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论文案例大全-基于psd的激光三角测距仪非线性校正电路设计
时间:2021-04-01 11:24:13

  检测行业目前的主要发展趋势向着非接触式等方面进步,而激光三角测距仪应用了目前主要的非接触式测量方法之一——激光三角测量法。在基于位置敏感探测器(PSD)的激光三角测量中,激光照射到被测物体上会发生反射或者折射,经过透镜系统后会汇聚到处在透镜系统像面上的位置敏感探测器的光敏层表面,并形成光斑。当被测物体沿着激光方向移动时,在位置敏感探测器表面光敏层的光斑重心位置会发生改变,而这一改变和被测物面高度位置的变化的关系是非线性的。而当位置敏感探测器的光敏面感受到有光投射时,它的左右两个电极会根据光斑的重心位置产生一定比例的电流。根据这一特性,可以设计一个模拟电路来实现非线性校正功能,即在位置敏感探测器左右两个输出电极之后搭建模拟电路,这一模拟电路能够对它产生的两路电流信号进行处理运算,将位置敏感探测器左右两个输出电极在感受到光斑重心位置后产生的电流信号转换成为电压信号,之后再利用加法器、乘法器等对电压信号进行运算处理,使得模拟电路最后输出的电压信号与被测物面的高度位置变化量呈现出线性关系,让基于位置敏感探测器的测量系统的非线性得以补偿。

  1.1课题来源、目的与意义

  科技随着时代在不停地进步,进而推动着工业测量领域的进步,在这个背景下,检测行业对于测量的技术要求也在不断地提高,传统的测距技术已经满足不了当下的研究需要,所以优化测距技术必不可少,而在优化测距技术中,目前比较主流的发展趋势为:非接触式、高准确度、高响应速率、智能化等。在传统的接触式测量方法,它使用的接触式测量工具在接触被测物体时,会有接触压力的产生,从而导致形变,接触测头便会出现横向分辨率的问题,使测量的速度变慢,使得系统出现误差,影响测量的准确度、精度;另一个问题便是长时间的接触式测量会磨损物体的表面,使接触测头不再光滑,这样会大大增加测量所需的成本,这些缺点使得接触式测量无法满足当前行业对精度、成本等方面的要求,非接触式测量可以很好地解决这些问题。

  在非接触式测量中,光学非接触式测量是一个十分常见的方法。而在其中应用较好的则是光电法。光电法指的是光学器件接收光源经过光学系统的光束,因为光学系统的存在,被测物体和这一光学器件接收到的光信号有着一定的联系,而光学器件在感受到光信号之后,能够将其转换成为更加容易处理的电流信号或者电压信号,经过计算机软件或者硬件电路的处理运算之后,能够将我们所需的被测量结果显示出来。这一种检测方法能够检测被测物体的长度、高度、宽度、移动的距离等数据,而且他所能检测的物体种类也很多,精度较高,稳定性较好,不过比较容易受到环境的影响,但是它在几何量的检测领域方面仍然十分常见。

  当前时代光电技术的不断进步,很好地推动了激光三角测距技术的进步,相比于传统测距技术,非接触式激光三角测距技术的优势在于它使用方便,结构与操作较为简单,能够实时动态处理,检测速度有所提高,这些优势使得激光三角测距技术在行业中兴起并得到广泛的应用。

  位置敏感探测器是基于横向光电效应的半导体器件【1】,当有光入射到位置敏感探测器的光敏区域时,它能够检测出光点重心的位置,具有响应速度快、分辨率高、信号处理简单等优点,在一些测量过程中,位置敏感探测器上的位置信息可以间接表示出被测物体的角度、位移等变化,此时便可以使用位置敏感探测器元件代替一些传统的测量工具。

