CN106840217B - 一种基于psd的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PSD的信号处理方法，包括：激光器发射出的激光经衰减后照射在PSD传感器单元的光敏面上，PSD传感器单元输出检测电流信号；对检测电流信号进行预处理，并基于PSD传感器的电流‑位置坐标计算公式，计算PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标。本发明的基于PSD的信号处理方法，通过软件方式实现加、减、除的运算，可以简化硬件电路，减小装置体积，能有效减少由于模拟器件带来的噪声和温漂，提高测量精度，检测结果更精确，更可靠，精度更高，可适用于各种环境下。

Description

一种基于PSD的信号处理方法

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种基于PSD的信号处理方法。

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。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的输出信号由两个独立的处理通道进行处理，当采用信号调制模式时，如果两个通道的增益系数不一致就会造成测量误差，现有的激光微位移测量系统通常有检测不准确、成本较高的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种基于PSD的信号处理方法。

一种基于PSD的信号处理方法，包括：激光器发射出的激光经衰减后照射在PSD传感器单元的光敏面上，所述PSD传感器单元输出检测电流信号；对所述检测电流信号进行处理，并基于PSD传感器的电流-位置坐标计算公式，计算所述PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标。

根据本发明的一个实施例，进一步的，对所述检测电流信号进行处理包括：通过I/V转换电路将所述检测电流信号转换为电压信号；通过比例放大电路放大所述电压信号；通过带通滤波器滤掉所述电压信号中由背景光、暗电流和电磁场产生的干扰信号后发送至所述模数转换器；通过所述模数转换器得到所述PSD传感器单元输出检测电流信号强度。

根据本发明的一个实施例，进一步的，计算所述PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标包括：对所述模数转换器输出的信号进行滤波处理，并基于滤波后的信号计算坐标值。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述对所述模数转换器输出的信号进行滤波处理包括：对所述模数转换器输出的信号进行采样，将连续测量的N 个采样值按照大小顺序排列，然后去掉最大值和最小值，再对剩下的N-2个采样值求平均值。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述模数转换器为ADS8556模数转换器；采用基于FPGA实现的数据处理模块对所述模数转换器输出的信号进行线性调整，计算位于所述PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述基于PSD传感器的电流-位置坐标计算公式：

其中，x为坐标值，X₁、X₂为所述模数转换器得到的所述PSD传感器单元输出检测电流经过处理的信号，K和B都为系统系数，N为连续测量的采样数量值。

根据本发明的一个实施例，进一步的，当

或

的值超过所述数据处理模块的计算上限时，则：

其中，D为

的绝对值，I、R分别为

的绝对值除以256的整除商和余数。

根据本发明的一个实施例，进一步的，将激光位置坐标发送至上位机单元进行显示，其中，与上位机进行通信的方式包括：RS232、RS485、以太网。

本发明的基于PSD的信号处理方法，通过模拟电路实现I/V转换、放大及电平移位，通过软件方式实现加、减、除的运算，可以简化硬件电路，减小装置体积，数字电路相比模拟电路的加法器、减法器、除法器，提高测量精度，应用范围广，检测结果更精确，更可靠，精度更高，可适用于各种环境下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例的流程示意图；

图2、3为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例中采用的 I/V转换电路模块的示意图；

图4为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例中采用的差分比例运算电路模块的示意图；

图5为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例中采用的模数转换器电路的示意图；

图6为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例中的模数转换器与数据分析单元连接的示意图；

图7A、7B为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例中的ADS8556输出数据格式及线性调整示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合各个图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。

下文中的“第一”、“第二”等为描述上相区别，并没有其它特殊的含义。

图1为根据本发明的基于PSD的信号处理方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示：

步骤101，激光器发射出的激光经衰减后照射在PSD传感器单元的光敏面上，所述PSD传感器单元输出检测电流信号。

步骤102，对所述检测电流信号进行处理。

步骤103，基于PSD传感器的电流-位置坐标计算公式，计算所述PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标。

光电位置敏感探测器PSD(position sensitive detector)是一种基于半导体 PN结横向光电效应，用于探测光点位置变化的光电传感器。因其对光斑位置可连续测量，检测位置输出取决于光斑能量中心，对光束质量要求相对不高，且具有高灵敏度，高位置分辨率，极好的瞬态响应特性，等特点，使其在精密尺寸测量、光学定位跟踪、激光准直、非接触位移测量等领域有着广泛的应用。

PSD是一种连续型模拟器件，一般为P-I-N结构，其机理与光电二极管类似，当光敏面受光照射时，在光斑位置处产生正比于光能量的电子-空穴对，在平行于结平面的方向形成电势差，产生的光电流被电极收集，由于P层电阻均匀，电极输出的光电流反比于入射光位置到各自电极之间的距离。

