CN103808266A - 一种光学位移传感器的波长信号解调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学位移传感器的波长信号解调方法。本发明采取方案为：具有两个不同结深的色敏元件对不同波长的入射光有不同的响应特性，将光学位移传感器的输出信号——窄带衍射光输入色敏元件，色敏元件会输出两路响应电流，利用对数转换线路对其进行处理，得到两路电流比值的对数，输出为与波长呈线性关系的解调电压，利用A/D转换器将解调电压转换为数字量导入计算解调模块，对解调电压进行插值预算可以得到位移信息，实现位移传感器位移监测。本发明体积小，重量轻，信号处理简单，可以对入射光信号进行快速响应，实现高动态位移监测，可以加入温度补偿电路，较其它解调方案具有更强环境适应性。
Description
技术领域
本发明属于航空信号处理领域，特别是涉及一种光学位移传感器的波长信号解调方法。
背景技术
随着光传飞控技术的发展，光学位移传感器的研究不断深入，光学位移传感器输出信号的解调成为研究重点，光学位移传感器的输出是中心波长与传感器位移呈线性关系的窄带衍射光，解调任务便是求得中心波长，进而求得传感器位移。目前研究中，求取波长大都利用光谱仪将光谱信息读入计算机，后利用软件对光谱数据进行处理得到中心波长，这种方法可以用于实验室研究，也满足一般精度需求，但若要在飞机控制系统中实现工程化应用则存在不可克服的问题：机上控制系统一般要求响应频率在100Hz以上，而光谱仪为积分型光学仪器，需对光信号先积分再处理，若想取得高分辨率，则必须增大采集数据量，这就导致在数据的传输及处理过程中耗费的时间急剧增加,完成以上积分、采集、传输、处理的过程通常需要20～40ms，这样就无法获得优良的动态特性；飞机设备要求体积小，重量轻，而光谱仪本身体积及重量较大，视不同型号而异，一般均在300g以上；光谱仪工作离不开计算机及其操作系统，势必增加系统体积及复杂程度；光谱仪无法在高低温、振动及灰尘等外界恶劣条件下使用。
发明内容
本发明的目的是提出一种光学位移传感器的波长信号解调方法，使用一个色敏元件及一块对数转换线路板即可实现波长测试，其体积小，重量轻，信号处理简单，可以对入射光信号进行快速响应，具有温度补偿线路，较其它解调方案具有更强环境适应性。
本发明采取的技术方案为：一种光学位移传感器的波长信号解调方法，利用到一个光学位移传感器波长信号解调系统，所述解调系统包括顺次连接的色敏元件2、对数转换线路3、A/D转换器4、计算解调模块5，包括以下步骤：
步骤一：光学位移传感器1输出窄带衍射光至色敏元件2；
步骤二：窄带衍射光激发色敏元件2，产生两路响应电流I1、I2；
步骤三：对数转换线路3对I1、I2进行处理，得到I1、I2比值的对数，放大1～4倍，以电压值的形式输出至A/D转换器4；
步骤四：A/D转换器4将电压值转换为解调电压的数字量，输入到计算解调模块5；
步骤五：计算解调模块5对解调电压的数字量进行插值预算，得到位移信息，完成解调。
如果光学位移传感器波长信号解调系统还包括一个温度补偿模块6，则在步骤二和步骤三之间增加一个步骤：温度补偿模块6感应色敏元件2的温度变化，并将感应结果以电压信号V输入至对数转换线路3；并且步骤三随之调整为：对数转换线路3对I1、I2进行处理，得到I1、I2比值的对数后与V进行差值运算，以电压值的形式输出至A/D转换器4。
本发明具有的优点和有益效果：本发明是一种基于色敏元件的色敏特性制成的对光学位移传感器实现快速解算的解调方法，其优点如下：
1）适当光强下，色敏元件及解调线路对输入信号光的相应可以达到600Hz以上，满足一般伺服系统的动态需求。
2）体积小，单块PCB可以连接多个色敏元件，同时进行多通道数据处理，两只色敏元件及其处理线路的重量可以轻松控制在100g以内；
3）数据处理简单，色敏解调方案不需要windows操作系统平台及软件支持，仅需进行简单的信号处理；
4）较光谱仪具有更强的环境适应性，色敏解调线路内部没有精密光学元件，可以在振动及灰尘条件下使用，并可加入温度传感器对温度变化的影响进行补偿。
附图说明
图1是光学位移传感器新型解调方法的系统构成图。
图2是添加温度补偿模块的光学位移传感器新型解调方法的系统构成图。
图3是光位移在某一位置时输出窄带衍射光的波长与光强对应关系曲线。
图4是利用插值预算求解位移的示意图。
其中：1：光学位移传感器，2：色敏元件，3：对数转换线路，4：A/D转换器，5：计算解调模块，6：温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明做进一步详细描述，请参阅图1至图4。
一种光学位移传感器的波长信号解调方法，利用到一个光学位移传感器波长信号解调系统如图1所示，所述解调系统包括顺次连接的色敏元件2、对数转换线路3、A/D转换器4、计算解调模块5，包括以下步骤：
