CN102620756A

CN102620756A - 一种基于调制激光的psd信号单通道处理方法及处理电路

Info

Publication number: CN102620756A
Application number: CN2012100830709A
Authority: CN
Inventors: 刘铁根; 宋殿友; 丁小昆
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明是一种基于调制激光的PSD信号单通道处理方法及处理电路。首先通过调制激光产生调制光信号，利用激光三角法使光斑成像于PSD上，然后通过I/V转换电路将PSD两端输出的电流信号转换成电压信号，接着通过电子开关切换将两路信号用同一信号处理通道来进行后续信号处理，这样不仅使PSD两端信号得到了一致处理，还大大降低了成本。后续电路主要包括比例放大、高阶带通滤波、峰值检测和A/D转换器等电路。本发明对温漂和背景光有很好的抑制作用，可应用于在温差较大和背景光比较复杂的环境下进行精密微位移测量的系统中。

Description

一种基于调制激光的PSD信号单通道处理方法及处理电路

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，特别是利用PSD位置光电传感器，采用激光三角法进行微位移测量。

背景技术

在工业生产中，许多产品几何特性的在线检测不仅要求做到非接触连续测量，还要求精度不受被测物移动以及外界环境的影响。激光微位移测量系统不仅能较好地满足这些要求，并且还具有测量精度高，测量距离远，重复性强等优点，因此激光微位移测量系统越来越多地被应用在工业生产中。

激光微位移测量系统采用的光电传感器主要有CMOS、CCD、PSD等。PSD位置敏感探测器，是一种能将入射光点位置转换为电流信号的半导体光电检测元件。1957年，Wallmark利用载流子传输理论解释了半导体材料上产生的横向光电效应现象，并提出可用于检测光点位置，开始了对PSD的研究。随着半导体材料、制造工艺的发展，PSD在灵敏度、体积、响应速度及线性度等方面有了很大的提高。相对于另一种常用的光电位置检测元件CCD(电荷藕合器件)来说，PSD的输出只对入射光斑重心敏感，并且为电流信号，所以其后续测量电路简单、使用方便。正因为具有这些特点，PSD在精密尺寸测量、机器人技术、导弹制导及航空等许多方面得到广泛的应用。但PSD本身是模拟器件，受环境和处理电路中其他器件性能等因素影响较大，因此需要尽量克服和减少影响PSD性能的各种因素。PSD最主要的噪声来源是背景光和暗电流，对于微小位移量的测量，消除背景光和暗电流的影响显得尤为重要。消除背景光和暗电流通常有光学法和电学法。光学法是在PSD的感光面上加上一个透过波长与信号光源相匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光，但是还存在部分可见光的影响，特别当被测物本身发出的光与信号光源的波长相近时(如热轧板厚度测量)，滤光片就无法达到系统要求了。电学法分为采样-保持法和调制法两种。采样-保持法就是先检测出信号光源熄灭时的背景光强的大小，然后点亮光源，将检测到的输出信号减去背景光的成分。调制法就是将光源以某一固定的频率调制成脉冲光，对输出信号进行放大、滤波和检波，滤去低频的背景光和暗电流成分。采样-保持法适用于信噪比较高的场合，当噪声远远大于有用信号时，有用信号就无法被高精度获取甚至被淹没在噪声里。而调制法可以将低频的背景光和暗电流成分与有用信号分离。通常，PSD两端的输出信号由两个独立的处理通道进行处理，但是即使采用价格昂贵的精密元器件，随着温度变化，两个通道的增益系数也很难调节一致，尤其当采用信号调制模式时，信号强度与电路的中心频率是直接相关的，而如果两个通道的增益系数不一致就会造成测量误差。同时，由于要求调制频率要远远高于背景光强度变化频率，所以同步检波也是个问题，使得电路比较复杂，同时对模数转换器的性能要求比较高。

发明内容

本发明目的是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种基于调制激光的PSD信号单通道处理方法，如图1所示。该方法在消除了背景光和暗电流的影响的同时，也解决了同步检波复杂和对PSD两端输出信号处理不一致的问题。

本发明所述的基于调制激光的PSD信号单通道处理方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第一步从波长为600-1000nm的小型半导体激光器发射出调制激光，经过会聚透镜形成比较理想的光斑照射在被测物上，然后通过成像透镜汇聚被测物对光斑的漫反射光将光斑成像于PSD上；成像光斑使PSD两端输出强度随光斑位置变化而变化的微弱调制电流信号；