  激光三角测量方法是目前非接触式测量的重要方法之一,在目前的检测行业中有着广泛的应用。非镜面的物面感受到激光束时,会产生漫反射光斑,根据透镜成像原理,漫反射光被收集后汇聚到位置敏感探测器元件的光敏面上【2】。由于激光三角测量的倾斜光学成像特点,被测物面的高度位置变化与位置敏感探测器上光敏面中光点的位置变化关系是非线性的。在激光三角测量系统中,普遍使用两种光电传感器——电荷耦合元件与位置敏感探测器。一般来说,电荷耦合元件的信号处理方法数字的比较普遍,具有灵敏度高、体积小、响应快等特点,常用于高精度、低速场合;相反地,位置敏感探测器常用于中低精度、高速场合。在对激光三角测量进行非线性校正时,一般采用软件的方法或集成电路的数字硬件电路来实现;位置敏感探测器元件是一种电流输出的模拟器件,通常用专用的位置敏感探测器信号处理模块或类似的前置处理电路,输出与位置相关的电压信号,在使用模拟数字转换器进行模数转换后,在软件中用数字处理的方法进行校正。但在实际的应用中,软件处理的方式和响应的效率都会受到一定的限制,导致处理的实时性较差。

  本次研究旨在通过对激光三角测量的非线性数学关系特点进行分析,结合位置敏感探测器的特性,设计出一种校正电路,将非线性校正和位置敏感探测器的信号处理结合起来,在对位置敏感探测器信号处理的同时能够对激光三角测量的非线性进行校正,这一电路能够有效地缩减处理环节,降低实现难度,而且这一电路是通过完全的硬件处理,会大大地提高处理速度。

  1.2国内外研究现状及发展趋势

  自从上世纪60年代出现激光测微仪之后,激光测微器便一直在不停地发展进步,它的性能不断地加强,在检测这一领域得到了广泛的应用,逐渐成为非接触式测量的重要仪器之一。

  在欧洲以及美国等技术发达国家,光电子技术发展十分迅速,在很早以前便开始对激光三角法测量的理论进行研究,并且已经有相对来说功能比较齐全的测量仪器和光电检测产品问世。其中德国米铱公司的精密位移传感器optoNCDT系列,产品系列中1300、1401、1700和2200系列,使用了高分辨率的CCD以及CMOS数字感光片,1607系列使用了高频PSD模拟感光片。美国MTI公司推出的MicroTrack7000系列为高精度位移传感器,它的量程为0.12mm到78mm,共有7个规格,分辨率为0.002%到0.001%FS,其中量程0.12mm的一款传感器绝对分辨率可以达到0.0025μm,为业界最高水平。如下表1-1所示,表中所列的激光三角检测仪器指标是目前行业内较为普遍的。

  表1-1各个厂家的激光三角检测仪器信息

  厂家MICRO EPSILON MICRO EPSILON Keyence

  型号2200LL(高精度)2210(远距)LK-G150/155

  测量范围2-200mm 10-50mm 40mm

  线性0.03%0.05%1.00%

  分辨率0.0075μm 0.125μm 0.5μm

  虽然国内在光电检测技术上的起步相对来说较晚,对于激光位移传感器的研究还处于刚起步阶段,但是国内的一些机构对激光三角测量探头的研究一直没有停止,其中天津大学、中国科技大学等单位在这方面正在开展研究工作,华中科技大学和深圳光学电子科技有限公司合作研制LT系列的激光位移传感仪器,LT系列传感器共有6种规格,其工作距离为35mm到540mm,测量范围1mm到300mm,非线性0.1%FS,光斑尺寸50μm。

  对于位置敏感探测器来说,早在1930年横向光电效应便已经第一次进入人们的视野之中。而后在1957年Wallmark重新发现了这个效应,当光斑在器件上面移动时,距离1mm的两个电极之间的电压和这一光斑在器件上移动的距离成正比,并且用载流子复合理论对这一现象做了解释,同时还提出在检测光斑的位置时可以利用这一现象,在这之后,科学家们才开始逐步探索位置敏感探测器的相关内容并对它们进行深入的研究,不过后来成为位置敏感探测器的理论基础的还是由Lucovusky推导得出的描述横向光电效应的解析方程。而位置敏感探测器在国内的发展起步比较晚,在上世纪70年代左右,有关位置敏感探测器的报告才在国内出现,而且在当时也只是一些原理及特性方面的报道,在90年代的时候才开始着手研制位置敏感探测器。后来虽然也有部分研究机构开始生产位置敏感探测器,但是由于国内对位置敏感探测器比较陌生,对它了解的不够全面,产品的性能有所缺陷并且制造这一器件的成本过高等原因,产量没有上规模。但是随着近些年来位置敏感探测器的高速发展以及它在检测领域的广泛应用,我们国家也有越来越多的研究机构开始重视这一方面的研究,如半导体激光自动测量仪就是由中国计量科学研究院所研制的。表1-2展示了位置敏感探测器的主要类型的特点和性能。

