（电子科学与技术专业论文）基于psd的激光位移检测中位移信号处理系统的研究.pdf

a b s t r a c t l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n ti so n eo ft h em a i nm e t h o d si nt h el a s e rn o n c o n t a c t m e a s u r e m e ms u c ha sl e n g t ha n dd i s p l a c e m e n t c o m p i a r e dt oa n yo t h e rp h o t o e l e c t r i cs e n s o r ，t h ep o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o rp s di s q u i c ki nr e s p o n s es p e e d ，h j 曲p r e c i s i o n o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e r i to fp s d i st h a t ：t h e p o s i t i o no u t p u to fp s do n l yr e l a t et ot h eb a r y c e n t e ro f t h ef a c u l ab u tn o ts i z e t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h es t u d y so r i g i na n db a c k g r o u n da sw e l la st h eg o a la n d s i g n i f i c a n c eo ft h es y s t e m ，a n a l y s e s t h en e w e s tl i t e r a t u r ef r o md o m e s t i ca n do v e r s e a s ， c o n d u c t sar e s e a r c ho nw o r kp r i n c i p l eo fp s da n dl a s e rt r i g a n g u l a t i o n ，p r o p o s e sm e f u n c t i o n st h a tt h es y s t e ms h o u l dr e a l i z e ，a n da c h i e v e s t h ec i r c u i ta n ds o f t w a r ef o rt h e d i s p l a c e m e mm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do np s d b e c a u s eo ft h a t t h em e a s u r e m e mi n d i s p l a c e m e n tu s e dp s d i sb e l o n gt ow e a ks i g n a lm e a s u r e m e m ，i nt h es i g n a lp r o g r a mo f d i s p l a c e m e n t ，w ei n s u r et h es t a b i l i t yo fs y s t e ma n dt h ev e r a c i t yo ft h ed a t eb yu s i n g d u l a h 一2 4 7 6c i r c u i tm o d e l sa n dt h em e t h o ds u c ha ss a m p l i n ga n dh o l d i n g ，f a i n te l e c t r i cc u r r e n t p r e a m p l i f i c a t i o n ，w h i c hi st h eb a s eo f t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h k e yw o r d s ： n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e a s u r e m e n t t h e p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o rp s d 2 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于p s d 的激光位移检测中位移 信号处理系统的研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：二组 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定：，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：芝避 导师繇蠲 蛰生年_ 三月生日 第一章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 几何量测量技术随着科技的发展而发展着。