CN213302514U - 一种相位测距仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种相位测距仪，其中，该相位测距仪包括光机本体，光敏元件，发射激光管，单片机，频率产生模块，主振电路，本振电路和运算放大电路；光敏元件及运算放大电路根据接收到的待测目标反射的光线产生电压信号；单片机根据电压信号控制频率产生模块产生相应的两路频率信号；两路频率信号分别经过主振电路与本振电路进行滤波并作用到发射激光管及光敏元件。本申请实施例通过单片机根据不同光线的光照强度下的电压信号控制频率产生模块产生相应的两路频率信号，分别经过主振电路和本振电路进行滤波并作用到发射激光管及光敏元件，可以实现在光线较强或者较弱的条件下，均能对待测目标进行测距的目的。

Description

一种相位测距仪

技术领域

本申请涉及测距技术领域，具体而言，涉及一种相位测距仪。

背景技术

相位测距仪的工作原理是通过测量连续的调制光波往返距离产生的相位延迟，间接地测定光在空气中往返于相位测距仪和待测目标间的飞行时间，从而计算出被测距离。

现有相位测距仪一般在室内使用。若待测目标表面的光线较强时，由于受到光照强度的影响，导致测距困难。为了达到室内光线较弱的条件下的精度，调制在半导体激光管和光电二极管上的频率一般设置较高，导致调制在激光二极管上的交流分量较小，产生的交流光能量较弱，测距能力较差。

实用新型内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种相位测距仪，以实现在光线较强或者较弱的条件下，均能对待测目标进行测距的目的。

第一方面，本申请实施例提供了一种相位测距仪，包括光机本体、光敏元件、发射激光管、单片机、频率产生模块、主振电路、本振电路和运算放大电路；

所述光敏元件与所述运算放大电路和所述本振电路连接；所述单片机与所述运算放大电路、所述主振电路、所述本振电路和所述频率产生模块连接；所述主振电路与所述发射激光管连接；

所述主振电路包括第一模拟开关、第一主振滤波器和第二主振滤波器；

所述本振电路包括第二模拟开关、第一本振滤波器和第二本振滤波器；

所述光敏元件根据接收到的待测目标反射的光线产生电流信号；所述运算放大电路将所述电流信号转换成电压信号；

当所述电压信号的电压值小于预设电压值时，所述单片机根据所述电压信号控制所述频率产生模块产生第一频率信号和第二频率信号，并且所述单片机控制所述第一模拟开关切换到所述第一主振滤波器，所述单片机控制所述第二模拟开关切换到所述第一本振滤波器；所述第一频率信号经过所述第一主振滤波器滤波后，控制所述发射激光管发射与所述第一频率信号的频率相同的激光；所述光敏元件将所述激光与经过所述第一本振滤波器滤波后的所述第二频率信号混频，得到第一混频信号；所述单片机根据所述第一混频信号计算得到第一相位差信号；

当所述电压信号的电压值大于预设电压值时，所述单片机根据所述电压信号控制所述频率产生模块产生第三频率信号和第四频率信号，并且所述单片机控制所述第一模拟开关切换到所述第二主振滤波器，所述单片机控制所述第二模拟开关切换到所述第二本振滤波器；所述第三频率信号经过所述第二主振滤波器滤波后，控制所述发射激光管发射与所述第三频率信号的频率相同的激光；所述光敏元件将所述激光与经过所述第二本振滤波器滤波后的所述第四频率信号混频，得到第二混频信号；所述单片机根据所述第二混频信号计算得到第二相位差信号。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，

所述光敏元件为雪崩光电二极管或光电二极管。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，

所述主振电路还包括：第一高频放大电路；所述第一高频放大电路用于放大电压信号；

所述本振电路还包括：第二高频放大电路；所述第二高频放大电路用于放大电压信号；

所述第一模拟开关包括：第一子模拟开关和第二子模拟开关；

所述第二模拟开关包括：第三子模拟开关和第四子模拟开关。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，

