CN109990735B - 用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，包括频率发生装置，频率发生装置用于发出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率源，1路用于对自准直仪的激光光源进行频率调制；1路用于对PSD器件背景光产生的光电信号进行采样保持；1路用于对PSD器件脉冲光产生的光电信号进行采样保持。本发明还公开了光源调制方法，通过控制采样时机，获取稳定的光电信号，为后续处理电路提供正确可信的信号。本发明公开的系统在仪器研制期间可灵活更改，并且，具有延时可调功能，避免了错误信号的混入，进而提高测量精度。

Description

用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制装置及方法
技术领域
本发明属于光电测试技术领域，涉及一种用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，还涉及一种用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制方法。
背景技术
自准直仪，也称为“自准直光管”、“光学平直度检查仪”，是一种利用光的自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种计量仪器。其工作原理为：由光源发出的光经分划板、半透半反镜和物镜后射到反射镜上。光线通过位于物镜焦平面的分划板后，经物镜形成平行光。平行光被垂直于光轴的反射镜反射回来，再通过物镜后在焦平面上形成分划板标线像与标线重合。当反射镜倾斜一个微小角度α角时，反射回来的光束经倾斜2α角。自准直仪被广泛用于小角度测量、平板的平面度测量、导轨的平直度与平行度测量等方面。自准直仪的原理图如图1所示，包括：31.反射镜，32.物镜，33.光源，34.星孔板，35.聚光镜，36.分光镜，37.目镜，38.感光器件。随着光电探测器件的快速发展，目前自准直仪的数据判读早已由人眼判读变为由光电探测器件接收光斑信号判读，常用器件主要有：位置敏感器件PSD，CCD和四象限探测器等多种。
位置敏感器件PSD的原理是横向光电效应，它通过入射光引起光敏面内部PN结中载流子的移动，在两个输出电极得到与光斑位置成一定比例的光电流。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。光敏面上测量的是连续位移信号，所以其测量范围无死区。使用PSD器件用于光斑X向位置测量的原理如图2所示。
有研究表明，当背景光与光斑同时照射在PSD的光敏面时，其位置测量精度会受到背景光的影响，为去除背景光影响，提高光斑位置判读精度，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。光源调制法，即采用采样—保持原理，对光源进行脉冲调制，去除背景光和噪声的干扰，其原理如图3所示；脉冲光到来前，采样脉冲1控制采样保持器1对背景光信号进行采样并保持，脉冲光到来时，采样脉冲2控制采样保持器2对脉冲光进行采样并保持，采样保持器1和采样保持器2所保持的信号，通过减法运算就可以消除测量系统的背景及噪声信号，大大增强了系统的抗背景光干扰的能力，提高了检测的精度。
在自准直仪实际研制中，PSD器件对经过频率调制的脉冲光的响应如图4所示存在一定延时，因为此延时的存在，使得脉冲光的激励信号不能作为信号处理电路的采样信号，采样信号会将PSD器件输出的不稳定信号与稳定信号同时记录下来，输出的结果存在较大偏差，正确的做法是在PSD器件的输出信号稳定期间，对其进行采样。而采用集成芯片，脉冲信号的占空比、频率的调整需要通过改变模拟器件的参数完成，理论计算的器件参数和实际器件参数也不一定能完全一致，误差较大，且调整过程不够灵活，存在一定不足和不便。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，解决了现有技术PSD器件对脉冲光信号的响应延时和背景光对自准直仪测量精度的影响的问题。
本发明的另一目的是提供一种用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制方法。
本发明所采用的技术方案是，用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，包括频率发生装置，频率发生装置信号连接自准直仪的光源和PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路，自准直仪的光源的照射光经过自准直仪的反射镜，自准直仪的反射镜将反射光发送到PSD器件，PSD器件连接电流/电压转换模块，将光信号转换为电压信号后传送到放大电路，放大电路的输出端连接PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路的输入端，PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路的输出端连接加法电路和减法电路的输入端，加法电路和减法电路的输出端连接除法电路的输入端，除法电路的输出端连接模拟/数字转换模块的输入端，模拟/数字转换模块的输出端连接LED显示模块；