  表1-2各类位置敏感探测器的信息

  类型电极型/Wallmark型双面分流直条形电极直角形电极

  电极特点电极设计为点状,使用时不加偏置电极放在PN结的两面光敏面周边带直线形边界,并带有电阻

  性能灵敏度、响应度和线性度较差电极间相互性影响小,线性度显著提高性能良好

  有关位置敏感探测器的应用方面,许许多多的领域都有在使用。在工业检测领域方面主要用于检测工件的运动与尺寸;在汽车雷达避障方面主要用于检测汽车周边有无障碍物;在土木水利工程方面主要检测建筑物等是否有发生形变或者损坏;在军事方面可以调整导弹的发射角度等;在空间航空航天领域可用于检测飞行器在对接过程中的状况等方面。

  位置敏感探测器的研究发展趋势主要有两大方面。一是器件性能的提高,位置敏感探测器的研究在最近几年已有进展,分辨率大大提高,研究主要从改善其线性度和稳定度方面下手。二是计算机技术及新的信号处理技术的研究与应用:在进行电路设计时,可以充分利用微机或单片机,借此使电路更加简洁,使系统设计更多变,且可实现大部分非理想因素(如非线性)的补偿,这样可以使测量精度得到很大的提升;而高速信号处理器的应用能够轻松完成这种信号处理算法,使得信号采集的速率有所提升,并且能够大大提高测量速度。

  1.3总体方案与预期目标

  本次研究的题目是基于PSD的激光三角测距仪非线性校正电路设计。通过对激光三角测量法的分析,并结合位置敏感探测器的特点,在位置敏感探测器的后方设计搭建一个校正电路,该电路能够将位置敏感探测器感受光点位置后产生的电流进行转换,将两路电流信号转换成为电压信号,再在电路中运用加法器、乘法器等元件进行操作处理,根据数学关系,选定电路中的电阻与电容大小,将电压信号最终处理成为与前方光学系统中被测物面的高度位置移动距离成线性关系的信号,以此达到凭借硬件电路整合来补偿激光三角测量法的非线性的目的。

  2方案论证

  2.1激光三角测量原理

  激光三角测量法指的是用一束激光从被测物体的上方射入,该激光与被测物体成一定角度,激光在照射到被测物体后,会产生反射或者散射现象。在另一个方向,利用透镜组构成的成像系统对激光的反射或者散射光进行汇聚成像。当激光照射到被测物体所产生的的光斑改变时,激光反射或者散射的角度也会随之发生变化,利用光学系统对光线进行汇聚,使得光斑的像点呈现在位置敏感探测器的光敏面上。当被测物体沿着激光照射的方向移动时,呈现在位置敏感探测器上的光斑像点位置也会发生改变。像点位置的改变和被测物体移动的距离有一定的关系,从而可以根据位置敏感探测器上的光斑像点位置来推测出被测物体的位移量,间接地实现测量。如图2-1所示,在满足激光三角测量条件时,当被测物面向上或向下移动时,他的高度位置发生了改变,进而使得位置敏感探测器上a,b,上的像点o,的位置也发生了改变。根据透镜成像原理和该结构的各项数据可以得到被测物体高度位置变化距离Z和像点在位置敏感探测器上的距离x的关系。

  图2-1激光三角测量原理图

  当被测物面向上移动时,从o点到b点所移动的距离为Z,而相应的,在位置敏感探测器上,像点也从o,点移动到了b,点,移动的距离为x。根据成像原理和几何关系,可以得到Z与x的关系式为:

  (2-1)

  式2-1中,α(即∠boo,)为入射激光与L(成像透镜)的主光轴的夹角;β(即∠a,o,o)为位置敏感探测器光敏面和L(成像透镜)的主光轴的夹角;d(即oL)为成像透镜光轴上的物距;d,(即o,L)为成像透镜光轴上的像距;Z为被测物面沿激光方向的位置变化;x为位置敏感探测器上成像点的位置变化【3】。

  通过式2-1可以发现,被测物面的位置变化Z与位置敏感探测器上的位置变化x是非线性的。

  2.2位置敏感探测器的工作原理与特性

  位置敏感探测器(PSD)是一种基于横向光电效应的半导体光学器件【4】,它的整体结构主要分为三层,分别为P、I、N三层,如图2-2所示,最上面的为P层,为光敏层,同时P层还是一个均匀电阻层,由半导体物质构成,且有两个信号输出电极分别分布在P层的左右两边;中间的I层称为电离层,比较厚,该层的光电转换效率较高、灵敏度较好且具有更快的响应速度;最底下的N层又叫做阴极层,反偏电压便加在由N层底部引出的公共电极上。

  图2-2 PSD结构图

  当有光照入射到PSD的光敏面上时,PSD会对这一入射光的光斑重心位置敏感,在P层如点点光斑重心位置的下方会有电荷产生,该电荷与入射光的光强成比例,并且沿着表层向左右两端的电极1、电极2流动从而形成光电流。如下图2-3所示:表面的光敏层电阻均匀,而电极1产生的光电流I1与在电极2产生的光电流I2入射光的光斑重心位置到左右两个电极的电阻R1和R2成反比,由此可以推断出左右两个电极输出的电流I1与I2和入射点到两端电极的距离成反比。

  图2-3 PSD等效电路图

  假设I为光在敏面形成的总电流,而负载电阻RL的阻值相对于光敏面的电阻R1和R2来说可以忽略不计,那么我们可以推断出:

  (2-2)

  (2-3)

  在式2-2与式2-3中,I1为从左端电极1输出的光电流,I2为从右端输出的光电流;R1和R2则为入射光的光斑重心位置和左右两电极间的电阻;XB为入射光的光斑重心位置与左端电极1的距离,L为PSD的光敏区域的总长度。由式2-2和式2-3可以得到:

  (2-4)

  (2-5)

  (2-6)

  在式2-6中,可以看到并没有总电流I的出现,由此可以推断,入射光的光强并不会影响PSD光敏面上光斑重心位置坐标XB,即位置敏感探测器输出的位置信息仅与入射光落在光敏面上的光斑中心位置有关,而与入射光的光强无关。

  位置敏感探测器作为探测的一种器件,它有着自身的优缺点,这些优缺点主要体现有以下几个方面。

  入射光在照射到位置敏感探测器表面光敏层时,所形成的光斑尺寸范围的大小对位置敏感探测的影响较小,即它的输出电流受光斑尺寸范围大小的限制较小,而只与入射光在照射到位置敏感探测器表面光敏层时所形成的光斑重心位置有关,这一特点会给实验测量的过程带来非常大的便利,但是需要注意的是,如果激光在汇聚之后形成的光斑重心处于表面光敏层的两端边缘区域时,就会形成部分光斑处于表面光敏层上,而另一部分处于表面光敏层外的现象,当出现这一状况之时,就会产生误差,而且落在光敏层上的光斑重心位置越靠近两端边缘区域,所带来的误差也就会越大,所以在实验过程中,应尽量使激光能够照射到位置敏感探测器表面光敏层的中间区段,同时也可以让激光汇聚之后在表面光敏层的所形成的光斑范围缩小,这些做法都能够减小实验测量中的误差。