所述单片机包括：模拟数字转换器即AD转化；所述单片机及所述模拟数字转换器将所述第一相位差信号转换成第一距离信号；所述单片机及所述模拟数字转换器将所述第二相位差信号转换成第二距离信号。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，

所述预设电压值为1.5V。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，

所述频率产生模块为直接数字式频率合成器或分立的锁相环。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，

所述光线的光照强度与所述电流信号的电流值成正相关，所述电流信号的电流值与所述电压信号的电压值成负相关，所述电压信号的电压值与所述第一频率信号的频率、所述第二频率信号的频率、所述第三频率信号的频率及所述第四频率信号的频率成正相关。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，

还包括：光学发射系统；所述光学发射系统由多个第一光学镜片组成；所述光学发射系统连接所述发射激光管；所述光学发射系统用于对所述发射激光管发出的激光进行准直，并将准直后的激光进行发射。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，

还包括：光学接收系统；所述光学接收系统由多个第二光学镜片组成；所述光学接收系统连接所述光敏元件；所述光学接收系统用于接收所述待测目标反射的光线，并对所述待测目标反射的光线进行聚集，使所述光敏元件受光。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，

所述第三频率信号的频率大于所述第一频率信号的频率，所述第四频率信号的频率大于所述第二频率信号的频率。

本申请实施例提供的一种相位测距仪，包括光机本体，光敏元件，发射激光管，单片机，频率产生模块，主振电路，本振电路和运算放大电路；光敏元件及运算放大电路根据接收到的待测目标反射的光线产生电压信号；单片机根据电压信号控制频率产生模块产生相应的两路频率信号；两路频率信号分别经过主振电路与本振电路进行滤波并作用到发射激光管及光敏元件。本申请实施例通过单片机根据不同光线的光照强度下的电压信号控制频率产生模块产生相应的两路频率信号，分别经过主振电路和本振电路进行滤波并作用到发射激光管及光敏元件，可以实现在光线较强或者较弱的条件下，均能对待测目标进行测距的目的。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种相位测距仪的结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的主振电路的电路图；

图3示出了本申请实施例所提供的本振电路的电路图；

图4示出了本申请实施例所提供的第二种相位测距仪的结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的第三种相位测距仪的结构示意图。

图标：(1)光敏元件；(2)运算放大电路；(3)单片机；(4)频率产生模块；(5)主振电路；(6)本振电路；(7)发射激光管；(8)第一模拟开关；(9)第一主振滤波器；(10)第二主振滤波器；(11)第二模拟开关；(12)第一本振滤波器；(13)第二本振滤波器；(14)光学发射系统；(15)光学接收系统；(301)模拟数字转换器；(801)第一子模拟开关；(802)第二子模拟开关；(1101)第三子模拟开关；(1102)第四子模拟开关。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

相位测距仪的工作原理是通过测量连续的调制光波往返距离产生的相位延迟，间接地测定光在空气中往返于相位测距仪和待测目标间的飞行时间，从而计算出被测距离。

现有相位测距仪一般在室内使用。若待测目标表面的光线较强时，由于受到光照强度的影响，导致测距困难。为了达到室内光线较弱的条件下的精度，调制在半导体激光管和光电二极管上的频率一般设置较高，导致调制在激光二极管上的交流分量较小，产生的交流光能量较弱，测距能力较差。

考虑到现有相位测距仪由于阳光的干扰无法实现室外测距。基于此，本申请实施例提供了一种相位测距仪，下面通过实施例进行描述。为便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种相位测距仪进行详细介绍。

本申请实施例提供了一种相位测距仪，应用于测量待测目标与相位测距仪之间的距离，具体可以应用于测量在光线较强时与待测目标之间的距离，也可以应用于测量在光线较弱时与待测目标之间的距离。

如图1所示，为一种相位测距仪的结构示意图，包括光机本体、光敏元件(1)、运算放大电路(2)、单片机(3)、频率产生模块(4)、主振电路(5)、本振电路(6)和发射激光管(7)。

光敏元件(1)与运算放大电路(2)和本振电路(6)连接；单片机(3)与运算放大电路(2)、频率产生模块(4)、主振电路(5)和本振电路(6)连接；主振电路(5)与发射激光管(7)连接。