PSD从结构上分一维、二维两种，一维在线型PSD光敏面的两端引出两个电极，二维PSD的工作原理与一维基本相同，但为面结构，具有相互垂直的两对电极，本发明采用二维方形PSD，其在两轴方向上的感光层独立，分别反映X，Y方向光点位置信息。

在基于PSD的信号处理方法中，激光器发射出的光信号经衰减后，入射在二维PSD光敏面上，输出的四路电流信号经I/V转换、电平移位、放大后送至AD为核心的数据采集单元，经同步采样、模数转换并进行数值运算、软件滤波等处理，最终送至上位机显示。

对检测电流信号进行处理包括：需要经过通过I/V转换电路将检测电流信号转换为电压信号。通过比例放大电路放大电压信号；通过带通滤波器滤掉电压信号中由背景光、暗电流和电磁场产生的干扰信号后发送至模数转换器；通过模数转换器得到PSD传感器单元输出的四路检测电流信号强度等步骤。

PSD输出信号为μA级别微弱电流信号，不适于直接检测处理，用于对检测电流信号进行处理的硬件模块包括：I/V转换电路模块、差分比例放大电路模块；PSD输出的电流信号经过I/V转换电路模块、差分比例放大电路模块进行I/V转换、差分放大后发送至数据采集单元。

如图2、3所示，I/V转换电路模块包括：第一I/V转换电路和第二I/V转换电路,分别用于处理PSD输出的X轴电流和Y轴电流，处理的方法相同。第一I/V转换电路包括：第一运放IC1、第一电容C1、第一电阻R1、第三电阻 R3、第三电容C3、第五电阻R5、第五电容C5、第七电阻R7。第三电容C3 和第三电阻R3串联，形成第一子电路，第一子电路的一端接地，另一端与第一运放IC1的负输入端连接；第一电容C1和第一电阻R1并联，形成第二子电路，第二子电路的两端分别与第一子电路和第一运放IC1的输出端连接。

PSD传感器单元输出的第一电流Ix接入第一子电路中，其接入点位于第三电阻R3与第二子电路和第一子电路的连接点之间；第五电容C5和第七电阻R7并联，形成第三子电路，第三子电路的一端接地，另一端与第一运放IC1 的正输入端连接；第五电阻R5的一端连接在第三子电路与第一运放IC1的正输入端的连接线路上，另一端接入正电平。

第二I/V转换电路包括：第二运放IC2、第二电容C2、第二电阻R2、第四电阻R4、第四电容C4、第六电容C6、第六电阻R6、第八电阻R8；第四电容C4和第四电阻R4串联，形成第四子电路；第四子电路的一端接地，另一端与第二运放IC2的负输入端连接。第二电容C2和第二电阻R2并联，形成第五子电路，第五子电路的两端分别与第四子电路和第二运放IC2的输出端连接。

PSD传感器单元输出的第二电流Iy接入第四子电路中，其接入点位于第四电阻R4与第五子电路和第四子电路的连接点之间；第八电阻R8和第六电容C6并联，形成第六子电路，第六子电路的一端接地，另一端与第二运放IC2 的正输入端连接；第六电阻R6的一端连接在第三子电路与第二运放IC2的正输入端的连接线路上，另一端接入正电平。

因所选PSD无单独反偏电极，即反偏电压通过信号线施加，故将四路PSD 信号绝对值同时抬高7.5V，此时经过第一级运放电路，四路信号输出电压范围±7.5-±10V。

图2、3中，Ix/Iy为PSD输出电流，Um、Up为辅助运算量。

对X轴一路依据KCL、“虚短虚短”，列如下方程：

将电容电阻实际值带入方程解得U_XM,同理可以得到U_ym，例如：

同理得到Y轴输入输出关系：

其中，A1、A2、A3、B1、B2、B3等都为系数，具体的数值可以根据具体的应用场景进行设置。因电流输出前三项短时收敛至0，X轴两路电流流入 PSD，Y轴两路电流由PSD流出。电容C1、C2的作用为防震荡，电容C3、 C4、C5、C6的作用为低通滤波。

差分比例运算电路模块以及数据采集单元等可以用于处理经I/V转换的X 轴电流和Y轴电流，下面仅对X轴电流的处理进行说明，对Y轴电流处理的方法相同。如图4所示，对经I/V转换的X轴电流进行处理的，差分比例运算电路模块包括：第三运放IC3、第四运放IC4、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第七电容C7、第八电容C8、第十三电阻 Rf1、第十四电阻Rf2。第九电阻R9的一端接地，另一端与第三运放IC3的负输入端连接。第十电阻R10的一端与第一运放IC1或第二运放IC2的输出端连接，另一端与第三运放IC3的正输入端连接。