频率发生装置用于发出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率源，1路用于对自准直仪的激光光源进行频率调制；1路用于对PSD器件背景光产生的光电信号进行采样保持；1路用于对PSD器件脉冲光产生的光电信号进行采样保持。
本发明的其他特点还在于，
频率发生装置内部包括脉冲信息寄存器模块、移位寄存器组模块、分频模块、控制模块、同步信号产生模块、延迟模块和周期脉冲发生器模块；脉冲信息寄存器模块的输出端信号连接移位寄存器模块的输入端，移位寄存器组模块的输出端分别连接周期脉冲发生器模块的输入端、同步信号产生模块的输入端和T触发器的输入端，分频模块的输出端和T触发器的输出端将输出的信号经过与运算后传输给控制模块，控制模块的输出端信号连接同步信号产生模块的输入端，同步信号产生模块的输出端信号连接延迟模块的输入端，延迟模块的输出端连接周期脉冲发生器模块的输入端，
脉冲信息寄存器模块用于将三路脉冲信号的时间按照延迟时间、高电平时间和低电平持续时间的顺序压入移位寄存器组模块中；
移位寄存器组模块将时间信息储存在内部对应的端口，并对写入的数据进行统计，当数据按照设定值装载完成后，移位寄存器组模块产生启动信号able，该启动信号able经过T触发器后打开内部时钟通道，控制模块接收到内部时钟后，产生同步信号产生模块需要的使能信号tongbu_en和整个脉冲发生器内部电路计数器的初始装载信号load；
同步信号产生模块生成延迟模块的使能信号delay_en，延迟模块根据每路信号的延迟时间，产生3路延迟信号触发周期脉冲发生器模块工作；
周期脉冲发生器模块根据收到的延迟信号启动内部计数器，根据预置的数据产生一定周期和脉宽的脉冲，即用于对激光光源进行频率调制的激光光源频率调制信号，用于对背景光产生的光电信号进行采样保持的背景光采样保持信号和用于对脉冲光产生的光电信号进行采样保持的脉冲光采样保持信号。
移位寄存器组模块产生启动信号able，触发T触发器翻转，使其输出高电平，启动内部时钟。
分频模块将外部晶振的10MHz信号分频，产生1kHz的方波信号，经与门送入各模块的时钟输入端，该1kHz信号作为脉冲发生器内部的时钟信号，是脉冲发生器内部各模块工作的时间频率基准。
同步信号产生模块产生的同步信号作为其他脉冲的定时标准，只输出一个脉冲。
本发明的另一技术方案是，用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制方法，使用上述用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，具体包括如下过程：
设计频率发生装置的结构，使其输出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率电源，其中，1路用于对激光光源进行频率调制、1路用于对背景光产生的光电信号进行采样保持、1路用于对脉冲光产生的光电信号进行采样保持；
根据PSD器件对脉冲光的响应延时，调整PSD器件的背景光采样信号与PSD器件的脉冲光采样信号对自准直仪的光源调制信号的延时，控制采样时机，获取稳定的光电信号，为后续处理电路提供正确可信的信号，自准直仪的脉冲光源到来前，只采集PSD器件的背景光信号，记为A，自准直仪的脉冲光源到来时，保持PSD器件的背景光信号，同时，采集自准直仪的脉冲光源到达PSD器件后的信号，采集的信号记为B，通过减法运算即B-A消除测量系统PSD器件的背景信号，即得到了准确的测量信号，增强了系统的抗背景光干扰的能力，从而提高自准直仪的测量精度。
本发明的有益效果是，用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统及方法，解决了现有技术PSD器件对脉冲光信号的响应延时，从而影响采样—保持电路的工作效率的问题。通过采用CPLD芯片，利用其灵活的可编程特性，研制出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率源。对频率源工作参数的修改可通过修改相应的参数完成，在仪器研制期间可灵活更改，并且，具有延时可调功能，可以控制背景光或脉冲光的采样信号的采样时机，避开PSD器件的上升期或下降期，而对信号的平稳段进行采样；占空比可调功能，可以控制背景光或脉冲光的采样信号的采样时长，截取平稳段中的一部分信号；上述做法避免了错误信号的混入，提高了采样精度，进而提高了去除背景的精度，有助于提高仪器的测量精度。