如图2所示的主振电路的电路图中，主振电路(5)包括第一模拟开关(8)、第一主振滤波器(9)和第二主振滤波器(10)。其中，第一模拟开关(8)具体可以包括：第一子模拟开关(801)和第二子模拟开关(802)。

如图3所示的本振电路的电路图中，本振电路(6)包括第二模拟开关(11)、第一本振滤波器(12)和第二本振滤波器(13)。其中，第二模拟开关(11)具体可以包括：第三子模拟开关(1101)和第四子模拟开关(1102)。

光敏元件(1)根据接收到的待测目标反射的光线产生电流信号；运算放大电路(2)将电流信号转换成电压信号；

当电压信号的电压值小于预设电压值时，单片机(3)根据电压信号控制频率产生模块(4)产生第一频率信号和第二频率信号，并且单片机(3)控制第一模拟开关(8)切换到第一主振滤波器(9)，单片机(3)控制第二模拟开关(11)切换到第一本振滤波器(12)；第一频率信号经过第一主振滤波器(9)滤波后，控制发射激光管(7)发射与第一频率信号的频率相同的激光；光敏元件(1)将激光与经过第一本振滤波器(12)滤波后的第二频率信号混频，得到第一混频信号；单片机(3)根据第一混频信号计算得到第一相位差信号；

当电压信号的电压值大于预设电压值时，单片机(3)根据电压信号控制频率产生模块(4)产生第三频率信号和第四频率信号，并且单片机(3)控制第一模拟开关(8)切换到第二主振滤波器(10)，单片机(3)控制第二模拟开关切(11)换到第二本振滤波器(13)；第三频率信号经过第二主振滤波器(10)滤波后，控制发射激光管(7)发射与第三频率信号的频率相同的激光；光敏元件(1)将激光与经过第二本振滤波器(13)滤波后的第四频率信号混频，得到第二混频信号；单片机(3)根据第二混频信号计算得到第二相位差信号。

基于上述相位测距仪，当待测目标表面的光线较强时，相位测距仪可以自动切换到第一主振滤波器与第一本振滤波器，并输出第一频率信号与第二频率信号；具体地，当待测目标表面的光线较强时，转化成的电压信号的电压值较低，单片机根据电压信号控制频率产生模块产生第一频率信号和第二频率信号，并且单片机控制第一模拟开关切换到第一主振滤波器，单片机控制第二模拟开关切换到第一本振滤波器。当待测目标表面无阳光照射时，相位测距仪可以自动到第二主振滤波器与第二本振滤波器，并输出第三频率信号与第四频率信号。具体地，当待测目标表面的光线较弱时，转化成的电压信号的电压值较高，单片机根据电压信号控制频率产生模块产生第三频率信号和第四频率信号，并且单片机控制第一模拟开关切换到第二主振滤波器，单片机控制第二模拟开关切换到第二本振滤波器。

具体地，光敏元件(1)为雪崩光电二极管或光电二极管，频率产生模块(4)为直接数字式频率合成器或分立的锁相环。

具体地，主振电路还包括：第一高频放大电路；第一高频放大电路用于放大电压信号；本振电路还包括：第二高频放大电路；第二高频放大电路用于放大电压信号。

具体地，如图4所示的第二种相位测距仪的结构示意图中，单片机(3)包括模拟数字转换器(301)，单片机(3)及模拟数字转换器(301)将第一相位差信号转换成第一距离信号，单片机(3)及模拟数字转换器(301)将第二相位差信号转换成第二距离信号。

具体地，预设电压值为1.5V。

具体地，光线的光照强度与电流信号的电流值成正相关，电流信号的电流值与电压信号的电压值成负相关，电压信号的电压值与第一频率信号的频率、第二频率信号的频率、第三频率信号的频率及第四频率信号的频率成正相关。

具体地，如图5所示的第三种相位测距仪的结构示意图中，还包括光学发射系统(14)；光学发射系统(14)由多个第一光学镜片组成；光学发射系统(14)连接发射激光管；光学发射系统(14)用于对发射激光管发出的激光进行准直，并将准直后的激光进行发射。

