea r ep o i n t e do u t s e c o n d l y , t h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h e s y s t e mi s p r o p o s e da n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m ei sa n a l y z e d t oa d d r e s sl i g h tc u r r e n ts i g n a l p r o c e s s i n gp r o b l e m sp r o d u c e db yp s d ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nm e t h o do fd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mu s i n gt h ec u r r e n ti n p u ta d cd d c 112a n dt i st m s 3 2 0 f 2 812d s pc h i p i sd e s c r i b e d o nt h eb a s i so fs y s t e md e s i g n ，t h ep h o t o e l e c t r i cc u r r e n ts i g n a la c q u i s i t i o n m o d u l ei nt h es y s t e m ，a dc o n v e r s i o nm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n ga n dt r a n s m i t t i n gm o d u l eo f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na r eg i v e ni nd e t a i l f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew h o l e t e s t i n gp r o c e s so ft h es y s t e mi n al a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ，a n ds o m ed e s i g nr e f e r e n c ei s p r o v i d e df o ro t h e r st oi m p r o v et h i sp r o g r a mi nf u t u r e t h eh i g h - s p e e dl a s e rd i s p l a c e m e n td e v i c eb a s e do nd s pc o n v e r t st h ep h o t o c u r r e n t s i g n a l sg e n e r a t e db yt h ep s dd i r e c t l yb yu s i n gc u r r e n ti n p u ta d cd d c 112 c o m p a r e dw i t h 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 t h ee x i s t i n gm e t h o dt h a tc o n v e y sl i g h tc u r r e n ts i g n a li n t oav o l t a g es i g n a l ，i tr e d u c e st h e s i g n a li n t e r f e r e n c e sa n ds y s t e md e l a yo ft h es i g n a la c q u i s i t i o nc a u s e db yh a r d w a r ec i r c u i t s i g n i f i c a n t l y i tc a na c h i e v et h ep u r p o s eo ft h eh i g hs p e e dm e a s u r e m e n tt op r o v i d ep r e c i s e c o n t r o ls i g n a la n dac l o c ks i g n a la n dp r o c e s sa c q u i s i t i o nd a t ar a p i d l ya n da c c u r a