CN102155929A

CN102155929A - 一种基于位置敏感探测器的位移测量装置及其运用方法

Info

Publication number: CN102155929A
Application number: CN 201110077243
Authority: CN
Inventors: 秦岚; 薛联; 席锋; 吴腾蛟; 段莹; 翟昌民
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-08-17

Abstract

一种基于位置敏感探测器的位移测量装置及其运用方法。本发明采用的位置敏感探测器为二维PSD；并重点对现有基于位置敏感探测器的位移测量装置中的信号处理模块进行了改进，对信号预处理模块进行了适应性改进，以确保在对数字信号进行处理的方法中，运用相位法。其运用方法的步骤中，包括了为运用相位法而进行的多光束调制，信号预处理及转换，后继数字化处理及转换等步骤，然后，利用FFT算法计算出各个频率信号对应的相位信息，进一步处理各个相位信息可获取多个光斑在PSD光敏面上的位移信息，从而实现对多光束的光斑位置精确测量。具有精度高、灵活性好、***稳定、信号处理电路简单、成本低等特点。

Description

一种基于位置敏感探测器的位移测量装置及其运用方法

技术领域

本发明涉及位移测量装置及运用，尤其涉及基于位置敏感探测器的位移测量装置及其运用。

背景技术

位置敏感探测器（Position Sensitive Detector，简称PSD）是一种对入射光斑重心位置敏感的半导体光电器件，它具有位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高，处理电路相对简单等优点，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的运用。基于位置敏感探测器的位移测量装置由四部分组成，它们是PSD、半导体激光源、电子处理单元和固定PSD与半导体激光源的相对位置的支架。其中， PSD有一维和二维之分。一维PSD有两个输出电极，可以测量半导体激光源的入射光斑在一个方向（通常称X方向）上的位置和/或位移，二维PSD可以看作是两个一维PSD的合成，可以确定多光束的所述入射光斑在PSD光敏面上（通常称X，Y方向上）的位置和/或位移。电子处理单元是为得出测距结果，而包括有信号预处理模块和后继信号处理模块的涉及信号处理方式的单元。在现有的信号处理方式中，信号预处理模块均是对所述入射光斑的模拟信号进行处理，而对于后继信号处理模块而言，又包括模拟信号处理和数字信号处理两种方式，这两种信号处理方式中所包含的计算方法，均是幅值法。现以二维PSD中的双面分流型PSD为例，简单介绍一下幅值法。

设PSD光敏面面积为

，输出电流为I1、I2、I3、I4，幅值法是利用入射光斑在X、Y方向上的位移与电流之间的关系来确定光斑位置坐标的，用以下公式来表示：

从上述式子可以看出，由于幅值法是对输出信号幅值进行处理，其对噪声信号十分敏感，因此，它存在对背景光感应敏感、抗干扰能力差、以及对光源要求高等不足。既然在数字信号处理的方法中，其计算方法采用幅值法带来如此之多的不足，为什么又不去采用其他计算方法呢？原因是现有的基于位置敏感探测器的位移测量装置只适用于幅值法。

发明内容

本发明的第一目的是，提供一种在其后继信号处理模块所用的数字信号处理中，其计算方法能够不用幅值法，进而能克服现有技术之不足的基于位置敏感探测器的位移测量装置。

本发明的第二目的是，提供一种采用实现第一发明目的之基于位置敏感探测器的位移测量装置，进而对背景光感应不敏感、抗干扰能力较强，能降低光源要求的运用方法。

为了实现所述第一发明目的，提供这样一种基于位置敏感探测器的位移测量装置，它与现有技术相同的方面是，该位移测量装置包括二维PSD，其入射光斑照射到该二维PSD光敏面上的半导体激光源，采集二维PSD的电流信号并进行预处理的信号预处理模块，进一步对预处理后的信号进行处理的数字信号处理模块。其改进之处是，所述信号预处理模块包括，实现电流信号到电压信号转换和初级放大的I/V转换模块，与该I/V转换模块连接且输出电压信号值为0～3V的次级放大模块和低通滤波模块；所述数字信号处理模块包括，A/D转换模块和DSP核心模块，其中，A/D转换模块包括均有8路输入的两个并联的多路模拟开关，分别与这两个多路模拟开关连接的两个采样保持器，与这两个采样保持器连接的采样保持器多路选择开关和与采样保持器多路选择开关连接的A/D转换器。

为了实现所述第二发明目的，提供一种基于位置敏感探测器的位移测量装置的运用方法，该运用方法所采用的位移测量装置是实现第一发明目的之方案的基于位置敏感探测器的位移测量装置；该运用方法的步骤如下：

（1）根据需要，经过不同频率调制出所述半导体激光源的多束正弦信号驱动光源，并让其照射在所述二维PSD光敏面上得到对应数量的入射光斑；

（2）通过所述信号预处理模块中的I/V转换模块，采集由各个入射光斑在所述二维PSD中的转换电流所叠加而成的四路输出电流，这四路输出电流分别是该二维PSD的X方向上2个电极的输出电流、Y方向上2个电极的输出电流；并通过该I/V转换模块实现所述输出电流到电压信号的转换和初级放大；然后，依次通过所述信号预处理模块中的次级放大模块和低通滤波模块，输出其值为0～3V的对应所述X方向的电压信号和对应所述Y方向的电压信号；