具体地，如图5所示的第三种相位测距仪的结构示意图中，还包括光学接收系统(15)；光学接收系统(15)由多个第二光学镜片组成；光学接收系统(15)连接光敏元件；光学接收系统(15)用于接收待测目标反射的光线，并对待测目标反射的光线进行聚集，使光敏元件受光。

具体地，第三频率信号的频率大于第一频率信号的频率，第四频率信号的频率大于第二频率信号的频率。

光敏元件根据接收到的待测目标反射的光线的强弱，产生不同的电流信号；运算放大电路将电流信号转换成电压信号。

下面将具体介绍待测目标表面的光线的光照强度大于一定阈值时，该相位测距仪的工作原理：

待测目标表面光照强度越大时，雪崩光电二极管根据接收到的待测目标反射的光线产生的电流信号越大，电流信号经过运算放大电路转换成电压信号，电流信号越大，转换成的电压信号越小。当电压信号小于1.5V时，单片机通过检测到的电压信号，控制直接数字式频率合成器产生第一频率信号和第二频率信号，并且控制第一子模拟开关和第二子模拟开关连接到第一主振滤波器，第三子模拟开关和第四子模拟开关连接到第一本振滤波器。具体地，由于电压信号小于1.5V，因此产生的第一频率信号与第二频率信号为低频信号。

第一频率信号经过第一主振滤波器滤波后，作用在发射激光管上，控制发射激光管发射与第一频率信号的频率相同的激光。该激光经过光学发射系统，通过光学发射系统中的光学镜片将发射激光管发出的激光进行准直，并将准直后的激光进行发射。从待测目标反射回来的激光经过光学接收系统，通过光学接收系统中的光学镜片将待测目标反射回来的光线进行聚集，使雪崩光电二极管受光。

第二频率信号作用在雪崩光电二极管，与反射回来的与第一频率信号相同频率的激光经过雪崩光电二极管进行混频，产生第一混频信号，将得到的第一混频信号进行滤波，相位计算，得到第一相位差信号。通过单片机和模拟数字转换器把第一相位差信号转换成第一距离信号。

在待测目标表面光照强度大时，通过切换第一主振滤波器和第一本振滤波器，使得产生的第一频率信号与第二频率信号为低频信号，从而保证测距更远。

下面将具体介绍待测目标表面的光线的光照强度小于一定阈值时，该相位测距仪的工作原理：

待测目标表面光照强度越小时，雪崩光电二极管根据接收到的待测目标反射的光线产生的电流信号越小，电流信号经过运算放大电路转换成电压信号，电流信号越小，转换成的电压信号越大。当电压信号大于1.5V时，单片机通过检测到的电压信号，控制直接数字式频率合成器产生第三频率信号和第四频率信号，并且控制第一子模拟开关和第二子模拟开关连接到第二主振滤波器，第三子模拟开关和第四子模拟开关连接到第二本振滤波器。具体地，由于电压信号大于1.5V，因此产生的第三频率信号与第四频率信号为高频信号。

第三频率信号经过第二主振滤波器滤波后，作用在发射激光管上，控制发射激光管发射与第三频率信号的频率相同的激光。该激光经过光学发射系统，通过光学发射系统中的光学镜片将发射激光管发出的激光进行准直，并将准之后的激光进行发射。从待测目标反射回来的激光经过光学接收系统，通过光学接收系统中的光学镜片将待测目标反射回来的光线进行聚集，使雪崩光电二极管受光。

第四频率信号作用在雪崩光电二极管，与反射回来的与第三频率信号相同频率的激光经过雪崩光电二极管进行混频，产生第二混频信号，将得到的第二混频信号进行滤波，相位计算，得到第二相位差信号。通过单片机和模拟数字转换器把第二相位差信号转换成第二距离信号。