t e l yb yt h e p o w e r f u ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga b i l i t yo ft h ed s rt h em e a s u r i n ge r r o ro ft h es y s t e mi n t h i sp a p e ri so 1m ma n ds y s t e mr e s p o n s et i m ei sl e s st h a nlu s s ot h ed e s i g ns y s t e mh a s c e r t a i na d v a n t a g eo fm e a s u r e m e n t si nr e a lt i m eo c c a s i o n k e y w o r d s ：n o n c n t a c tm e a s u r e m e n t ；p o s i t i o ns e n s i t i v e d e t e c t o r ；d d c 1 12 ； t m s 3 2 0 f 2 812 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题的研究目的与意义 第1 章绪论 随着高新科学技术的发展，位移测量在日常生产生活中的重要性日益显现，在土 木工程建设、机械器件加工、精密仪器制造、地质勘探、食品生产线、国防军事等各 个领域都需要精确度更高、测量速度更快、集成度更高、智能化更高的测量设备【1 1 。传 统的测量方法主要采用接触式测量，即量具或量仪的感应部件与被测物体直接接触， 从而获得测量信息的测量方法。接触式测量必须要与被测物体接触才能获取测量信息， 对一些精密敏感器件或设备容易造成损坏，在有毒、高温等某些特殊场合的使用也会 受到限制，对测量设备本身的损耗也比较严重【2 j 。因此，接触式测量已无法满足现代工 业生产的要求。 近些年，光电传感技术和计算机技术的快速发展，使得非接触式测量方法比接触 式测量方法更加受到科研人员的重视，各种非接触式测量方法应运而生，在各种领域， 我们能够看到越来越多的非接触式测量方法的使用。在众多非接触式测量方法中，将 位置敏感探测器p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e c t e t o r ) 和激光三角测量法相结合进行非接 触式测量成为当今位移测量领域的热门研究课题【3 j 。p s d 作为一种新型的光电位置探 测器，具有位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可连续测量、不受光斑形 状约束和信号处理电路简单等特点【4 j ，特别适用于高速激光位移测量系统中。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片，即数字信号处理器，具有高性能的数字信 号处理能力，同时又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能【5 j ，因此，非常适用于 有大批量数据处理的测控场合。 本次课题基于以上研究背景展开，设计了基于d s p 的高速激光位移装置，该系统 的设计测量精度为0 1 m m ，系统响应时间小于l u s ，在对位移测量实时性要求比较高的 场合该系统具有一定的性能优势。 1 2 课题的国内外研究现状 自从p s d 光电半导体器件诞生以来，利用其生产设计的光电距离检测设备层出不 穷，越来越多的公司生产相关产品，激光测距设备的性能不断改进，在各种非接触式 测量方法中，以激光三角测量法为基本原理的测距设备发展最快，基于p s d 的激光三 角测距设备在位移测距设备市场中占据的份额比重不断增加1 6 j 。而美国、德国等欧美国 家和亚洲的日本设计制造的激光位移传感器测距产品处于世界领先水平l n 。在表1 1 中，列出了日本k e y e n c e 公司、德国m i c r o e p s i l o n 公司、美国m t i 公司和m e d a r 公司的代表产品的主要技术指标h 圳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼曼皇曼量量量曼皇曼量皇量舅曼葛鲁曼寡皇皇皇曼鼍曼皇曼罾曼j i l l ! , 鼍皇曼皇 表1 - 1 几款主流激光位移传感器测距产品 日本k e y e n c e 公司和德国m i c r o - e p s i l o n 公司在高速激光位移装置方面的研发引 领了整个行业的飞速发展，各国科研人员和公司投入到该领域的研究，各种聚光测距 传感器产品相继投入市场。