从十四世纪开始出现的刻线尺，到现 在的的各种测微仪，无不标志着几何量测量技术的飞速发展。但就目前国内外情况而 言，特别是我国的企业，随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和测量速度的 不断提高，传统的接触式测量己经无法满足工业界的需求，而非接触测量由于其良好的 精确性和高效性，己经成为测量领域的一个发展的热点。 随着测量技术的发展，激光三角测量技术通过不断的发展和成熟，逐步代替原来 的接触性测量成为主要的测量手段。由于激光三角法测量时和被测物体只有很小的光 点接触，使得被测物在测量过程中受到的干扰减小；只要被测物体表面能发生漫反射 光，则都可以用激光三角法进行测量，所以其适用范围广；另外，激光三角法测量还 具有分辨率高，体积小，响应速度快等优点。这些优点使其在工业和医学等测量领域 具有广阔的应用前景。发展非接触性位移测量技术对于现代化高精密测量技术的不断 改进和提高具有重要的意义。 1 2p s d 发展历史及国内外发展现状 位置敏感传感器( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e e t o r , p s d ) 的工作机理是半导体的横向光电 效应。早在1 9 3 0 年，s c h o t t k y 将c z f c u ，0 金属半导体结的c 0 表面边缘的4 。电极通过 安培表短接于c z ，层，发现当用一束光照射c u ，0 表面时，外电流随光入射位置与电极之 间的距离的增加指数下降，这是横向光电效应的首次发现。1 9 5 7 年w a l l m a r k 在圆形 i n g e p + r l 结上重新发现了这个效应，他用载流子复合理论对此现象做了解释，并提出可 以用来检测光点位置。1 9 6 0 年l u c o v u s k y 推导得到了描述横向光电效应的l u c o v u s k y 方程，从而奠定了p s d 的理论基础砼1 。 p s d 器件成功研制于7 0 年代后，由于其具有体积小，灵敏度高，光谱响应范围大， 等特点，近些年已经被广泛应用于光学位置检测，光学边界判别，多向探测，位移和 振动检测等多方面。目前国际上p s d 已有了很大的发展，美国u d t 传感器公司生产的 s l 7 6 1 线性位置传感器，位置测量误差典型值为7 6 t m ；日本h a m a m a t s u 公司的$ 3 1 5 2 一维p s d 传感器，具有o 1 0 2 的测量精度；而二维改进表面分离型p s d 精度更高， 如$ 2 0 4 4 ，位置分辨率达2 5u r n 。 我国于2 0 世纪8 0 年代末才开始进行这方面的研究工作。当时，一些研究机构由 于对p s d 缺乏了解和认识，产品性能还不够完善，生产还没有形成规模。随着p s d 发展迅速，p s d 的应用越来越广泛，近几年国内研制的一维p s d 分辨率已经能高达 1 a m ，二维则也能达到3 一- 5 所，线性度和稳定性有了很大的提高，p s d 的外围处理 电路的设计方案也日趋成熟3 。p s d 的优越性能结合上智能处理器的高速数据采集和 运算能力，使得其测量速度精度得到很大的提高。目前，国内有重庆电子4 4 所，浙大 富通电子等一些单位生产p s d 。 1 3 研究目的和内容 近年来，随着非接触测量技术的迅速发展，p s d 的应用也越来越广泛。p s d 是一 种新型位置探测器件，它且具有光谱响应范围宽，分辨率高，无死区，灵敏度高等优 点，通过p s d 传感器电路与高速单片机或者d s p 等的智能化结合，可以广泛应用于 工业，医学等领域，达到实时，快速，高精度测量的目的。随着p s d 探测器研究技术 的日趋成熟，目前已经可以通过很多的方法对其线性度加以改善。 图1 1 常规p s d 位移检测系统框图 本课题是研究基于p s d 的激光位移信号处理系统，首先通过阅读大量的国内外文 献和相关的产品资料，加深对位置敏感探测器件p s d 工作原理及特性的理解；在此基 础上在具体对常规的二维p s d 位移信号处理系统进行分析和研究( 图1 1 为常规p s d 位移检测系统框图，整个系统主要分为：p s d 探测器输出单元，电源控制单元，位移 信号预处理单元，信号模拟处理单元，以及数据采集单元) ，发现常规处理电路设计较 为复杂，由各分立元件带来的非线性因素和噪声因素较多，对整个位移测量的线性度 和稳定性产生了一定影响。 p s d 探测器 信号输出 h - 2 4 7 6 处理电路卜刊带通滤波器 h - 2 4 7 6 处理电路卜制带通滤波器 可变增益 放人电路 可变增益 放人电路 卿数据采集模块h 嚣篓筹 图1 2 双h 2 4 7 6 位移检测系统设计框图 通过这些分析我们要研发一套改进型的二维p s d 位移信号处理系统，在研究常规 2 设计的基础上，力求使整个测量系统更为简便化，并能够有效地提高p s d 位移测量精 度和稳定性。