在待测目标表面光照强度小时，通过切换第二主振滤波器和第二本振滤波器，使得产生的第三频率信号与第四频率信号为高频信号，从而保证测距更精准。

基于上述分析可知，通过自动切换主振电路和本振电路的频率及与频率匹配的滤波器，在待测目标表面的光线的光照强度大于一定阈值的情况下，产生低频信号，保证测距更远；在待测目标表面的光线的光照强度小于一定阈值的情况下，产生高频信号，保证测距更精准。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种相位测距仪，包括光机本体、光敏元件和发射激光管，其特征在于，还包括：单片机、频率产生模块、主振电路、本振电路和运算放大电路；

所述光敏元件与所述运算放大电路和所述本振电路连接；所述单片机与所述运算放大电路、所述主振电路、所述本振电路和所述频率产生模块连接；所述主振电路与所述发射激光管连接；

所述主振电路包括第一模拟开关、第一主振滤波器和第二主振滤波器；

所述本振电路包括第二模拟开关、第一本振滤波器和第二本振滤波器；

所述光敏元件根据接收到的待测目标反射的光线产生电流信号；所述运算放大电路将所述电流信号转换成电压信号；

当所述电压信号的电压值小于预设电压值时，所述单片机根据所述电压信号控制所述频率产生模块产生第一频率信号和第二频率信号，并且所述单片机控制所述第一模拟开关切换到所述第一主振滤波器，所述单片机控制所述第二模拟开关切换到所述第一本振滤波器；所述第一频率信号经过所述第一主振滤波器滤波后，控制所述发射激光管发射与所述第一频率信号的频率相同的激光；所述光敏元件将所述激光与经过所述第一本振滤波器滤波后的所述第二频率信号混频，得到第一混频信号；所述单片机根据所述第一混频信号计算得到第一相位差信号；

当所述电压信号的电压值大于预设电压值时，所述单片机根据所述电压信号控制所述频率产生模块产生第三频率信号和第四频率信号，并且所述单片机控制所述第一模拟开关切换到所述第二主振滤波器，所述单片机控制所述第二模拟开关切换到所述第二本振滤波器；所述第三频率信号经过所述第二主振滤波器滤波后，控制所述发射激光管发射与所述第三频率信号的频率相同的激光；所述光敏元件将所述激光与经过所述第二本振滤波器滤波后的所述第四频率信号混频，得到第二混频信号；所述单片机根据所述第二混频信号计算得到第二相位差信号。

2.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述光敏元件为雪崩光电二极管或光电二极管。

3.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述主振电路还包括：第一高频放大电路；所述第一高频放大电路用于放大电压信号；

所述本振电路还包括：第二高频放大电路；所述第二高频放大电路用于放大电压信号；

所述第一模拟开关包括：第一子模拟开关和第二子模拟开关；

所述第二模拟开关包括：第三子模拟开关和第四子模拟开关。

4.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述单片机包括：模拟数字转换器；所述单片机及所述模拟数字转换器将所述第一相位差信号转换成第一距离信号；所述单片机及所述模拟数字转换器将所述第二相位差信号转换成第二距离信号。

5.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述预设电压值为1.5V。

6.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述频率产生模块为直接数字式频率合成器或分立的锁相环。

7.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述光线的光照强度与所述电流信号的电流值成正相关，所述电流信号的电流值与所述电压信号的电压值成负相关，所述电压信号的电压值与所述第一频率信号的频率、所述第二频率信号的频率、所述第三频率信号的频率及所述第四频率信号的频率成正相关。

8.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，还包括：光学发射系统；所述光学发射系统由多个第一光学镜片组成；所述光学发射系统连接所述发射激光管；所述光学发射系统用于对所述发射激光管发出的激光进行准直，并将准直后的激光进行发射。

9.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，还包括：光学接收系统；所述光学接收系统由多个第二光学镜片组成；所述光学接收系统连接所述光敏元件；所述光学接收系统用于接收所述待测目标反射的光线，并对所述待测目标反射的光线进行聚集，使所述光敏元件受光。

10.根据权利要求1所述的相位测距仪，其特征在于，所述第三频率信号的频率大于所述第一频率信号的频率，所述第四频率信号的频率大于所述第二频率信号的频率。

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