例如，美国b a n n e r 公司研制的基于p s d 的l g 系列、q 5 0 系列和p i c o d o t 系列激光位移传感器；日本i d e c 公司研制的基于p s d 的m x 系列和 s a l d 系列激光位移传感器u 叭。 相比国外在激光位移传感器方面四五十年的研究，国内在这方面的研究起步较晚， 目前国内主要是依托高校研究所从事该方面的研究工作，比较有代表性的科研机构有 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验 室、华中科技大学光电子科学与工程学院、中科院合肥机械研究所等 1 2 】。 1 3 论文的主要研究内容 位置敏感探测器p s d 与激光三角测量法相结合进行高速激光位移装置设计是激光 测距领域的一个热门研究课题，本文选取这一课题，并借助d s p 芯片强大的数字信号 处理能力，完成了一种基于d s p 的高速激光位移装置的设计方案，本文分以下几个部 分进行论述。 ( 1 ) 系统概述，阐明论文课题研究的意义、研究现状、研究目标及作者所做的工 作，给出了论文的主要研究内容。 ( 2 ) 详细介绍了激光三角法测量原理和位置敏感探测器p s d 的工作原理及p s d 的主要工作性能、测量影响因素和使用注意事项，给出系统总体设计框架。 ( 3 ) 介绍系统硬件设计，主要包括p s d 信号采集电路和d s p 信号处理电路的设 计，详细分析了系统各个子模块的功能及实现。 ( 4 ) 介绍系统软件设计，主要包括系统软件开发平台的搭建和各个软件模块的程 序设计与软件功能的实现等。 ( 5 ) 介绍系统在实验室环境下的测试过程，对测试结果从系统软硬件设计的各方 面进行认真分析，思考存在的不足和改进的方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 葛皇葛ii, i i i , 皇曼曼皇曼 第2 章系统原理与总体设计 2 1 激光三角测量法原理分析 激光三角测量法是激光测距技术的一种，也是非接触测量方法中最为典型的测试 方法。同其他非接触测量方法相比，激光三角测量法具有设计简单、测距速度快、信 号实时转换能力强、操作方便灵活等优点【”】，利用该测量方法的测距传感器己广泛应 用在机械制造、航空航天、地质勘探等领域【1 41 5 。 早期激光三角测量法以氦氖激光器作为光源，体积庞大，环境适应性差【1 6 】。近些 年来，随着半导体技术、计算机技术、光电子技术等的发展，激光三角测量法在激光 测距中得到广泛应用【l7 1 引。根据激光入射角度的不同，可将激光三角测量分为直射式 和斜射式两种结构【1 9 】。图2 1 给出了直射式激光三角测量法的结构原理图，激光器发 出的激光束经过会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，当被测物体产生位移或 物体表面有变化时，激光入射点会沿着入射光轴移动。入射点处的散射光经接收透镜 聚光后，入射到p s d 的感光面上弘”j 。根据s c h e i m p f l u g 原理，当被测物体所在面、接 收透镜面和p s d 感光面相交于同一直线时，能实现更好的聚焦效果，从而提高测量结 果的准确度【2 。 图2 1 直射式激光三角测量法结构图 p s d 感光面 如图2 1 所示，当被测物体从m 点移动到n 点位置时，相应地，物体在p s d 感光 面上所成的像从m7 点移动到n 7 点。设物体移动距离m n 为x ，成像移动距离m n 为 x 7 ，为了便于分析物体移动距离x 和成像移动距离x7 的关系，分别过n 、n 7 点做直 线m m7 的垂线，垂足分别为d 、d 。 根据三角余弦定理可得： n d = m n s i n 0 ( 2 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ! i i i i i i i i i i,o i , , , , , i , ! , i i i 曼曼皇曼曼皇寰皇曼蔓皂量曼曼曼曼曼舅曼舅皇曼蔓舅曼 n d = m ，n s i n 0 7 ( 2 - 2 ) 在图2 - 1 中有a o n d o n ，d 7 ，根据三角形相似定理可得： n do d 而2 面( 2 - 3 )n7 d 7 0 d 7 又有， o d = ：o m m n c o s 0 ( 2 - 4 ) o d7 = o m - m ，n c o s 0 7 ( 2 5 ) 分别将式( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 4 1 ) 和( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) 中，经过转换可得到如下 关系式： m n = 丽忑m 丽n o 丽msi丽n 0 ( 2 6 ) o m s i n 0 + m ，n s i n r 0 0 1 、7 即被测物体实际移动距离x 与成像移动距离x 的关系式为： x = 丽面x 溺o m 面s i no 而 丽 ( 2 7 ) ，l = = 一一 ，一，l o m7 s i n 0 + x s i n f 0 0 1 、7 实际测量过程中，激光束和接收透镜光轴的交点到接收透镜的距离o m 和接收透 镜到感光面中心点的距离o m 7 以及接收透镜光轴与激光束和感光面夹角0 、0 均由三 角测量仪本身设计参数决定 2 2 1 ，因此，只要测出成像在p s d 感光面上的移动距离x ， 通过式( 2 7 ) 就可得到被测物体的实际位移。 