在改进设计中预采用抗干扰能力较强的信号处理专用集成电路h 2 4 7 6 ， 利用数字信号处理简化电路设计，使系统设计更灵活。通过h 2 4 7 6 芯片本身具有的采 样保持滤波功能，以及软件的数字滤波算法，实现各种非理想因索( 如非线性) 的补偿， 提高测量精度；这样设计的目的在于用小型化的系统来实现对物体的厚度及微量位移 的精密检测，使其在激光焊接加工的激光定位过程中得以应用。通过高速信号处理器 d s p 的应用使p s d 信号处理数字化，大大提高信号采集速度和测量速度。在激光加工 过程中，激光微位移测量系统利用p s d 探测器件精确和快速的定位能力来确定激光点 焊中焊点结构或标志点的面坐标，并通过上位机进行实时监控来观察p s d 光敏面上的 光斑是否发生位移变化，这样就能了解半导体激是否对准了焊点，从而实现对焊点的 精确点焊，提高激光过程中对准焊点的效率，对提高整个焊接过程的效率有很大的帮 助。 第二章激光三角法及p s d 的基本原理 2 1 激光三角法的基本原理 随着现代光学非接触测量技术的发展，激光三角法测量作为一种非接触测量技术 中很常见的方法，已经被人们运用于距离，角度，厚度，宽度和轮廓等检测。激光三 角阀的原理是：当入射光作用于物体表面时，会产生一定的漫反射，通过成像透镜的 作用，可以将这个漫反射光斑聚焦到光接受器件的光敏面上，形成一定量的成像点h 1 。 当被测物体的位置发生改变，通过成像透镜的光斑也会在光感应器件上发生相对应 的位置变化，只要利用光感应器件的原理特性对其转换的光电流进行解算，就可以反 推出物体的实际位移量，达到检测被测物体位置的目的，同时还可以获取其他相关的 信息。通常激光三角法测量具有很多的优点，主要有： 1 ) 由于采用的是非接触测量，这样就避免了和被测物体之间的直接碰触。在通常 的接触式测量中，测量工具和被测物体之间会产生一定的碰触压力，接触测头会产生 横向分辨率的问题，这就降低了检测的速度睛1 。 2 1 激光三角法测量与其他非接触测量相比，其测量范围较大，对被测物体表面光 滑程度的要求较低；通常采用的激光三角法测量仪器具有轻便，光束的方向性好，光 功率高，稳定性好，测量精度高等优点，通过与上位机的配合使用，能够实现智能化 的在线实时测量。 激光三角法的测量方法一般分为： 1 ) 直射法。激光通过被测物体表面产生的漫反射光，通过聚焦透镜到达光接收器 件。直射式方法适用于被测物体表面较为粗糙的情况，特点是检测的分辨率和信噪比 较低，但测量范围较大。 2 ) 斜射法。通过调整入射光束和被测物体的位置使得光束和物体表面法线存在一 个夹角，光接收器件检测的主要是镜面反射光，斜射法适用于被测物体表面较为光滑 的情况，特点是分辨率和信噪比高，测量范围较小。 根据目前所要研究的课题，对于激光三角法的入射方式本设计选择直射法。使用 的光源为红色点状半导体激光器，其特点是轻便，高效，发射光具有连续性和可见性。 对激光器的出射光选用焦距为2 5 m m 的透镜进行准直。在准直后对光束使用光阑进行 光斑大小的控制。对于通过物体表面产生的漫反射光，采用焦距为2 5 r a m 的成像透镜 进行聚焦成像。光接收器件采用位置敏感探测器p s d ，其特点是灵敏度高，分辨率高， 响应速度快，信号处理电路简单，但p s d 存在一定的非线性问题，需要通过电路的设 计或软件的处理进行补偿。利用激光三角法，当被测物体表面的位置发生改变时，漫 反射光斑在p s d 光敏面上会产生一定量的位移，通过信号处理电路首先计算出p s d 上光斑的位置，在通过光路的设计参数进一步推算出物体表面的实际位移量。 如图2 1 所示，图中d o 和d i 分别为基准点的物距和象距，o 为o 像点，口为散射 4 光入射角，缈为成像角，三为成像透镜，焦距为f 。上述参数的取值大小取决于被测 物面的位移范围和测量精度的要求。此外，不同的测量对象还受传感器结构尺寸的限 制。 图2 1 入射式激光三角法测量原理图 在光路设计中，需要保证光接收器件上的入射光斑在p s d 光敏面范围内，由于p s d 获取的位置信号和光斑的重心位置有关，所以在p s d 器件的光敏面与成像光轴之间应 该保持一定的角度伊，这样能够减小入射光的光斑大小，稳定光斑的重心位置，提高 测量精确度。激光三角法原理如图2 1 ，z 为被测物体表面的实际位移量，为入射光 斑在p s d 光敏面上的位移量。 由图可知：a 0 1 = z s i n 臼，d o l = is i n o 由相似三角形口d 1 ，和衄川0 1 ，得： 兰生一盟 a 0 1 7d 1 7 ， 即： 型一当二兰塑翌 i s i n 妒d l + c o s f o 则有： z ： 经墅翌 zs i n 乡+ i s i n ( o + 妒) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ，： 型墅翌 ( 2 4 1，= 一斗- d os i n q 一z s i n ( o + 伊) 、 设： 彳= 而ds i n 0 ，b = 而d o sincp(2-5) 则式( 2 - 3 ) 、 ( 2 4 ) 可简化为： z ：罢(2-6) a + i ，= 竺_ ( 2 7 ) 占一z 、 由于a ，b 为固定常数，其参数大小可以通过光路的设计和精确的测量获得。 