第二步通过I/V转换电路使PSD两端输出的电流信号变为电压信号；

第三步通过通道切换电路将PSD输出的两路信号用同一通道来做后续信号处理；

第四步通过比例放大电路使较弱的PSD信号变为易于处理的较强的信号；

第五步通过带通滤波器滤掉背景光、暗电流和电磁场等产生的干扰信号；

第六步通过峰值检测电路捕捉获取PSD两路信号的强度最大值；

第七步由A/D转换器得到PSD输出的两路信号强度。

其中，第一步中调制激光的调制频率在40KHz-80KHz。本发明提出：在PSD的信号处理中，在信号调制的基础上，通过电子开关实现信号切换，使PSD输出的两端信号用同一信号处理通道，消除掉了由于对PSD两端输出信号处理不一致而产生的测量误差。通过峰值检测电路解决了检波电路复杂以及对模数转换器要求高的问题。

本发明在以上处理方法的基础上，同时提供了一种基于调制激光的PSD信号单通道处理电路，该电路包括依次连接的PSD传感器、I/V转换电路一、I/V转换电路二、通道切换电路、比例放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路和A/D转换器，如图2所示。PSD传感器输出的两路电流信号分别经I/V转换电路一和I/V转换电路二转换易于处理的电压信号，然后通过通道切换电路切换，使两路电压信号依次进入比例放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路和A/D转换器。

其中，所述的I/V转换电路一由第一运放(IC1)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)等构成，如图3所示。第一运放的负输入端经第一电阻和其输出端相连，第二电阻一端接地，另一端接在第一运放正输入端。I/V转换电路二由第二运放(IC2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)等构成，如图3所示。第二运放的负输入端经第三电阻和其输出端相连，第四电阻一端接地，另一端接在第二运放正输入端。

所述的通道切换电路采用电子开关实现，如图3所示。电子开关前两个电容C1和C2起到了隔直的作用。

所述的比例放大电路由由第三运放(IC3)，第六电容(C6)，第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)和第一电位器(WR1)等组成，如图3所示。其中，第六电容，第十一电阻、第十二电阻和第一电位器构成运算放大器的放大负反馈回路，第三运放的正输入端接输入信号。

所述的带通滤波电路由第四运放(IC4)，第三电容(C3)、第四电容(C4)，第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十五电阻(R15)等组成，如图3所示。第十三电阻一端作为信号输入端，另一端和第三电容、第四电容以及第十四电阻连在一起，第十四电阻的另一端接地，第四电容的另一端和第十五电阻的一端相连并接在第四运放的负输入端，第四运放的正输入端接地。

所述的峰值检测电路的由第五运放(IC5)、第六运放(IC6)，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)，第二三极管(Q2)，第七电容(C7)，第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)等组成，如图3所示。第二二极管一端接第五运放的输出端，另一端和第七电容相连构成模拟峰值存储器，第七电容上的电压通过第六运放反馈给第五运放的负输入端。第一二极管跨接第六运放的负输入端和输出端，第二三极管和第十八电阻构成放电电路。

所述的A/D转换器分辨率为大于等于12位，采样速率为大于等于1MS/s。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.在没有滤光片的情况下，对背景光和暗电流实现了良好屏蔽，同时，使PSD两端输出信号得到了一致的处理，减弱了温漂的影响，进一步减小了测量误差。本发明提供的基于信号调制、带通滤波、峰值检测的PSD信号单通道处理方式，使得在温度变化比较大的环境下，即使阻容元器件值的变化引起带通滤波电路的中心频率变化较大时，基于PSD的微位移测量设备仍能正常工作成为可能。

2.本发明中通过峰值检测解决了由于调制频率较高而带来的对A/D转换器采集频度的要求高的问题，同时保证了对PSD两端输出信号的同相位采集，进一步减小了测量误差，同时，通过放电电路实现了系统的高速动态测量。

3.成本低，应用范围广。本发明应用于PSD光电位置传感器输出调制模拟信号的处理，取得了非常好的效果。与传统信号处理电路相比，更精确，更可靠。可适用于各种环境下，如冷轧板测量和热轧板测量等。