附图说明
图1是自准直仪的原理示意图；
图2是基于PSD器件的光电自准直仪信号处理流程图；
图3是光源调制法的原理示意图；
图4是PSD器件对经过频率调制的脉冲光的响应图；
图5是本发明的频率发生装置组成结构框图；
图6是本发明的频率发生装置的内部结构图；
图7是本发明的频率发生装置的输出波形。
图1中，31.反射镜，32.物镜，33.光源，34.星孔板，35.聚光镜，36.分光镜，37.目镜，38.感光器件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，包括频率发生装置，频率发生装置信号连接自准直仪的光源和PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路，自准直仪的光源的照射光经过自准直仪的反射镜，自准直仪光源的出射光照射在被测物的反射镜上，经反射镜反射的光束经光学系统汇聚到PSD器件，PSD器件连接电流/电压转换模块，将光信号转换为电压信号后传送到放大电路，放大电路的输出端连接PSD器件的PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路的输出端，PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路的输出端连接加法电路和减法电路，加法电路和减法电路连接除法电路的输入端，除法电路的输出端连接模拟/数字转换模块的输入端，模拟/数字转换模块的输出端连接LED显示模块；
如图2所示，以X端为例简述如下，光源频率调制系统的光源激励信号和采样保持信号分别与光源和采样保持电路相连，自准直仪光源的出射光照射在被测物的反射镜上，经反射镜反射的光束经光学系统汇聚在PSD器件的光敏面上，PSD器件的X端的输出电流Ix1、Ix2接入电流/电压转换模块的输入端，将电流信号转换为电压信号Vx1、Vx2并完成预放大，预放大电路输出端与去背景模块的输入端连接，去背景模块完成采样保持和去除背景信号功能，输出信号V1、V2与加法电路和减法电路连接，加法电路和减法电路的输出X1+X2、X1-X2分别连接除法电路的两个输入端，除法电路的输出即为X向位置，除法电路输出端连接模拟/数字转换模块的输入端，模拟/数字转换模块的输出端连接LED显示模块。
频率发生装置用于发出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率源，1路用于对自准直仪的激光光源进行频率调制；1路用于对PSD器件背景光产生的光电信号进行采样保持；1路用于对PSD器件脉冲光产生的光电信号进行采样保持。
如图5所示，频率发生装置包括核心器件CPLD芯片和外围电路，外围电路包括复位电路、时钟源、供电电路、电平转换电路接口和JTAG接口；CPLD芯片内部存储有控制脉冲生成的核心程序；当自准直仪电源接通后，复位电路首先工作，对CPLD器件进行复位，CPLD内部的程序在复位脉冲到来后，从程序头开始执行；时钟源为CPLD器件提供稳定可靠的频率源；供电电路为这个系统提供满足元器件要求的供电电源；电平转换电路实现LVTTL电平到TTL电平的转换功能，以满足信号处理单元中采样保持电路的工作需要；JTAG接口用于实现程序调试和烧写。
CPLD器件输出端口的电平满足LVTTL标准，而采样保持芯片的采样保持信号的输入电平应满足TTL标准，为实现两种电平的转换，本发明选用了LVC4245系列电平转换芯片，实现了0V～3.3V电平转换为0V～5V电平。顺利接入激光光源和采样保持芯片，实现所期望的功能。
频率发生装置的电平转换电路采用LVC4245系列芯片，用于将LVTTL电平转换为TTL电平。
如图6所示，频率发生装置内部包括脉冲信息寄存器模块、移位寄存器组模块、分频模块、控制模块、同步信号产生模块、延迟模块和周期脉冲发生器模块；脉冲信息寄存器模块的输出端信号连接移位寄存器模块的输入端，移位寄存器组模块的输出端分别连接周期脉冲发生器模块的输入端、同步信号产生模块的输入端和T触发器的输入端，分频模块的输出端和T触发器的输出端将输出的信号经过与运算后传输给控制模块，控制模块的输出端信号连接同步信号产生模块的输入端，同步信号产生模块的输出端信号连接延迟模块的输入端，延迟模块的输出端连接周期脉冲发生器模块的输入端，
脉冲信息寄存器模块用于将三路脉冲信号的时间按照延迟时间、高电平时间和低电平持续时间的顺序压入移位寄存器组模块中；每路脉冲信号包含延迟时间、低电平持续时间和高电平持续时间三个参数，它们都以系统内部时钟作为时间基准。其中，延迟时间表示3路脉冲信号相对于一个统一的起始同步脉冲的滞后时间间隔，因为起始标准一样，所以3路信号的相对延迟时间也可以确定；高电平持续时间，代表了脉冲有效的时间长度，用于触发被调制的光源或触发采样信号；低电平持续时间，代表了脉冲无效的时间长度，用于对背景光和脉冲光产生的电信号进行保持；高电平持续时间与低电平持续时间的和为一个采样周期，周期长度与光源调制周期一致。3路脉冲信号的频率相同，只是相互之间的相位延迟、高电平持续时间和低电平持续时间存在差异。