2 2 比较常用光斑位置探测器的优缺点 通常在光学位移探测中使用的器件主要有：位置敏感探测器件p s d ，c c d ，四象 限器件o d 等多种哺3 。 1 ) c c d 探测器( 电荷耦合器件) ，能以电荷作为信号，通过光敏像元转换得到的 电荷量大小来实现位置解算功能，它的体积小，功耗低，灵敏度高，性能稳定，但是 c c d 的检测精度受其象素影响，c c d 的光敏面具有非线性，光谱响应范围小，数据读 取量大，数据处理速度受到影响3 。 2 ) 四象限探测器件( q d ) 一般具有较高的灵敏度和位置分辨率；光谱响应范围宽； 使用轻便，响应快，暗电流较小，但它存在死区，影响整个位置检测系统的精确度。 3 ) 位置敏感探测器( p s d ) 的原理是横向光电效应，它通过入射光引起光敏面内 部p n 结中载流子的移动，在两个输出电极得到成与光斑位置成一定比例的光电流。 p s d 是近年发展起来的一种新型位置探测器，是一种对其感光面上入射光点位置敏感 的光电器件，其输出信号与光点在光敏面的位置有关。由于p s d 检测的是光电流信号， 光电流的大小和入射光班的光强有关，所以在进行位置测量的同时还能对入射光的能 量大小进行解算。其光谱响应范围较大，能适用于可见光和红外光的检测。p s d 光敏 面上测量的是连续位移信号，所以其测量范围无死区。可以在测量中使用光源调制法， 在信号处理单元通过采样保持法滤除背景光干扰。信号处理电路简单，性能稳定，价 格相对其他光电位置探测器较为便宜。 使用p s d 做光电位置探测器的缺点是不能同时探测多个光斑，但其检测灵敏度和 精度较高。本课题就是为了实现精度要求较高的场合的快速测量和控制，所以我们在 本课题中选取p s d 作为位置探测器。 2 3p s d 的基本原理 p s d 工作的物理基础是横向光电效应。横向光电效应指的是当p - n 结或金属半导 体结的一面被非均匀光照时，平行于结的一面出现电势差的现象。常用的p s d 内部是 6 一种p i - n 结构，i 层位本征半导体层，它的加入使得p n 结之间的结电阻值得到的增 加，p s d 的两个电极通常在p 层两端，使得入射光在p s d 光敏面产生的结面载流子由 p 层分配，光电流从两极输出，大小与光斑位置到电极的距离成反比 7 剐。p s d 工作等 效电路如图2 2 所示： 极l f u l 一由粤流输出级2 图2 2 一维p s d 内部结构原理图 图2 2 中，足、髓分别是入射光到p s d 两个输出极的等效阻抗，d 为理想光电 管，c 为结电容，r 为结电阻，l 为总电流r ，为等效负载。其中。在光照射下，半导 体内产生光生载流子，它们在耗尽层内电场作用下发生漂移，空穴进入p 层，电子进 入层。当入射光照射在p s d 光敏面上时，载流子通过p s d 内部发生漂移。等效阻 抗的小小和入射光斑与两个输出极的距离大小成正比。p 层的空穴由等效阻抗分配， 并以光电流的的形式从两个光电流输出级输出。p s d 工作原理如图2 3 所示。 i 一 入射光 输出极1 圣a 输出极21 1 j r xq 硷铝k q 铝硷铝狻q蔫硷锯投铝x 口铝揪 l 2基极l 2 图2 3p s d 工作原理图 以输出极1 为参考点时，p s d 的输出极1 和输出极2 的电流i o 和厶大小可以表示为： i o = 峄i o ( 2 - 8 ) ib = 芎i 。( 2 - 9 ) 式中 厶，厶分别为从输出极1 和2 流出的电流，厶为总的入射光电流，大小和光 斑的能量大小有关；l 为p s d 光敏区总长度；x 占为入射光斑到输出极1 的距离。则可以 推算出 = 彘三 ( 2 。) 以：警三 ( 2 1 1 ) h i d + i b 、 若以p s d 的几何中心点为原点，则位移大小为： s ：l ：等 ( 2 - 1 2 )h i ，+ ib 、 式中以为入射光在p s d 上的光斑中心到p s d 光敏面中心的距离，单位为m m 。 式( 2 1 0 ) 和式( 2 - 11 ) 中都没有厶，说明整个p s d 光电转换过程在理论上和入射光斑强 度无关。 二维p s d 器件可以看做是由两个一维p s d 组成，但其分辨率相对一维p s d 要小 一些，图2 4 为二维p s d 光敏面结构示意图，两个坐标轴上的感光层是相互独立的， 对别对其各自方向上的位移信号进行独立检测，同于一维p s d 的原理，当选取p s d 的几何中心为坐标原点时，可以导出二维p s d 的位置通其输出极电流的关系方程为： j li i 哎 辽 图2 4 二维p s d 光敏面结构示意图 季：字粤 ( 2 - 1 3 ) l x 1 + x 2 、1 z 一盥 l k + 艺 ( 2 1 4 ) 由于l 为常数，只要通过对p s d 四个引脚的输出光电流进行处理和运算就可以得 到p s d 光敏面上光斑的位置，若以p s d 光敏面几何中心为原点，光斑位移大小为： s = ( 2 - 1 5 ) 2 4 本设计所使用p s d 性能介绍 考虑探测器的峰值响应波长，响应灵敏度等因素，本设计采用浙大富通的二维p s d 传感器，选用该器件的具体性能参数如表2 1 ，其引脚结构如图2 5 。 