附图说明

图1基于调制激光的PSD信号单通道处理方法原理图

图2是调制PSD信号单通道处理电路框图。

图3是调制PSD信号单通道处理电路原理图。

图4是激光三角法测距原理图。

图5是实际测量数据曲线图。

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1

图4所示为基于调制激光的PSD信号单通道处理方法的一个应用实例——PSD激光微位移测量系统的原理图。

第一步该系统由650nm小型半导体激光器发射出的调制红光，经过会聚透镜形成比较理想的光斑照射在被测物上，然后通过成像透镜汇聚被测物对光斑的漫反射光将光斑成像于PSD上。当被测物发生位移时，成像于PSD光敏面上的光斑的位置也会发生变化，从而从PSD两端输出的调制电流信号强度也会发生变化。其中调制激光的调制频率在50KHz。

第七步由A/D转换器得到PSD输出的两路信号强度，然后通过PSD特性公式得到光斑在PSD上的位置，从而得到位移量。

实施例2、基于调制激光的PSD信号单通道处理电路

图3所示即为本发明的信号处理电路的原理框图。该电路包括依次连接的PSD传感器、I/V转换电路一、I/V转换电路二、通道切换电路、比例放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路和A/D转换器。

从PSD传感器两端输出的电流信号I1和I2，I1经过由IC1、R1和R2组成的I/V转换电路一转换成易于采集的电压信号U1，I2经过由IC2、R3和R4组成的I/V转换电路二转换成易于采集的电压信号U2。其中IC1和IC2采用运放OP27，R1、R2、R3、R4阻值均为200KΩ。U1和U2分别作为电子开关的两个输入信号，通过单片机的控制使U1和U2循环进入后续信号处理电路。在两个I/V转换电路和电子开关之间分别有一个电容C1和C2，该电容作用为隔直。其中电子开关采用CD4051，C1、C2的电容值为0.1μF。从电子开关出来的信号通过一个由IC3、C6、R11、R12和WR1组成的同相比例放大电路，放大的倍数A可由如下公式计算，其中ω为激光调制频率：

A = 1 + \frac{R 12 + WR 1}{R 11 + \frac{1}{jωC 6}} - - - (1)

从公式可以看出，对于直流信号放大倍数为1，随着频率的升高，放大倍数逐渐增大，因此该放大电路不仅使较弱的调制电压信号变为较强的电压信号，同时也进一步抑制了背景光和暗电流的干扰。其中，IC3采用运放OP27，C6的电容值为100μF，R11电阻值为1KΩ，R12电阻值为20KΩ，WR1为10KΩ可调电位器。

信号从放大电路出来后进入带通滤波电路，该电路由IC4、C3、C4、R13、R14和R15组成。它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有很强的频率选择性。其中，IC4采用运放OP27，C3、C4的电容值为2nF，R13电阻值为39.2KΩ，R14电阻值为127Ω，R15电阻值为78.7KΩ。

经过滤波后得到比较纯净的有效信号Vi，该信号进入峰值检测电路，通过该电路获得PSD的两个输出的峰值，从而通过PSD特性公式可以得到光斑在PSD的位置。该峰值检测电路由IC5、IC6、D1、D2、Q2、C7、R17、R18和集成于单片机的ADC等组成。该峰值检测电路分成几个模块：(1)模拟峰值存储器；(2)单向电流开关；(3)输入输出缓冲隔离；(4)电容放电复位开关(5)ADC。由于输入信号的每周期的大部分时间中处于Vi＜Vo的状态，因而IC5输出端的电压几乎等于负电源电压，IC5内部的中间级和输出级的某些三极管必处于深度饱和和截止状态。仅当Vi在峰值附近的一小段时间中，才可能在线性区中，IC5内部的某些三极管应从深饱和状态(或深截止状态)转向线性区(放大区)中的状态，而三极管这种状态的转换需要经历一段时间才能完成。这种效应限制了输入信号频率，亦即限制了检测速度。为了改善电路的速度，用非线性元(器)件D1，和比较放大器组成非线性反馈的放大器。其中，IC4采用运放OP27，D1、D2采用1N4148，Q2采用S9013，C7的电容值为10nF，R17、R18电阻值为10KΩ。

由A/D转换器得到PSD输出的两路信号强度。其中，A/D转换器集成于高速单片机C8051F060。

应用举例：

以下是利用实施例所述信号处理方法和信号处理电路，与激光三角法相结合设计并制作了测量频率可达2KHz，分辨率达0.35‰，线性度好于12‰的激光微位移测量系统。系统结构简单、成本低。