  在使用位置敏感探测器之时,一般都会在其底部N层引出的公共电极上加入反偏电压,反偏电压能够有效提升位置敏感探测器的动态响应速度,同时也能够增强感光的灵敏度,但是反偏电压的存在会使得位置敏感探测器中的暗电流有所增加,进而增大噪声,降低信噪比,会使实验的测量产生一定的误差,因此要选取大小合适的反偏电压。

  在使用位置敏感探测器之时,必然会受到背景光源的影响,环境中一定会存在一定的背景光,而背景光的存在会使得位置敏感探测器的位置输出有一定的误差,表面光敏层两端电极输出的电流也会有所变化。消除背景光的影响的方法主要有三种,一种是在位置敏感探测器表面光敏层前方放置一片干涉滤光片,该滤波片的透过波长要与信号光源所匹配,这一方法可以将大部分的背景光过滤掉;另一种方法则是利用电路先检测出位置敏感探测器在仅有背景光条件下时,产生的电流大小,之后在实验过程中,将仅在背景光下产生的电流大小从输出电流中减去,这样一来便可以消除背景光的影响;还有一种方法便是在光源的选择上选择调制脉冲光,然后使用同步检波的方法,这样一来便可以滤过背景光。

  实验时环境的温度变化也会对实验的测量结果产生影响,当环境温度发生改变时,位置敏感探测器所产生的暗电流也会发生改变,暗电流会导致实验产生误差,所以在做实验时,应尽量消除暗电流的影响。

  2.3非线性校正电路的设计

  非线性补偿的方法主要有硬件电路的补偿和微机软件的补偿两种补偿方法。应用微机软件的补偿方法主要是利用微机的计算功能,将位置敏感探测器的输出值输入到微机软件中,通过计算的方法对检测系统进行补偿。另一种是采用硬件电路来进行补偿的方法,也是本次实验所采用的补偿方法,硬件电路的补偿方法主要通过模拟电路中各运算放大器乘法器等的组合,达到最后的输出与被测量成线性关系的目的。

  通过式2-1可以发现,被测物面的位置变化Z与位置敏感探测器上的位置变化x是非线性的;而通过式2-6可以看出,位置敏感探测器上的位置变化和位置敏感探测器表面光敏层左右两端电极所输出的电流I1与I2有关。为了校正基于PSD的激光三角测量中的非线性问题,将式2-1(被测物面沿激光方向的位移距离Z与位置敏感探测器上入射光的光斑重心位置XB的关系)和式2-6(位置敏感探测器上入射光的光斑重心位置XB和位置敏感探测器表面光敏层左右两端电极所输出的电流I1与I2的关系)联立,得出式2-7:

  (2-7)

  其中,,。

  通过式2-7可以看出,被测物面沿激光方向的位移距离Z和位置敏感探测器表面光敏层左右两端电极所输出的电流I1与I2不是线性关系。根据式2-7,我们可以测量出位置敏感探测器表面光敏层左右两端电极所输出的电流I1与I2的值,然后利用软件将被测物面沿激光方向的位移距离Z计算出来,但是由于运算速度会影响到软件处理的效率,所以不选择使用软件处理这一方法,而是采用在位置敏感探测器的后方设计搭建一个模拟电路的方法计算出被测物面沿激光方向的位移距离Z,根据式2-7可以知道,当模拟电路的输出电压V满足式2-8时,

  (2-8)

  其中P为比例常数,再联合式2-7可以得到:

  (2-9)

  其中,因为M、N都是激光三角测量系统中的结构参数,而L是位置敏感探测器光敏面的光敏区长度,均为已知数据,P为比例常数,所以式2-9中的Q/P也为常数,所以可以得出结论,式2-9中被测物面沿激光方向的位移距离Z与模拟电路的输出电压V呈现出线性关系。这样一来,基于PSD的激光三角测量中被测物面沿激光方向的位移距离Z和位置敏感探测器上入射光的光斑重心位置XB的非线性关系得到了补偿,模拟电路的输出电压V与被测物面沿激光方向的位移距离Z的线性关系得以实现。

  为了实现式2-7中所示的模拟电路的输出电压V与位置敏感探测器表面光敏层左右两端电极所输出的电流I1与I2的关系,所需要的模拟电路原理图如下图2-4所示:

  图2-4模拟电路原理图

  因为位置敏感探测器左右两端电极输出的是电流信号,而电流信号很难被处理成式2-8的关系,所以将位置敏感探测器左右两端电极输出的电流I1与I2先经过电流电压转换,转换成为比较容易处理的电压信号,后面再运用加法器与乘法器等进行运算处理,使得该模拟电路最终的输出电压V能满足以下关系式:

  (2-10)

  式中K为乘法乘法器的输出增益。

  当调整模拟电路中各电阻的阻值,使得之时,令,那么式2-10便和式2-8相对应,最终可以推出,即模拟电路的输出电压V与被测物面沿激光方向的位移距离Z成线性关系,同时如果改变电路中各电阻的阻值,还可以改变模拟电路的输出电压V与被测物面沿激光方向的位移距离Z之间的比值大小。

  3过程论述

  3.1系统结构参数的确定

  在前面激光三角测量的结构中,入射激光与L(成像透镜)的主光轴的夹角α(即∠boo,)为38.66°;位置敏感探测器光敏面和L(成像透镜)的主光轴的夹角β(即∠a,o,o)为59.26°;成像透镜光轴上的物距d(即oL)为64.03mm;成像透镜光轴上的像距d,(即o,L)为41.01mm。

  在位置敏感探测器方面,选择的是日本滨松的S3932,该位置敏感探测器的光敏面尺寸为1*12mm,即L=12mm。

  在前文中已经指出,,,。那么根据实验中所确定的一系列结构参数,可以计算出M=25.87mm,N=55.56mm,Q=17.61mm。

  若要使模拟电路的输出电压V与被测物面沿激光方向的位移距离Z成线性关系,那么电路中各个电阻首先要满足的是,已知M=25.87mm,L=12mm,那么电阻R1、R2、R3与R4要满足的条件为。

  3.2电路中的前置放大电路

  位置敏感探测器在感受到有光照射时,会在表面的光敏层左右两端的两个电极输出电流,但是由于电流信号不好直接在电路中处理,所以要先把电流信号转换成为电压信号,然后再在后面对电压信号进行处理。I1与I2和都要经过相同的转换,芯片选择的是OP07AH,因为该类芯片噪声较低,且它的失调电压也十分低,由此可见它在应用的时候一般来说并不需要对它进行调零操作,与此同时,芯片OP07AH的输入偏置电流也较低,它的开环增益比较大,这一些优点使得它在增强传感器的微小信号方面和高增益的检测系统中十分常见。

  电流电压转换电路主要有两种,第一种使用电阻进行转换,另一种是利用电容可以储能的特性,对流经电容的电流进行积分,从而输出相对应的电压信号。在本次设计中所使用的是利用运算放大器和电阻来进行电流电压的转换。

  在图3-1所示的电路中电流I1从位置敏感探测器的一端电极流出,流向芯片OP07AH的输入端,经过上方电阻R1后,输出端输出的电压值V1=-I1R1。同理,在位置敏感探测器的另一端,经过转换电路后得到的电压V2=-I2R2。在本实验中,选择电阻大小为R1=R2=1KΩ,C1=C2=10pF。

  图3-1电流电压转换电路

  3.3电路中的加法电路部分与乘法器

  图3-2加法器电路

  当位置敏感探测器两端电极输出的电流信号转换成为电压信号之后,下一步要做的便是将两路电压信号进行运算处理使它们的数学关系能够符合运算的需要。如图3-2所示为电路中的加法器,两路电流信号I1与I2分别经过电流电压转换电路之后,得到了两个电压信号V1和V2,这两个电压信号在经过加法电路之后使得芯片的输出端输出的电压信号V3。图中所示的加法器选用的芯片同样为OP07AH,利用电路中存在的虚短、虚断的情况,可以得到这一加法器电路最终输出的电压V3:

  (3-1)