表2 1 二维p s d 性能参数表 规格四边形二维p s d ( 3 m m 3m m ) 光谱范围( i q m ) 3 8 0 - 1 1 0 0 峰值响应度( a w ) o 5 位置测量误差( pm ) 4 0 - 4 0 0 ( 中间一边缘) 位置分辨率( 1 1m ) 3 暗电流i d ( n a ，v r = 5 v ) 1 0 极间电阻( kq ) 6 0 a 1 1 图2 5 二维p s d 传感器引脚图 图2 5 中脚4 。接5 伏反偏电压( 直流) 。脚4 ，4 ，蜀，岛是p s d 信号输出点( 电 流形式) ；假设脚4 ：与脚4 ，为x 轴信号输出点，则脚最2 与脚忍，为y 轴信号输出 点。由于p s d 输出的信号为( 电流) 很小，需采用精度较高的仪器才能准确的显示其 变化情况。我们在实验中对p s d 各引脚采用插座方式使用以便对p s d 传感器加以保 护。 图2 6 二维p s d 的a 。b 区示意图 9 图2 6 为二维p s d 的a ，b 区示意图。在实验中使用的p s d ，通常在其光敏面上都 分为a ，b 两个同心圆区域，通常在a 区范围内，所测量得到的位移信号的线性度比较 高，在b 区失真度比较高，所以在p s d 探测器的实际使用中尽量保证入射光在a 区 范围内。 图2 7 显示了的本实验所使用的二维p s d 传感器频谱响应曲线，由此可看出，该 器件在波长为7 0 0 n m - - - , l o o o n m 附近有较高的响应灵敏度，这为之后进行光源的选择提 供的很好依据。 弋 ， k 、 l ， - 一 ， j - 、1 一0二 。 图2 7 二维p s d 的频谱响应曲线 图2 8 显示的是二维p s d 传感器反相偏置电压与器件电容间的关系曲线，通过该 曲线能够了解在一定供电电压下p s d 器件的结合电容的大小。在本单元设计中，对p s d 所加的反偏电压在l v - - 3 v 以内，由图看出，在这一区间二维p s d 的寄生电容值为5 0 p f 左右，容值大小变化较为稳定。 图2 8 二维p s d 反相偏置电压与器件电容的关系曲线 垂一 图2 9 二维p s d 的光谱响应波长与温度的关系曲线 图2 9 看出，当p s d 的光谱响应波长范围在3 0 0 - 1 0 0 0 n m 以内时，器件的温度基 本无变化，所以在系统设计时可以忽略工作温度对于二维p s d 的影响。 1 0 善矗芒i【le击0lod 2 5p s d 在激光焊接点定位中的应用原理 研究本课题的目的是为了实现激光焊接中的激光对焊接点的精确定位。图2 1 0 为 理想状态下的p s d 定位原理图。 d 二i 图2 1 0 激光焊接点定位原理图 在实际运用中，需要对光路进行调整固定，使得： 1 ) 准直透镜和聚光透镜光轴距离为厶，光轴互相平行； 2 ) 聚光透镜和p s d 光敏面平行。 3 ) 激光器光束垂直入射物体表面。 4 ) 准直透镜焦距厶，聚光透镜焦距厶。 5 ) 激光器距离工作台o 距离为d 。 由于三角形a o a 相似于三角形彳”彳尸：f = l 2 ，f + d = d ，a a = 厶； 推算出： 4 彳。么”p 一= = 一 d州 ( 2 1 6 ) a a ，4 么为常数，a p 为p s d 光敏面上光斑与参考点彳。的距离，么。为p s d 几何中 心点。得到： d ：二擎笔么彳。 ( 2 1 7 ) ap 当光束照射到物体表面o 时，由于三角形a o a 相似于三角形a a p ，推算出： 彳彳4 。尸 一= 一彳d 州 ( 2 1 8 ) a a ，a a 为常数，彳。p 为p s d 光敏面上光斑发生位移后与参考点a 。的距离。得到： 物体实际位移为： 么o ：兰给么4 ap a = d a o ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ：一a a 么么”一兰娑彳a 。 ( 2 2 1 ) = 嘉厶一去厶 ( 2 - 2 2 ) = 厶白( 万1 一否1 ) ( 2 - 2 3 ) 只需计算出p s d 光敏面上光斑发生的位移量a 。p 和彳尸，即可推算出物体的实际 位移量。在实际激光焊接中，焊丝厚度约为2 0 , u r n ，当光束照射到焊丝表面时候，只 需通过位移检测系统鉴别出焊丝在p s d 上的成像光斑位置是否发生位移( 即要求测量 系统最低识别精度为2 0 t m ) ，即可判断出当前光束是否对准焊丝表面，达到检测的目 的。 理憨情况 敬芬j 丸 、q ：，s o 一线毓) 图2 1 1 不同情况下光斑入射p s d 光敏面示意图 1 2 在上面的定位系统中，若在理想情况下( 如图2 1 1 ) 使用一维的线状p s d 即可满 足测量要求；理想条件下，当物体反射面发生上下位移时( 或者说光束照射到一定厚 度的物体表面时) ，对应的成像光斑能够保持一直在线状p s d 的光敏轴上运动。 但是在实际测量中( 如图2 1 1 ) 当被测物体表面发生位移时，通过被测物表面漫 反射后在p s d 上的成像光斑可能会偏离了线状p s d 的光敏轴，这样则会影响到检测 结果。 