第十一电阻R11的两端分别与第三运放IC3的输出端和第四运放IC4的负输入端连接；第十三电阻Rf1的第一端连接在第九电阻R9与第三运放IC3 的负输入端连接线路上，第十三电阻Rf1的第二端连接在第十一电阻R11与第三运放IC3的输出端的连接线路上。第七电容C7与第十四电阻Rf2并联形成第七子电路。

第七子电路的一端连接在第十一电阻R11和第四运放IC4的负输入端的连接线路上，另一端与述第四运放IC4的输出端连接。第十二电阻R12和第八电容C8串联，形成第八子电路，第八子电路的一端接地，另一端与第四运放IC4的正输入端连接，并在第十二电阻R12和第八电容C8的之间的连接线路上接入高电平。

考虑所选16位AD电压输入范围±10V，图4输出的±7.5～±10V仅利用AD16位分辨率的1/4，故采用差分比例运算电路将此时PSD四路信号电平移位并放大，差分比例运算电路公式(5)：

式(5)使用条件为上图4中Rf1位置电阻大小等于R11位置电阻大小，同理Rf2＝R9。此电路实现四路信号分别与10V作差，得到输出电压±0～±2.5V；再考虑增益，因AD输入范围±10V，故电路增益不多于4倍，又因电路所选运放AD8597供电电压±15V，即：

则差分比例运算电路总的增益3≤Gain≤4(8)

综合考虑此处选择放大3倍。最终PSD四路信号输出电压范围为±0～± 7.5V，经实验对比验证，提高了位置探测稳定性精度。

在图3、4中的运放选用AD8597，是一款极低噪声、低失真运算放大器，其低失真及快速建立时间特性使其非常适用于缓冲高分辨率数据转换器。

在一个实施例中，如图5、6所示，数据采集单元包括：模数转换器、放大器和滤波电路。第四运放IC4输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端与模数转换器的输入端口连接，并且在放大器的输出端与模数转换器的输入端口之间设置滤波电路。第四运放IC4输出端送出的信号，经放大器放大、滤波电路滤波处理后发送至模数转换器。

模数转换器为可以为ADS8556模数转换器，放大器可以为OPA2211放大器，滤波电路为RC滤波电路。ADS8556是一款分辨率可达16位，含有六通道的逐次逼近型AD。每通道均包含一个采样保持电路，以使六路可以同步采样，其采样速率可达630kSPS。通常在ADS8556前端添加输入驱动，提供AD 工作在最大速率的带宽。选用TI公司的OPA2211放大器。OPA2211是一款具有宽供电范围(±2.25V～±18V)、低电压噪声、低功耗的双通道双极性运算放大器。将图4的电路送出的信号，再经一级放大，滤波去耦电路送至ADS8556。

部分为负指数函数，随时间收敛到0，故

在一个实施例中，数据分析单元与ADS8556模数转换器的CONVST_A、 CONVST_B、CONVST_C端口连接，控制ADS8556模数转换器的转换同步；数据分析单元与ADS8556模数转换器的RESET复位信号端口、

片选端口、

读信号端口连接、用于控制读写时序；数据分析单元与ADS8556模数转换器的DB数据位端口连接，接收转换后的数据。数据分析单元包括基于FPGA的数据处理模块，数据处理模块用于计算位于PSD传感器单元的光敏面上的光斑的坐标。

如图6所示，HW/SW接低电平选择硬件模式；

接高电平表示正常工作，不处于掉电模式。RANGE接低电平，使输入电压范围取±4V_REF； REFen/WR接高电平，启用内部参考电压；硬件模式下：启动转换信号 CONVST_A/B/C相连以使转换同步，再送由FPGA控制；RESET复位信号，

片选，

读信号送由FPGA控制读写时序，DB[15:0]为数据位；PAR/SER接低电平选择并行接口方式；WORD/BYTE接地表示以字模式(16Bit)传输数据。

在一个实施例中，依据PSD原理得到入射光斑能量重心相对PSD中心的坐标x、y：

其中I1-I4，分别为相应PSD电极输出电流，K1、K2为常系数。经过硬件处理电路(I/V，差分比例运放，硬件滤波等)，将I1-I4转化为约±0～±7.5V的电压信号V1-V4，此时，坐标计算公式为：

模数转换的公式如下所示，下面仅仅以X轴为例，Y轴的计算方法相同。

X1、X2表示V1、V2经模数转换后送入FPGA(数据处理模块)的数字量。由图7A 和7B得到X1、X2对应输出曲线分别为：

V2+V1＝v0，其中V1，V2∈[0，v0] (30)