本发明的每路信号的延迟时间、低电平持续时间和高电平持续时间的数据宽度均为8位，调整范围是系统内部时钟频率的0～255倍，也可根据设计需要对数据宽度进行压缩或扩充，以满足更长的计数要求。
移位寄存器组模块将时间信息储存在内部对应的端口，并对写入的数据进行统计，当数据按照设定值装载完成后，移位寄存器组模块产生启动信号able，该启动信号able经过T触发器后打开内部时钟通道，控制模块接收到内部时钟后，产生同步信号产生模块需要的使能信号tongbu_en和整个脉冲发生器内部电路计数器的初始装载信号load；
同步信号产生模块生成延迟模块的使能信号delay_en，延迟模块根据每路信号的延迟时间，产生3路延迟信号触发周期脉冲发生器模块工作；
周期脉冲发生器模块根据收到的延迟信号启动内部计数器，根据预置的数据产生一定周期和脉宽的脉冲，即用于对激光光源进行频率调制的激光光源频率调制信号，用于对背景光产生的光电信号进行采样保持的背景光采样保持信号和用于对脉冲光产生的光电信号进行采样保持的脉冲光采样保持信号。
移位寄存器组模块产生启动信号able，触发T触发器翻转，使其输出高电平，启动内部时钟。
分频模块将外部晶振的10MHz信号分频，产生1kHz的方波信号，经与门送入各模块的时钟输入端，该1kHz信号作为频率发生装置内部的时钟信号，是频率发生装置内部各模块工作的时间频率基准。
同步信号产生模块产生的同步信号作为其他脉冲的定时标准，只输出一个脉冲。
本发明的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制方法，使用上述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，具体包括如下过程：
设计频率发生装置的结构，使其输出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率电源，其中，1路用于对激光光源进行频率调制、1路用于对背景光产生的光电信号进行采样保持、1路用于对脉冲光产生的光电信号进行采样保持；
根据光电器件的普遍特性和实测结果，PSD器件对照射在其光敏面上的光束产生对应电信号的速度会慢于光束的投射速度，存在一定的延时，即上升时间；当光束消失时，光电器件的输出信号的消失速度会慢于光束的消失速度，即下降时间。如果采样脉冲设定为与光源调制脉冲同频率同相位的信号，则采样所得信号中既包含PSD器件的上升段信号，也包含稳定段信号，由此会带来测量误差，影响仪器测量精度。因此，应根据PSD器件对光束的响应延时，调整采样脉冲相对光源调制脉冲的相位差至合理值，避开器件的光电响应的上升阶段；同时，采样脉冲的脉冲宽度，则是为了避开PSD器件对脉冲光信号的下降阶段，背景光采样信号和脉冲光采样信号均应避开上述过程。
根据PSD器件对脉冲光的响应延时，调整PSD器件的背景光采样信号与PSD器件的脉冲光采样信号对自准直仪的光源调制信号的延时，控制采样时机，获取稳定的光电信号，为后续处理电路提供正确可信的信号，自准直仪的脉冲光源到来前，只采集PSD器件的背景光信号，记为A，自准直仪的脉冲光源到来时，保持PSD器件的背景光信号采集，同时，采集自准直仪的脉冲光源到达PSD器件后的信号，采集的信号记为B，通过减法运算即B-A消除测量系统PSD器件的背景光信号，即得到了准确的测量信号，从而提高自准直仪的测量精度；
如图3所示，脉冲光到来前，采样脉冲1控制采样保持器1对背景信号进行采样并保持，当脉冲光到来时，采样保持2控制采样保持器2对脉冲光进行采样并保持，采样保持器1和采样保持器2所保持的信号，通过减法运算就可以消除测量系统的背景信号，大大增强了系统的抗背景光干扰的能力，提高了检测的精度。
频率发生装置的输出波形如图7所示，图中从上到下的3路信号分别为脉冲光源调制信号、脉冲光的采样保持信号和背景光的采样保持信号。

Claims (7)

1.用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，其特征在于，包括频率发生装置，所述频率发生装置信号连接自准直仪的光源和PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路，自准直仪的光源的照射光经过自准直仪的反射镜，自准直仪的反射镜将反射光发送到PSD器件，PSD器件连接电流/电压转换模块，将光信号转换为电压信号后传送到放大电路，放大电路的输出端连接PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路的输入端，PSD器件的采样保持电路和去背景减法电路的输出端连接加法电路和减法电路的输入端，加法电路和减法电路的输出端连接除法电路的输入端，除法电路的输出端连接模拟/数字转换模块的输入端，模拟/数字转换模块的输出端连接LED显示模块；