漫反射光入射：维p s d 1 严气7 y f z j j ；) 【轴 “一 ox _ j ，2 ， 图2 1 2 漫反射光入射二维p s d 光敏面的俯视图 若用二维p s d 来替代实验( 如图2 1 2 ) ，可以避免这样的问题。无论光斑偏离x 轴或者】，轴，只要保证成像光斑在二维p s d 的光敏面范围内，就可以根据光斑与p s d 几何中心的位置偏移来确定被测物表面的位移z ( 测量物体的厚度同理) ，z 的大小为 光斑与二维p s d 几何中心的距离( 这里假设为照射到焊丝时光束在焊接台上产生的漫 反射光斑位置在p s d 几何中心点) 。只要整个测量系统对z 的测量精度在2 0 聊以内， 当光束照射在焊丝表面时，p s d 就能迅速的检测出来相应的光斑位置发生的变化，并 通过信号处理系统和上位机向焊接人员反馈位置信息并发出提示音，表示当前光束已 经对准焊丝处，可以进行焊接。 第三章位移信号的处理电路单元设计 在本章中，具体阐述基于二维p s d 的激光位移信号检测系统的快速、精密检测技 术研究实验装置的设计过程，其中主要的内容包括两个部分： 在第一部分，主要对常规的p s d 信号处理系统进行设计和研究，在借鉴国内外一 些经典的设计方法的基础上稍加改进，通过这部分的设计，整个系统能够较好的实现 微量位移的测量功能，测量精度达到1 0 p m 左右。 在第二部分，在课题研究的进展阶段，对整个位移信号处理系统进行优化设计， 从节省p c b 布局，减小由分立元件所带来的噪声，减少i c 器件的使用，保证测量可 靠性等角度考虑，采用双h 一2 4 7 6 型处理电路替代原有的设计，并在实验阶段通过记录 多组数据来验证使用这种设计方式的优越性，整个改进型测量系统的测量精度能优于 6 5 , u r n ，并且由于采用的是集成化前置处理电路，测量的稳定性更高。 整个p s d 位移测量系统的原理组成框图如图3 1 所示： 位移饼譬 d s p d 垂i 准直 技测漫反 p s d 探预蝰理以 盛税或 系统 物镩射及数据采集 表蠡聚焦 涎器 及调整放液晶最 大| 毡路 及传输 不 图3 1基于p s d 的位置信号检测中实验装置工作框图 其工作过程为：入射光经过准直系统，投射在被测物面上；经过漫反射以及成像 透镜聚焦投射在p s d 探测器的光敏面上，从而产生一定量的位置偏移；利用p s d 的 光电转换原理，位移信号转变成一定量的微弱电流信号，经过后续电路的i 转换， 前置放大，采样保持，滤波除噪，调整到适合a d 采集的范围内，由d s p 数据采集系 统进行数据采集，由于数据采集得到的电压和物体实际位移之间存在着一定的换算关 系，可以利用d s p 高速的运算能力和1 2 位高精度的a d 采集功能来计算出物体产生 的位移量，最终结果通过串口送至上位机进行实时监控或者下一步软件处理。 3 1 系统光源特性 像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p - n 结特性为基础睛3 ，且外观亦与 前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。 半导体激光器是近年来发展起来的一种新型激光光源，体积非常小，最小的只有米 粒那样大【9 1 。工作波长依赖于激光材料，一般为0 6 “聊1 5 5 u m ，由于多种应用的需 要，更短波长的器件在发展中。以i i i v 价元素的化合物，如z n s e 为工作物质的激光 器，低温下已得到0 4 6 u m 的输出，而波长o 5 0u m , - - 一0 5 1 u m 的室温连续器件输出功率 已达l o m w 以上。 激光相对于普通的光源，具有很多的优点。 1 4 ( 1 ) 高亮度，高方向性，光束的发散角度较小具有较好的单色性。 ( 2 ) 高度的时间空间相干性，特别是激光二极管，它的光源直径小，适合做一些短距 离的光学检测。 ( 3 ) 功耗相对于普通光源低很多。体积小型化，高效率。 ( 4 ) 容易调制，发射光波长范围较广，使用寿命长。 ( 5 ) 工作电压比较低，一般为3 矿5v ，相对普通光源要低得多。 ( 6 ) 易调节亮度，通过改变激光二极管的电流或者电压大小，可以轻易的调节发光的 强度，并可以用脉冲信号加以驱动，响应快。可达纳秒级。 半导体激光器做为激光检测中的理想光源，已经在国内被广泛用于各种工业，测 控光电通讯医学研究等方面。 本文实验所用激光光源采用的是点状红色半导体激光器( 如图32 ) 它的外形尺寸 为庐8 + 1 9 r a m ，激光二极管的输出波长为6 5 0 n m ，输出功率4 m 暇正常工作电压为3r 5 n 图3 , 2 点状红色半导体激光器实物囝 由于半导体激光器本身输出的是连续光源若在试验中选用连续光源，则在p s d 光敏面得到的电流信号为直流信号，这样其中混杂r 背景光和暗电流所产生的噪声信 号就难以笛别和消除，降低了实验中的测量精度。 所以，在这里选择用脉冲方式对光源加以驱动，这样在p s d 光敏而可以得到的一 定频率的脉冲位移信号。 在实际测量过程中首先在光源无照射时通过采样保持器对噪声信号进行采样， 得到如图33 所示的无脉冲光时的实际噪声信号波形，其中代表了背景光和暗电流所 产生的噪声信号。 