将(30)(31)式代入23得到

且得到相关理论范围：

X1+X2＝A+B＝8192+32768＝40960，

由式(32)看出，X2-X1的值随V1增大而线性增大，得值域 [A-B，B-A]＝[-24576，24576]。

为了提高滤波效果，尽量减少噪声数据对结果的影响，将算术平均滤波和中位值滤波结合起来，先以中位值滤波初步剔除明显的噪声数据(尖峰脉冲)，再用均值滤波取均值以剔除不明显的噪声数据(持续时间较长的的干扰信号)，即采用防脉冲干扰平均值法。

防脉冲干扰平均值滤波(又称去极值平均滤波)，是将连续测量的N个采样值按照大小顺序排列(可用冒泡法)，然后去掉最大值和最小值，再对剩下的N-2个采样值求平均，对应公式如下：

其中，x(1)≤x(2)≤…≤x(N)，N≥3 (19)

结合此时公式(25)与软件滤波算法，

化简转换得到最终公式：

在一个实施例中，模数转换器为ADS8556模数转换器，采用基于FPGA实现的数据处理模块对所述模数转换器输出的信号进行线性调整，计算位于 PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标。

PSD传感器模块输出的电流信号经ADS8556模数转换器调理后的电压范围约±0～±7.5V，参考下图7A，作线性调整后见图7B,实验获得0.2μm量级下系数K约在4*104-5*104之间，则N`取8时，x运算过程中分子绝对值最大约为5*104*8*24576＝9.83*109>232，超过除法器位数上限，采用并行计算方法以实现除法器的扩用。因坐标计算式正负理论对称，故设符号单独提取后的坐标计算式为：

其中0≤R≤255 (34)

其中Dr为

的绝对值，D为

的绝对值，I、R分别为Dr除以256的整除商和余数。 P1、P2为方便描述引入的参量。

P2最大取值：

的分辨率，故不计P2。在不计P2的情况下，即

|x|≈P1*256 (35)

针对式(35)，使用两步除法器提高精度：

step1，

step2，针对step1余数，使用除法器，

R2对应商的大小可忽略。其中，Dr1、D1、Dr2、D2分别表示某步使用除法器的分子分母，Q1、R1、Q2、R2分别表示某步使用除法器的商和余数。

|x|≈P1*256＝Q1*256+Q2 (36)

通过省略最初运算式分母低八位实现除法器的扩用，再通过两步除法器运算，提取有效小数位以提高测量精度。

本发明的基于PSD的信号处理方法，依据PSD各电极输出的光电流大小反比于入射光位置到各电极之间距离的工作原理，检测的结果通过实验表明，在[x,y]∈[-2,2]mm范围内，单点稳定性优于2μm。

本发明的基于PSD的信号处理方法，通过模拟电路实现I/V转换、放大及电平移位，通过软件方式实现加、减、除的运算，可以简化硬件电路，减小装置体积，提高测量精度。软件方式的处理精度除自身处理能力外，只与I/V 转换、放大及电平移位这几部分性能有关，有利于精度控制提高。

本发明的基于PSD的信号处理方法，能够减小测量误差，应用范围广，检测结果更精确，更可靠，精度更高，可适用于各种环境下。

可能以许多方式来实现本发明的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.一种基于PSD的信号处理方法，其特征在于，包括：

激光器发射出的激光经衰减后照射在PSD传感器单元的光敏面上，所述PSD传感器单元输出检测电流信号；

对所述检测电流信号进行处理，并基于PSD传感器的电流-位置坐标计算公式，计算所述PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标；

其中，所述基于PSD传感器的电流-位置坐标计算公式：

其中，X为坐标值，X1(n)、X2(n)为模数转换器得到的所述PSD传感器单元输出检测电流经过处理得到的数字信号，K和B都为系统系数，N为连续测量的采样数量值；

采用基于FPGA实现的数据处理模块对所述模数转换器输出的信号进行线性调整；当

或

的值超过所述数据处理模块的计算上限时，则：

其中，D为

的绝对值，I、R分别为

的绝对值除以256的整除商和余数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述检测电流信号进行处理包括：

通过I/V转换电路将所述检测电流信号转换为电压信号；

通过比例放大电路放大所述电压信号；

通过带通滤波器滤掉所述电压信号中由背景光、暗电流和电磁场产生的干扰信号后发送至所述模数转换器；

通过所述模数转换器得到所述PSD传感器单元输出四路检测电流信号强度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述PSD传感器单元的光敏面上的激光位置坐标包括：

对所述模数转换器输出的信号进行滤波处理，并基于滤波后的信号计算坐标值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述模数转换器输出的信号进行滤波处理包括：

对所述模数转换器输出的信号进行采样，将连续测量的N个采样值按照大小顺序排列，然后去掉最大值和最小值，再对剩下的N-2个采样值求平均值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述模数转换器为ADS8556模数转换器。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

将激光位置坐标发送至上位机单元进行显示，其中，与上位机进行通信的方式包括：RS232、RS485、以太网。

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