图5为该微位移测量系统的实验结果。由图可见，系统开始运行的前10分钟，数据呈急剧下降的趋势，这主要是因为半导体激光器的稳定需要一段时间，在上电初期由于激光强度稳定度较差和光斑不够均匀造成测量误差较大。当激光强度趋于稳定后，测量数据基本稳定。从图中可以看出在30分钟以后的11个小时里，稳定性误差小于0.9‰。并采用电热恒温鼓风干燥箱，分别设定20℃、30℃、40℃和50℃四种温度，在四种温度下，分别采用PSD信号单通道处理模块和传统的PSD信号双通道处理模块进行测量，同时为避免半导体激光器光斑的不均匀性影响测试结果，调整系统使PSD两端输出幅值相等的电流信号，测量结果(光斑在PSD的位置)见表1。

表1温度影响实验结果

从表中可以看出，PSD信号双通道处理系统测量结果随着温度升高逐渐变小，这是由于系统的两路信号处理通道受温度变化影响造成两通道的放大系数不一致所引起的。而单通道处理系统测量结果没有任何变化，因此可以认为，通过对PSD输出信号采用单通道信号处理方式大大消减了温度对测量的影响，从而使测量系统更能够适应温差较大的生产环境。

Claims

1.一种基于调制激光的PSD信号单通道处理方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第一步从小型半导体激光器发射出调制光，调制光经过会聚透镜形成宽度小于1mm的光斑照射在被测物上，然后通过成像透镜汇聚被测物对光斑的漫反射光将光斑成像于PSD上；成像光斑使PSD两端输出强度随光斑位置变化而变化的微弱调制电流信号；

第五步通过带通滤波器滤掉背景光、暗电流和电磁场产生的干扰信号；

第七步由A/D转换器得到PSD输出的两路信号强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：第一步中调制激光的调制频率在40KHz-80KHz，光波长范围为600-1000nm。

3.一种基于调制激光的PSD信号单通道处理电路，其特征是：该电路包括依次连接的PSD传感器、I/V转换电路一、I/V转换电路二、通道切换电路、比例放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路和A/D转换器；PSD传感器输出的两路电流信号分别经I/V转换电路一和I/V转换电路二转换成易于处理的电压信号，然后通过通道切换电路切换，使两路电压信号依次进入比例放大电路、带通滤波电路、峰值检测电路和A/D转换器。

4.根据权利要求3所述的电路，其特征是：I/V转换电路一包括第一运放(IC1)、第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；第一运放的负输入端经第一电阻和其输出端相连，第二电阻一端接地，另一端接在第一运放正输入端；I/V转换电路二包括第二运放(IC2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)；第二运放的负输入端经第三电阻和其输出端相连，第四电阻一端接地，另一端接在第二运放正输入端。

5.根据权利要求3所述的电路，其特征是：通道切换电路采用电子开关实现。

6.根据权利要求3所述的电路，其特征是：比例放大电路包括第三运放(IC3)、第六电容(C6)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)和第一电位器(WR1)；其中，第六电容、第十一电阻、第十二电阻和第一电位器构成运算放大器的放大负反馈回路，第三运放的正输入端接输入信号。

7.根据权利要求3所述的电路，其特征是：带通滤波电路包括第四运放(IC4)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)和第十五电阻(R15)；第十三电阻一端作为信号输入端，另一端和第三电容、第四电容以及第十四电阻连在一起，第十四电阻的另一端接地，第四电容的另一端和第十五电阻的一端相连并接在第四运放的负输入端，第四运放的正输入端接地。

8.根据权利要求3所述的电路，其特征是：峰值检测电路包括第五运放(IC5)、第六运放(IC6)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第二三极管(Q2)、第七电容(C7)、第十七电阻(R17)和第十八电阻(R18)；第二二极管一端接第五运放的输出端，另一端和第七电容相连构成模拟峰值存储器，第七电容上的电压通过第六运放反馈给第五运放的负输入端；第一二极管跨接第六运放的负输入端和输出端，第二三极管和第十八电阻构成放电电路。

9.根据权利要求3所述的电路，其特征是：A/D转换器分辨率为大于等于12位，采样速率为大于等于1MS/s。