  图3-3乘法器电路

  乘法器电路由一个乘法器、芯片OP07AH、电阻构成,该乘法器的Y输入端输入的电压信号为V3,另一个输入端X则与芯片的输出端相连接,输出端则通过电阻R7和V2一起连接到运算放大器的输入端。乘法器的输出增益为K,通过这一电路,可以计算出最终的输出电压V:

  (3-2)

  由前面可知,电阻R1、R2、R3与R4所要满足的条件为,并且已经确定电阻R1=R2=1KΩ,所以在这加法器与乘法器电路中,选择的各个电阻的阻值分别为:R3=1KΩ,R4=R5=680Ω,R6=R7=1KΩ。其中R4选择使用电位器,方便调节电阻大小。

  3.4前置放大电路的电流补偿

  在前面已经有提及到,在位置敏感探测器工作的时候,通常会在其底部N层引出的公共电极上加入反偏电压,以此来有效提升位置敏感探测器的动态响应速度,并增强其感光的灵敏度,但是反偏电压的存在会使得位置敏感探测器中的暗电流有所增加,进而增大噪声,降低信噪比,会使实验的测量产生一定的误差。同时,在做实验的时候,背景光也是不可忽略的因素之一,这两者都会对实验测量产生影响,引起误差。所以,还应设计一个电流补偿电路来消除这些影响。

  图3-4电流补偿电路

  如图3-4所示,采用的是电流补偿的方法,图中I0为从位置敏感探测器左右两端电极输出的电流。为了不产生其他新的误差,补偿电路中所采用的电压使用的是基准电压源,电阻也采用精度较高的电阻。具体的调节方法为:先关掉激光器,使得位置敏感探测器只感受到背景光的照射,同时在位置敏感探测器底部N层引出的公共电极上加入反偏电压,此时调节电流补偿电路中的电位器,并测量运放输出端的电压,调节电位器使得运放输出端的电压为零时即可。该电流补偿电路可以使暗电流产生的影响被消除,同时在背景光基本不变的情况下,也可以减少背景光对实验的影响。

  3.5校正电路设计图以及部分结果输出

  图3-5校正电路

  如图3-5所示为完整的校正电路设计图,位置敏感探测器表面的光敏层在感受到入射光的光斑重心位置信号后,在其左右两端的两个电极分别输出电流I1与I2,电流I1与I2的大小和位置敏感探测器表面光敏层上的光斑重心位置有关,两路电流各自经过一个前置放大电路处理之后转换成为在电路中更易处理的电压信号,这两路电压信号在经过加法器与乘法器等电路的加法除法处理运算之后,最终能够得到输出电压V,根据激光三角测量的结构参数和位置敏感探测器的特性,可以确定电路中的各电阻阻值和电容的大小,设计完成后该模拟电路的输出电压V与被测物面沿激光方向的位移距离Z成线性关系,即表示这一电路设计能够补偿激光三角测量中的非线性。

  在multisim中将上述电路图绘制好,通过调节电位器来改变位置敏感探测器表面光敏层左右两端电极输出电流的大小,即改变了激光入射到位置敏感探测器表面光敏层的光斑重心位置,然后运行这一电路进行仿真,部分仿真结果如下图3-6和3-7所示。

  图3-6光斑重心位置和电极1的距离为3mm与6mm时的仿真结果

  如图3-6所示,当光斑重心位置和电极1的距离为3mm的时候,输出的电压大小为328.911mV,输出信号从无到稳定所需的响应时间为639.205μs;当光斑中心位置和电极1的距离为6mm的时候,输出的电压大小为595.185mV,输出信号从无到稳定所需的响应时间为625.000μs。

  图3-7光斑重心位置和电极1的距离为9mm与12mm时的仿真结果

  如图3-7所示,当光斑重心位置和电极1的距离为9mm的时候,输出的电压大小为815.156mV,输出信号从无到稳定所需的响应时间为667.614μs;当光斑中心位置和电极1的距离为12mm的时候,输出的电压大小为999.943mV,输出信号从无到稳定所需的响应时间为696.023μs。