图3 3 无脉冲光下p s d 输出渡形图 随后，当脉冲光照射到p s d 上时，通过p s d 探测器，获得如图3 4 所示的电压信 号其幅值代表光斑位移景太小。我们可以看出，在有用信号中明显混杂了各种背景 光和暗电流带来的干扰信号。 圈3 4 脉冲光到来时p s d 输出波形图 在脉冲光到来的同时，采样保持器工作在保持状态。这样，通过对脉冲光信号和 保持信号进行减法运算，就能得到比较干净的位移信号，较大程度上减少了噪声信号 对系统测量的影响。 率实验中运用红外点状半导体激光器通过准直，漫反射，聚焦等光学系统将物体 的位移信号传递到位置敏感器( p s d ) 上，实现物体位置的测量。在光学系统的发射部分， 当发射系统将激光器发出的光束聚焦到被测面上，应该使光斑面积尽量的缩小，如果 所使用的激光器发散角超出一定值。就需要对发射部分的激光进行准直，光学接收系 统也关系到能否实现精确测量位移，通常存在的问题是接收光部分无法正常成像或者 存在一定的像差，同时到达p s d 探测器的光敏面的光斑容易产生干涉条纹使光斑重心 发生偏移，这些问题和光学系统的机械部件的加工和装配都有关系，都会对高精度的 位置信号测量造成影响，这些问题都需要在设计整个光路以及部件加工时加以注意。 32 系统电源模块的的设计 ：酽l 。节酽 图3 5 电源模块原理图 图35 为电源模块原理图。系统电源模块整个电路系统采用- + i s v 直流电压源供电。 采样l m 3 1 7 可调三端正电压稳压嚣，和l m 3 3 7 可调三端负电压稳压器，l m 3 1 7 输出 电压范围为1 2 v 到3 7 v , 能提供超过15 a 的电流，通过外部电阻来设置输出电压， l m 3 1 7 同理，输出为负电压。在这里使用+ 1 5 v 电源为l m 3 1 7 提供输入电压，1 5 v 电 源为l m 3 3 7 供电，通过调节电位器r 。和如( 即两个l m 3 1 7 接地端对地电阻) ，在 l m 3 1 7 输出端得到+ 5 v 电压，在l m 3 3 7 输出端得到5 v 电压。 在电源的p c b 布局时，将整个系统的接地分为：系统地、屏蔽地、保护地。考虑 节 到本系统的信号频率较低，则我们尽可能在设计中采用单点接地，避免各回路之间的 共模干扰，对于地线，应该尽量布宽，以减少导线的电阻。 h 图3 6t p s 7 6 7 d 3 原理图 图3 6 为t p s 7 6 7 d 3 原理图。t p s 7 6 7 d 3 x x 芯片是一种双路输出低压降稳压芯片， 它的设计主要是为d s p 应用。输出电流范围为0 m a 1 0 a 。输入电压为+ 5 以输出两 路电压分别为+ 3 3 y 和+ 1 8 儿能够为d s p 提供稳定的工作电压。 在电源输出端利用滤波电路对电源输出电压进行滤波。通常如果负载电流比较大， 并且经常变化，一般只采用电容滤波，这样能避免电感对变化电流的阻碍作用，让电 源的输出特性更好。如果负载电流较小且稳定，对波纹系数要求较高，也可以采用l c 滤波。 由于本设计中负载电流较小且比较稳定，同时p s d 处理电路对波纹系数要求较高， 在此采用无源元件电容或电感进行l c 滤波，利用其对电压，电流的储能特性达到滤波的 目的。图3 7 为电源滤波电路原理图。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电 容器c 在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就 把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容c 具有平缓电压波形的作用；与负载 串联的电感l ，当电源供给的电流增加( 由电源电压增加引起) 时，它把能量储存起来， 而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感l 也有平波作用。 图3 7 电源滤波电路原理图 1 7 3 3 常规二维p s d 信号处理电路分析与设计 图3 2 4 常规二维p s d 信号处理电路框图 图3 2 4 为常规二维p s d 信号处理电路框图：p s d 四个电极输出的位移信号经过 预处理电路进行电流电压转换及放大调整后得到四路电压u ，分别通过加法 器，减法器运算得到信号u + ，一，+ ，一以，在经过除法器求出 糍和糌比值，送入加转换模块进行数杀采集并配合。s p 高速运算能力， 计算出p s d 光敏面上光斑相对于x 轴和】，轴的位置偏移量。 3 3 1 光源驱动电路的设计 3 3 1 1n e 5 5 5 时基电路设计 在这里，对光源进行脉冲调制的方法有多种：通常可以用单片机或d s p 通过软件 设计输出适当脉宽和频率的驱动信号，但考虑到激光器所需的驱动电流问题，在这里 使用集成芯片n e 5 5 5 产生占空比，频率，大小可调的脉冲驱动信号，半导体激光器进 行方波调制。 n e 5 5 5 属于c m o s 工艺，它可以看做是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器， 它的输出驱动电流可以达到2 0 0 m a ，在多谐振荡器的工作方式时，它的输出脉冲占空 比由两个外界带女足和一个外接电容确定，在单稳态工作方式时，它的延时时间由一 个外接电阻和一个外接电容确定，可以延时数微秒到数小时。