以上分析过程讨论的是被测物体向上移动时的情况，同理可得被测物体向下移动 时物体实际位移x 与成像移动距离x 的关系式为： x ：一茎：q 坚! 型 1入= l z 一萏) o m s i n 0 一x s i n ( 0 0 1 hm 图2 - 2 斜射式激光三角测量法结构图 图2 2 中所示为斜射式激光三角测量法的结构图。由图2 2 可以看出，激光器发出 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 的激光束和被测物体所在面的法线成一定角度入射到被测物体面上，物体移动或其表 面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动，入射点处的散射光经接收透镜入射到p s d 感光面上。斜射式激光三角测量法物体移动距离x 与像点在p s d 感光面上的移动距离 x 7 的关系式为【2 3 j ： x ： 圣! q 坚! ! 鸣 一( 2 9 ) 一一一 l 厶一7 - o m 7s i n ( 0 1 + 0 2 ) 一x c o s ( 0 l + e 2 ) 式( 2 8 ) 中，0 ，是激光束光轴与被测物体面法线之间的夹角，0 ，是接收透镜光轴 与被测物体面法线之间的夹角。 斜射式激光三角测量法根据光学正反射原理进行进行位移测量，激光器不要求太 大的发射功率，由于直射式激光三角测量法激光束垂直入射到被测物体表面，是根据 光学漫反射原理进行位移测量，对激光器的发射功率要求更高些，对于表面散射性能 较好的测量对象，常使用直射式三角测量法。直射式激光三角测量法入射到被测物体 表面上的激光束光斑更为集中，当被测物体表面发生位移改变时，入射光斑的形状所 受影响较小，尤其是当测量一些表面粗糙、纹理分布不均匀的物体时，直射式比斜射 式的光线干扰更小，光能损失小，提高了系统测量的准确性。另外，直射式测量法入 射光轴与反射光轴的夹角更小，减小了整个系统的设计体积，使用更加方便灵活。 综合以上因素考虑，本文采用直射式激光三角测量法进行位移测量。 2 2 基于p s d 的测距系统原理分析 位置敏感探测器p s d 是一种基于光生伏特效应的对入射光斑重心位置敏感的光电 器件【2 4 1 。当入射光斑落在器件感光面上不同位置时，p s d 的两个输出端会产生相应的 光电流信号，通过对两路光电流信号进行处理，即可确定入射光斑在p s d 感光面上的 位置。与电荷藕合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 等象限探测器件相比，p s d 在光电 位置测量方面具有更多的优点。p s d 输出光电流信号与入射光斑是否聚焦无关【2 5 | ，因 此该光敏器件对入射光斑的形状无严格要求；p s d 的光敏面无须分割，解决了象限探 测器件盲区的问题【2 6 1 ，能够连续精确地检测到入射光斑位置的变化。此外，p s d 还具 有位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、信号处理电路简单等特 点。 p s d 器件可分为一维p s d 和二维p s d 2 7 】。一维p s d 用于一维位移信息的检测， 二维p s d 可以检测到被测物的平面位置坐标信息。一维p s d 的位置分辨率可达到a m 级，有的甚至可以达到姗级。在工程应用中，大多数情况是对被测对象的位移、距离、 角度、平整度等一维信息进行测量，因此一维p s d 的使用更为广泛，本文所设计的基 于d s p 的高速激光位移装置就是对被测对象的位移信息进行采集，故选用一维p s d 进 行系统设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 贞 2 2 1 一维p s d 工作原理及应用 p s d 是一种结构特殊的半导体光电器件，图2 3 给出了一些常见的一维p s d 器件 实物图。其横截面结构原理图如图2 4 所示，在薄膜型晶硅基片上制作一个p i n 三层 结构。表面p 层为感光面，p 层两端分别设有一个电极作为信号输出，p 层均匀分布着 一层电阻，具有横向的分布电阻特性。