  4实验结果

  4.1校正之前被测物面的位移Z与输出电压V的非线性关系

  在校正之前,先对模拟电路的输出电压V和被测物面沿激光方向的位移距离Z之间的非线性关系进行测试。

  测试的方法为:通过调节电位器R4的电阻值,使得R4=R3=1KΩ,此时,电路的输出电压V和位置敏感探测器光敏面上入射光的光斑重心位置XB成线性关系,而和被测物面沿激光方向的位移距离Z则是非线性关系。然后通过调节电位器R8来改变电流I1与I2的输出值大小,运行模拟电路,然后测量电路的输出电压V的大小;被测物面沿激光方向的位移距离Z的大小则是通过数学式计算得到,然后将两者填入表格4-1进行观察计算。如表4-1所示,为校正前被测物面的位移Z和电路的输出电压V之间的关系。

  表4-1校正前被测物面的位移Z与输出电压V数据统计表

  光斑重心位置XB/mm 0 1 2 3 4 5 6

  被测物面的位移Z/mm 0 2.068 3.987 5.773 7.440 9.000 10.460

  电路的输出电压V/V 0 0.122 0.245 0.367 0.488 0.610 0.733

  光斑重心位置XB/mm 7 8 9 10 11 12

  被测物面的位移Z/mm 11.832 13.123 14.340 15.489 16.576 17.605

  电路的输出电压V/V 0.854 0.976 1.099 1.220 1.342 1.464

  通过表格4-1中的各项数据,绘制出校正前被测物面的位移Z和电路的输出电压V的关系曲线图,如图4-1所示:

  图4-1校正前被测物面的位移Z和输出电压V的关系曲线图

  图4-1所绘制的是在校正之前,被测物面的位移Z和输出电压V之间的关系曲线,该曲线经过二次拟合之后,所得到的关系式为:

  Z=-3.0828V2+16.41V+0.1009(4-1)

  该二次拟合的最大误差为0.0872mm,相对误差为0.49%。如果针对以上数据进行线性拟合,,那么拟合之后的关系式为:

  Z=11.896V+1.1112(4-2)

  该线性拟合的最大误差为0.9219mm,相对误差为5.23%。由此可以看出未经过校正时的电路对于测量被测物面的位移Z具有较大的误差。

  4.2校正之后被测物面的位移Z与输出电压V的线性关系

  为了使被测物面的位移Z和电路的输出电压V成线性关系,调节电位器R4,使得R4=680Ω,此时,电路的输出电压V和被测物面沿激光方向的位移距离Z是线性关系。然后通过调节电位器R8来改变电流I1与I2的输出值大小,运行模拟电路,然后测量电路的输出电压V的大小;被测物面沿激光方向的位移距离Z的大小则是通过数学式计算得到,然后将两者填入表格4-2进行观察计算。如表4-2所示,为校正后被测物面的位移Z和电路的输出电压V之间的关系。

  表4-2校正后被测物面的位移Z与输出电压V数据统计表

  光斑重心位置XB/mm 0 1 2 3 4 5 6

  被测物面的位移Z/mm 0 2.068 3.987 5.773 7.440 9.000 10.460

  电路的输出电压V/V 0 0.118 0.227 0.329 0.424 0.512 0.595

  光斑重心位置XB/mm 7 8 9 10 11 12

  被测物面的位移Z/mm 11.832 13.123 14.340 15.489 16.576 17.605

  电路的输出电压V/V 0.673 0.746 0.815 0.880 0.942 1.000

  通过表格4-2中的各项数据,绘制出校正后被测物面的位移Z和电路的输出电压V的关系曲线图,如图4-2所示:

  图4-2校正后被测物面的位移Z和输出电压V的关系曲线图

  图4-2所绘制的是在校正之后,被测物面的位移Z和输出电压V之间的关系曲线,该如果针对以上数据进行线性拟合,那么拟合之后的关系式为:

  Z=17.609V-0.0128(4-3)

  该线性拟合的最大误差为0.0134mm,相对误差为0.08%。由此可以看出电路在经过校正后,通过模拟电路的输出电压V来测量被测物面的位移Z具有较好的线性度。