工作的电压v c c 范围： 4 5 卜1 6 v on e 5 5 5 引脚功能见表3 1 ： 表3 1n e 5 5 5 引脚功能表 脚号脚名功能脚号脚名功能 1g n d地 5 c o n t r o l v o l t a g e控制电压 2 t r i g g e r 触发 6 t h r e s h o ld阈值 3 o u t p u t输出 7d is c h a r g e 放电端 4 r e s e t复位 8v c c 电源 图3 8n e 5 5 5 时基电路原理图 图3 8 为5 5 5 时基电路原理图。 1 当可变电阻器，保持不变，调节可变电阻器如：时，由于输出脉冲的脉宽随 如：的增大而增大，可以认为是脉宽调制； 2 当可变电阻器：保持不变，调节可变电阻器如h ，时，由于输出脉冲的脉宽不 随如，的增大而增大，可以认为是频率调制。 调节电位器如。，设其上半部分电阻值为玛，下半部分电阻值为蜀，则电路只要一 加上电压v c c ，振荡器便起振。刚通电时，由于c 4 上的电压不能突变，即2 脚电位的 起始电平为地电位，使5 5 5 置位，3 脚呈高电平。c 4 通过凡对其充电，充电时间为： & = o 6 9 3 r 4 c 4 心= r l + r 3 1 9 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 当c 4 上电压充到闽值电平2 3 时，5 5 5 复位，3 脚转呈低电平，此时c 4 通过如、 5 5 5 内部的放电管放电，放电时间为： 珞：0693rbg(3-3) rb=r2+rch2+r4(3-4) 设占空比为d ，则： 丁=毛+&(3-5) d ：生：土 3 - 6 t r 4 + r 8 调节，当其中心头滑向最上端时，设如：此时为0 ，则： 。争：淼媳3 一 当如。中心头滑向最下端时： 寺：淼删册 。撂 我们在本设计中，采用n e 5 5 5 输出调制信号频率为1 2 5 k h z 。经过反推得到： t = i f = 8 0 0 m s ( 3 9 ) m r = 二l = 11 5 k( 3 1 0 ) 0 6 9 3 c 4 调节电位器2 = 4 5 k ，调节电位器，使调制信号占空比为6 5 左右。 3 3 1 2 光源驱动信号的调整放大 n e 5 5 5 引脚3 输出的光源驱动信号需要经过运算放大器进一步放大，在这里采用 带有双路运算放大功z 一匕l - , 的l m 3 5 8 对其进行缓冲放大，以达到半导体激光器的光源驱动 标准，图3 9 为驱动信号缓冲放大原理图。 2 0 图3 9 信号放大级和缓冲级原理图 实验使用+ 5 k 5 v 双电源对l m 3 5 8 进行供电，n e 5 5 5 输出信号经过一个l m 3 5 8 进行同相比例放大，由运算放大器组成的同相输入比列放大电路如图所示，同比例放 大器的电压放大倍数为： 句= 等= 等= + 去 。小， 从而得到输出的光源驱动电压值： 瓯- ( 1 + 却 ( 3 - 1 2 ) 图3 1 0 驱动信号放大示意图 这里选用r 4 = 1 0 k ，足= 1 0 k 。得到的电压增益为2 ，即输出电压砜对输入电压 u 放大2 倍。 经过第一级同比例放大器放大的电压信号在经过电压跟随器对驱动信号进行隔离 驱动。电压跟随器又称单位增益放大器，其的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，带负 载能力强，这样提高了对半导体激光器的驱动能力。在实验中对半导体激光器进行方 波调制后光脉冲频率为1 2 5k h z 。 2 1 3 3 2 预处理模块的分析与设计 在通常的p s d 位移信号预处理电路中，前置放大电路的设计尤为重中之重，可以 说前置放大电路的性能直接影响了整个信号预处理电路的性能。预处理电路的作用是 将二维p s d 四管脚输出微弱电流信号通过跨组放大器转换成电压值并放大，最后进行 低通滤波。图3 1 1 为位移信号预处理电路框图。 e s i ) 输出信 号 电流电压 转换及放大 低通滤波 毒淼卜一低通滤波 转换及放大。一一 电流电压 转换及放大 电流电压 转换及放大 图3 11 位移信号预处理框图 c 1 低通滤波 _? 图3 1 2p s d 反偏一反相放大电路 下面首先介绍一下常用的光电检测前置放大电路模式。通常进行整个光电检测的 前置电路部分有反相放大模式和同相放大模式【嘲嘲3 。目的都在于对探测器输出的微弱 的光电流信号进行电流电压转换。当前置电路采用图3 1 2 反相放大模式状态下，此时 若墨大于恐，且置等于心，则可以减小尺，上的热噪声，提高电路的信噪比，但同时需要 采用较大的垦来提高输入阻抗，这样降低了电路的增益。当前置电路工作于图3 1 3 同 相放大模式，则能提高前置放大电路的输入阻抗，墨上转换得到的电压信号可以较大 程度的耦合到后级放大电路，电路的增益提高很多，缺点是信噪比减小，需要在反馈 电阻r ，端并联小电容来消除高频噪声。 =：? 图3 1 3p s d 反偏同相放大