中间的i 层是一层高阻衬底，底层的n 层为公 共电极，用来加反向偏置电压【2 引。 ；。一 图2 3 一维p s d 实物图 有效长度2 l 图2 4 一维p s d 横截面结构原理图 如图2 4 所示，当入射光照到p s d 感光面上某一点时，在入射点处会产生比例与 光能量的空穴电子对，激光入射点与p 型层左右两个电极之间便产生横向电动势，使 左右两个电极上输出光电流i l 和1 2 。假设产生的总光电流为i o ，则总光电流i o 与两电 极光电流i l 和1 2 的关系式为： i o = 1 1 + 1 2 ( 2 - 1 o ) 而1 1 和1 2 的分流关系取决于入射光斑位置到两个输出电极的等效电阻r 1 和r 2 ， 由于p 型层电阻是横向均匀分布的，所以两电极输出的光电流与入射光斑位置到各自 电极之间的距离成反比，p s d 的内部结构可等效为图2 5 所示电路，其中r 1 和r 2 的大 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 小取决于入射光斑在光敏面上的位置。 图2 - 5 一维p s d 等效电路图 在图2 5 中，选取p s d 感光面的几何中心点o 为坐标原点， 点的距离为x ，则两电极输出光电流1 1 和1 2 可以列出如下等式： l l r 2 一l x 1 2r 1 l + x 联立式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) ，可得： 1 1 ：i 。l - x 2 l 1 2 ：i 。l + x 2 l 设入射光斑距坐标原 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 可得到入射光斑相对p s d 感光面中心点。o 的位移x 为： x = l 等( 2 - 1 3 i z1 1 ) + 7 由式( 2 1 3 ) 可以看到，入射光斑相对p s d 中心的位移x 只与两电极输出光电流 1 1 和1 2 的和差比有关，与总电流i o 的大小无关。 2 2 2 二维p s d 工作原理介绍 二维p s d 一般是在正方形p i n 结构的晶硅基片上设置两对电极，改进的表面分割 型二维p s d 的结构原理图如图2 - 6 所示，四个电极分别从正方形p s d 光敏面的四个对 角端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变，这种结构的优点是当光斑照射 到光敏面的边缘时，光斑位置的测量误差会大大减少。在图2 - 6 中，平行于x 轴方向 标注为x l 、x 2 ，对应光电流为i x l 、i x 2 ，平行于y 轴方向标注为y 1 、y 2 ，对应光电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 为i y 】、i y 2 。其n 型层公共极接电源u b b 。图2 7 给出了一些常见的二维p s d 实物图。 图2 - 6 二维p s d 结构原理图 图2 7 二维p s d 实物图 9 o 二维p s d 的总光生电流i o 与x 轴方向光电流分量i x 和y 轴方向光电流分量i y 的 关系式为： i o = i x + i y( 2 - 1 4 ) 为： 其中，i x = ix 1 + i x 2 ，i y = i y l + i y 2 。 因为光生载流子在p s d 感光层中的移动满足欧姆定律，于是可得出i x l 的表达式 即 1 x 1 - i x 百l - x 百l - y + l y 百l - x 百l - y ( 2 - 1 5 ) i x l 钆百l - x 里 ( 2 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 贞 同理可得， i x 2 _ i o 等百l + y ( 2 - 1 7 ) i y l 钆百l - x 等( 2 - 1 8 ) i y 2 _ i o 等百l - y ( 2 - 1 9 ) 由式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 可得到入射光斑在二：维p s d 感光面上的位 置坐标信息( x y ) 的表达式为： x ：l ! ! 丕2 ! 2 2 二! ! 基! ! 羔1 2 i x l + 1 x 2 + i y 】+ i y 2 y ：l 竖! 12 二坠丝 i x 】+ i x 2 + i y 】+ i y 2 2 3p s d 工作特性分析 ( 2 - 2 0 ) f 2 - 2 1 ) p s d 器件特殊的半导体结构使其具有一些不同于其他光电检测器件的特有性质， 了解这些性质，才能充分发挥p s d 器件的最佳工作性能。