步骤一：光学位移传感器1输出中心波长随位移线性变化的窄带衍射光，由光纤传导至色敏元件2；
步骤二：窄带衍射光激发色敏元件2，产生两路响应电流I1、I2，根据色敏元件2对入射光的响应特性，其两路输出电流I1、I2的比值的对数与入射光波长呈正比关系；
步骤三：对数转换线路3对I1、I2进行处理，得到I1、I2比值的对数，放大1～4倍，以电压值的形式输出至A/D转换器4；
步骤四：A/D转换器4将解调电压转换为数字量，输入到计算解调模块5；
步骤五：计算解调模块5对解调电压的数字量进行处理，利用提前测好的位移X与电压U的对应数组，对解调电压进行插值运算即可得到传感器位移信息，完成解调。
优选地，如果光学位移传感器波长信号解调系统还包括一个温度补偿模块6如图2所示，温度补偿模块6位于色敏元件2旁边，用于感应色敏元件2的温度变化，并将感应结果输入至对数转换线路3进行处理之后，实现温度补偿，则在步骤二和步骤三之间增加一个步骤：温度补偿模块6感应色敏元件2的温度变化，并将感应结果以电压信号V输入至对数转换线路3；并且步骤三随之调整为：对数转换线路3对I1、I2进行处理，得到I1、I2比值的对数后与V进行差值运算，以电压值的形式输出至A/D转换器4。
实施例
某实施例具体如下：
步骤一：光学位移传感器位于某一位置时，产生窄带衍射光，光谱如图3所示，中心波长大致为724nm，由光纤传导至色敏元件；
步骤二：窄带衍射光输入色敏元件WS7.56，激发色敏元件产生两路感应电流I1及I2，分别为0.32mA及0.1mA；
步骤三：选取温度传感器LM35置于色敏元件WS7.56旁边，距离2mm以内，感应色敏元件WS7.56的温度变化，并以电压V的形式输入对数转换线路，温度25℃时，此电压值为0.04mV；
步骤四：将两路感应电流I1、I2导入对数转换线路，经对数放大器LOG102求得电流比值的对数并放大4倍，得到电压值为2.021V，后与V进行差值运算，得到解调电压U0为1.981V，输出计入温度影响的解调电压U0至A/D转换器；
步骤五：解调电压U0经NI公司的AD6008采集卡转换为数字量，输入到DSP；
步骤六：DSP接收解调电压U0后，利用提前测好的位移X与电压U的对应数组，对解调电压进行插值运算即可得到传感器位移信息，例如图4所示，解调电压U0在数组U中在1.903V、2.078V之间，在点1.903V，40mm及2.078V，42mm之间进行线性插值运算即可得到位移X0为40.89mm，此时完成解调。
Claims (2)
1.一种光学位移传感器的波长信号解调方法，利用到一个光学位移传感器波长信号解调系统，所述解调系统包括顺次连接的色敏元件（2）、对数转换线路（3）、A/D转换器（4）、计算解调模块（5），其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：光学位移传感器1输出窄带衍射光至色敏元件（2）；
步骤二：窄带衍射光激发色敏元件2，产生两路响应电流I1、I2；
步骤三：对数转换线路（3）对I1、I2进行处理，得到I1、I2比值的对数，放大1～4倍，以电压值的形式输出至A/D转换器（4）；
步骤四：A/D转换器（4）将电压值转换为解调电压的数字量，输入到计算解调模块（5）；
步骤五：计算解调模块（5）对解调电压的数字量进行插值预算，得到位移信息，完成解调。
2.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器的波长信号解调方法，其特征在于，如果光学位移传感器波长信号解调系统还包括一个温度补偿模块6，则在步骤二和步骤三之间增加一个步骤：温度补偿模块6感应色敏元件（2）的温度变化，并将感应结果以电压信号V输入至对数转换线路（3）；并且步骤三随之调整为：对数转换线路（3）对I1、I2进行处理，得到I1、I2比值的对数后与V进行差值运算，以电压值的形式输出至A/D转换器（4）。
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| CN106791463A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-05-31 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种全局快门cmos像素单元及图像采集方法 |
Citations (1)
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| CN1495416A (zh) * | 2002-09-19 | 2004-05-12 | 三丰株式会社 | 在高分辨率测量系统中测量波长变化的方法和设备 |
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