所述频率发生装置用于发出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率源，1路用于对自准直仪的激光光源进行频率调制；1路用于对PSD器件背景光产生的光电信号进行采样保持；1路用于对PSD器件脉冲光产生的光电信号进行采样保持。
2.如权利要求1所述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，其特征在于，所述频率发生装置内部包括脉冲信息寄存器模块、移位寄存器组模块、分频模块、控制模块、同步信号产生模块、延迟模块和周期脉冲发生器模块；所述脉冲信息寄存器模块的输出端信号连接所述移位寄存器模块的输入端，所述移位寄存器组模块的输出端分别连接所述周期脉冲发生器模块的输入端、所述同步信号产生模块的输入端和T触发器的输入端，所述分频模块的输出端和所述T触发器的输出端将输出的信号经过与运算后传输给所述控制模块，所述控制模块的输出端信号连接所述同步信号产生模块的输入端，所述同步信号产生模块的输出端信号连接所述延迟模块的输入端，所述延迟模块的输出端连接所述周期脉冲发生器模块的输入端。
3.如权利要求2所述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，其特征在于，所述脉冲信息寄存器模块用于将三路脉冲信号的时间按照延迟时间、高电平时间和低电平持续时间的顺序压入所述移位寄存器组模块中；
所述移位寄存器组模块将时间信息储存在内部对应的端口，并对写入的数据进行统计，当数据按照设定值装载完成后，所述移位寄存器组模块产生启动信号able，该启动信号able经过T触发器后打开内部时钟通道，所述控制模块接收到内部时钟后，产生所述同步信号产生模块需要的使能信号tongbu_en和整个脉冲发生器内部电路计数器的初始装载信号load；
所述同步信号产生模块生成所述延迟模块的使能信号delay_en，所述延迟模块根据每路信号的延迟时间，产生3路延迟信号触发所述周期脉冲发生器模块工作；
所述周期脉冲发生器模块根据收到的延迟信号启动内部计数器，根据预置的数据产生一定周期和脉宽的脉冲，即用于对激光光源进行频率调制的激光光源频率调制信号，用于对背景光产生的光电信号进行采样保持的背景光采样保持信号和用于对脉冲光产生的光电信号进行采样保持的脉冲光采样保持信号。
4.如权利要求2所述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，其特征在于，所述移位寄存器组模块产生启动信号able，触发T触发器翻转，使其输出高电平，启动内部时钟。
5.如权利要求2所述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，其特征在于，所述分频模块将外部晶振的10MHz信号分频，产生1kHz的方波信号，经与门送入各模块的时钟输入端，该1kHz信号作为频率发生装置内部的时钟信号，是频率发生装置内部各模块工作的时间频率基准。
6.如权利要求2所述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，其特征在于，所述同步信号产生模块产生的同步信号作为其他脉冲的定时标准，只输出一个脉冲。
7.用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制方法，其特征在于，使用如权利要求3所述的用于提高自准直仪测量精度的光源频率调制系统，具体包括如下过程：
设计所述频率发生装置的结构，使其输出3路频率相同、占空比和延时分别可调的脉冲频率电源，其中，1路用于对激光光源进行频率调制、1路用于对背景光产生的光电信号进行采样保持、1路用于对脉冲光产生的光电信号进行采样保持；
根据PSD器件对脉冲光的响应延时，调整PSD器件的背景光采样信号与PSD器件的脉冲光采样信号对自准直仪的光源调制信号的延时，控制采样时机，获取稳定的光电信号，为后续处理电路提供正确可信的信号，自准直仪的脉冲光源到来前，只采集PSD器件的背景光信号，记为A，自准直仪的脉冲光源到来时，保持PSD器件的背景光信号进行采集，同时，采集自准直仪的脉冲光源到达PSD器件后的信号，采集的信号记为B，通过减法运算即B-A消除测量系统PSD器件的背景信号，即得到了准确的测量信号，增强了系统的抗背景光干扰的能力，从而提高自准直仪的测量精度。
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