在实际应用中，对光电信号 检测结果影响较大的一些性能参数有感光面积、光谱响应范围、位置分辨率、测量误 差、线性度等俐。 2 3 1 感光面积 p s d 是对入射到其感光面上的光斑重心位置敏感的光电检测器件，在讲述激光三 角测量法时提到，激光器发出的激光束要通过会聚透镜将激光光斑会聚到一点，增加 入射到光敏面上的光斑重心强度，根据测量范围的要求，选择合适大小的光敏面，保 证激光光斑完全入射到光敏面上，才能更好地转换光电信号。入射光斑会随着被测对 象的移动在光敏面上发生位移变化，p s d 器件实际感光面积的大小直接决定了激光位 移传感器的测量范围。 2 3 2 光谱响应范围 所谓光谱响应范围，即某一单色光以单位光功率入射到p s d 光敏面上时，能够使 p s d 产生光电流的入射光的波长范围。入射光波长不同，p s d 产生的光电流大小也不 同，每一块p s d 器件都有一个使其达到最佳光电流信号输出的光波波长，称作该p s d 器件的响应度波长。如果在测量时，被测对象、入射光和p s d 有外壳遮挡，这种情况 下，外界干扰光不会照射到p s d 上，在光谱响应范围内的任何单色光都可作为入射光， 噪声对光电信号的影响很小。如果激光位移传感器处在很恶劣的环境中，周围存在各 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 种干扰光，就会严重影响有用光信号的采集。这时就要使用响应度波长的单色光作为 入射光，以达到最佳检测效果。另外采用能够过滤可见光的材料制作p s d 的敏感面入 射窗口，可提高入射光的纯度。 2 3 3 位置分辨率 p s d 器件的感光面上能够检测到的最小位移变化，称作该p s d 的位置分辨率，用 感光面上的距离表示。由式( 2 1 3 ) 可得： 1 2 1 1x i i2 一l( 2 - 2 2 ) 当x 发生微小位移变化a x 时，p s d 相应地发生微小的电流信号变化，有 ( 蒜) = 等 p 2 3 ， 因为i o = 1 1 + 1 2 ，所以式( 2 2 3 ) 可写为： 掣i = 坚l ( 2 - 2 4 ) o 、。 即 x 5 和：_ 1 1 ) ( 2 - 2 5 ) 当电流差趋于无限小时，光电流1 1 和1 2 中混入的噪声光产生的电流分量决定了p s d 的位置分辨率。光电流1 1 和1 2 中混入的噪声电流主要有三种，即光电流中混入的散粒 噪声电流、p s d 两电极问电阻产生的热噪声电流和前置信号处理电路中运放的输入换 算噪声电压产生的噪声电流。 由式( 2 2 5 ) 可知，p s d 的位置分辨率跟器件尺寸l 和总光生电流i o 有关，在总 光生电流一定的情况下，器件尺寸l 越大，p s d 的位置分辨率就越高。实际设计生产 中，为了提高p s d 的位置分辨率，通常会增大p s d 器件p 型层的电阻，减小暗电流， 此外若用运算放大器对光电流信号进行处理，则必须选用噪声性能优良的运算放大器， 并且对后续处理电路中用到的数据处理芯片或仪器都要有足够高的分辨率。 2 3 4 测量误差 p s d 位移传感器的测量误差是指入射光斑在光敏面上的实际位移量与通过光生电 流与入射光斑位置关系式得到的位移量之间的差值。为了提高测量精度，可以采用查 表补偿或调整增益的方法弥补p s d 器件本身精度限制导致的测量误差。 一维p s d 的测量误差用a s 表示，其表达式为： a s = s s c ( 2 - 2 6 ) 其中，s 是理论值，s c 是测量值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 二维p s d 的位置测量误差用r 表示，其表达式为： r ：讴f 五f ( 2 2 7 ) 其中，a x 为x 方向测量，误差y 为y 方向测量误差。 另外，一维p s d 的均方根位置测量误差为： 艿= ( 2 2 8 ) 2 3 5 线性度 p s d 的线性度是指p s d 输出的光电流信号与光斑实际入射位置的线性相关程度， p s d 的线性度一般用均方根非线性误差来表示，该均方根非线性误差为： 亨1 0 0 ( 2 - 2 9 ) l 2 4p s d 测量影响因素 使用p s d 进行位移测量时要注意的影响因素主要有温度因素、背景光因素、暗电 流因素、入射光斑因素、光学系统像差因素和非线性因素等【3 0 】。了解这些影响因素， 在系统设计时采取有效方法进行针对性解决，以提高系统性能。 2 4 1 温度因素 p s d 对环境温度较为敏感，p s d 的暗电流随环境温度的改变呈现指数规律的变化， p s d 的输出也会随环境温度的变化而发生改变。通常环境温度在2 3 0 c 左右时，p s d 可 工作在最佳性能状态。 2 4 2 背景光因素 背景光会对p s d 的定位特性造成影响。实际测量过程中，为了提高测量精度，可 使用光学法和电学法减小背景光的影响。光学法利用信号光和背景光的不同波长，在 光路上安装滤波镜片，滤除背景光干扰。p s d 的峰值响应波长通常为9 0 0 r i m ，背景光 波长主要集中在可见光频段，因此，用红外发光二极管作为激光源，在p s d 前放置滤 光镜片，可减小背景光影响。电学上有两种方法抑制背景光，一种方法是对信号光进 行高频调制，因为背景光亮度变化缓慢，产生的相应信号为直流和低频信号，通过高 频调制，将信号光响应信号调制成高频脉冲信号，在前置电路中通过高通滤波的方法 将信号光和背景光分离；另一种方法是用信号光和背景光分别照射p s d 光敏面，根据 信号光和背景光在p s d 上产生的响应不同，设计电路消除背景光响应或者在软件设计 时减去背景光产生的光电流响应数值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 曼曼皇曼曼曼曼曼皇鼍曼曼皇皇寡舅曼曼曼曼舅舅曼曼曼i 皇鼍曼曼笪皇舅曼曼曼皇量置曼蔓笪皇曼曼曼皇量鼍曼皇量曼量曼曼蔓曼量曼曼曼皇鼍曼曼曼皇曼量曼曼曼皇曼黑曼 2 4 3 暗电流因素 暗电流和背景光是对p s d 性能影响较大的两个因素。同处理背景光因素影响的方 法类似，对于暗电流的影响也可以采用光学法和电学法两类方法。光学法就是在激光 入射路径上加干涉滤波片，滤除背景光的暗电流影响。电学法可采用采样保持法或调 制法消除暗电流的影响。 2 4 4 入射光斑因素 研究结果发现，p s d 的光生电流大小与p s d 上的辅通量成正比，光斑越大，p s d 的重复定位精度越低，因此，在实际应用中，入射光的光斑越小越好。根据p s d 的制 作原理可知，在p s d 的光敏面上有一条不感光的死光区，通常以死光区为分界线作为 x 的坐标原点，该原点分界线的宽度直接影响位置测量的精度，所以，入射光斑的尺 寸应大于该分界线的宽度。 有的激光发射器因生产精度不够好，发出的激光不是严格的基模高斯光束，再加 上激光束经粗糙表面反射后的散斑效应，光强分布就会变的不规则不对称，影响测量 精度。因此，不论是一维p s d 还是二维p s d ，均要求采取适当的技术措施保证入射光 斑呈对称分布。 2 4 5 光学系统像差因素 当入射光束与光学系统同轴时，所用光学系统的对称像差不影响入射光斑的对称 性，可是如果入射光束与光学系统不同轴，光学系统的不对称像差将直接影响入射光 斑的对称性。因此，在光学系统设计时要特别考虑系统的像差因素。 2 4 6 非线性因素 整个激光位移传感器系统在设计时存在多种非线性问题，如p s d 光生电流与入射 光强的非线性，后续处理电路中的非线性。在电路设计时，要注意电路中各个参数的 选取，首先要进行一些实验，将整个系统输出的结果与坐标位置进行标定，通常采用 最小二乘法对测量结果进行非线性补偿。 2 5p s d 使用注意事项 p s d 器件是一种对外界条件十分敏感的半导体器件，由于其十分精密复杂的内部 结构，设计生产难度很高，p s d 器件往往价格昂贵，因此在实际应用中要特别注意一 些使用事项。 ( 1 ) p s d 底座的环氧树脂封装不耐高温，在焊接p s d 时，电烙铁与p s d 管脚底 部至少保持1 毫米的距离，并且电烙铁的温度不应高于2 3 0 0 c ，管脚焊接时间要少于5 秒。p s d 器件的焊接最好在其管脚底部添加热辐射。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 2 ) p s d 底座的环氧树脂封装容易损坏，在固定p s d 时，不要用坚硬锐利的物 件压迫环氧树脂表面，如果需要对p s d 管脚进行切割或弯曲操作，一定确保环氧树脂 封装不要受到太大压力。 ( 3 ) p s d 器件的储藏一般放在充满干燥氮气且放有干燥剂的储藏盒内，防止p s d 管脚氧化或产生污垢，影响p s d 光电检测性能。 ( 4 ) 对p s d 器件的清洗，最好使用氟隆或乙醇溶剂，切勿使用会导致环氧树脂 封装溶解的溶剂清洗p s d 。 2 6 系统总体设计 通过查阅国内外关于激光位移传感器的研究资料，本文提出了一种新型激光位移 传感器的设计方案。本设计方案主要由光电转换部分和数据处理部分组成，光电转换 部分实现利用p s d 将光信号转换成电流信号，数据处理部分实现光电流信号的模数转 换、转换数据的处理输出等功能。本系统的总体设计框图如图2 8 所示。 图2 - 8 系统总体设计框图 本文在数模转换处理上选用了直接电流模数转换芯片d d c l l 2 ，省去了对p s d 输 出光电流信号的i v ( 电流电压) 转换、放大和滤波等复杂繁琐的前置处理工作，极 大的简化了硬件电路的设计工作，使模拟器件因自身性能问题对系统的影响大大降低。 为了实现数据的高速处理，本