（3）通过所述A/D转换模块中的两个多路模拟开关和与它们分别对应的两个采样保持器，让所述X方向电压信号和所述Y方向电压信号实现其相位信息是采自同一时刻的同步锁存；然后，把同步锁存的所有电压信号依次通过所述采样保持器多路选择开关传送到所述A/D转换器中进行模数转换；

（4）把进行模数转换后所述电压信号传送到所述DSP核心模块中，以对所述电压信号的离散序列分别做N点的FFT运算，并将运算结果保存到该DSP核心模块内的存储空间；然后，继续对该运算结果分别求幅频特性，再根据幅频特性和初相位的关系求出各信号的初相位，进而求出X方向和Y方向上对应信号的相位差；该相位差进一步处理得到X方向和Y方向上的位置信息，最后以位置坐标的形式输出到显示装置中显示出来。

从实现第一发明目的和第二发明目的之方案中可以看出，本发明首先对数字信号处理模块进行了改进，同时也对信号预处理模块进行了适应性改进，这样一来，在对经过预处理后的电压信号进行后继的数字化处理时，就能够采用能克服现有技术之不足的相位法了。

由于经过不同频率调制的多束入射光斑照射在PSD光敏面上时，PSD将每束光斑转换为同频率的电流信号，其电极输出多个电流叠加的信号，这些叠加的信号具有特定的频率；又因PSD感应的背景光主要为白光噪声，其频率和PSD转换得到的电流信号频率不相关，在运用本装置及相位法后，1）由白光噪声产生的电流信号通过隔直和低通电路后能较好地滤除；2）未滤除的噪声（所有的电路都一定存在部分噪声）由于频率和有用信号频率不相关，且功率极小，故对本发明的基于位置敏感探测器的位移测量装置的测量精度的影响可以忽略，所以这种方法能有效地克服幅值法对背景光感应敏感、抗干扰能力差以及对光源要求高等缺点。简言之，与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1）降低了对光源的要求、提高了***的抗干扰能力，有效地扩展了PSD的运用范围，如背景光无法消除，无法提供高精度激光源的场合；

2）提高了***的稳定性、灵活性和测量精度；

3）信号处理电路进一步简化，降低了设计和运用成本。

附图说明

图1是本发明主要结构的示意图；

图2是本发明中二维PSD在入射光斑照射下的示意图；

图3是本发明的信号预处理模块框图；

图4是本发明的数字信号处理模块框图；

图5是本发明的A/D转换模块的结构示意图。

具体实施方式

一、一种基于位置敏感探测器的位移测量装置（参考图1、2、3、4、5），它包括二维PSD，其入射光斑照射到该二维PSD光敏面上的半导体激光源，采集二维PSD的电流信号并进行预处理的信号预处理模块，进一步对预处理后的信号进行处理的数字信号处理模块（本领域技术人员清楚，在实际运用的基于位置敏感探测器的位移测量装置中，还应包括固定PSD与半导体激光源的相对位置的支架，发出人工指令的操作键盘，显示指令和探测结果的显示器及其相应的键盘模块和显示模块）。在本发明中，所述信号预处理模块包括，实现电流信号到电压信号转换和初级放大的I/V转换模块，与该I/V转换模块连接且输出电压信号值为0～3V的次级放大模块和低通滤波模块；所述数字信号处理模块包括，A/D转换模块和DSP核心模块，（DSP为数字信号处理器Digital Signal Processor的简称），其中，所述A/D转换模块包括均有8路输入（ADCINA0～ADCINA7，ADCINB0～ADCINB7）的两个并联的多路模拟开关（MUXA、MUXB），分别与这两个多路模拟开关（MUXA、MUXB）连接的两个采样保持器（S/HA、S/HB），与这两个采样保持器（S/HA、S/HB）连接的采样保持器多路选择开关（S/H MUX）和与采样保持器多路选择开关（S/H MUX）连接的A/D转换器（A/D Converter）。

二、一种基于位置敏感探测器的位移测量装置的运用方法（参考图1、2、3、4、5），该运用方法所采用的位移测量装置是上述具体实施方式一的基于位置敏感探测器的位移测量装置；该运用方法的步骤如下：

（1）根据需要，经过不同频率

调制出所述半导体激光源的多束正弦信号驱动光源

，并让其照射在所述二维PSD光敏面上得到对应数量的入射光斑（A、B、C）；在图2中，A（x1，x2）、B（x2，x2）、C（x3，y3）分别表示A、B、C三个入射光斑在二维PSD光敏面的位置坐标。

（2）通过所述信号预处理模块中的I/V转换模块，采集由各个入射光斑在所述二维PSD中的转换电流所叠加而成的四路输出电流，这四路输出电流分别是该二维PSD的X方向（X1、X2）上2个电极的输出电流（I1、I2）、Y方向（Y1、Y2）上2个电极的输出电流（I3、I4）；并通过该I/V转换模块实现所述输出电流（I1、I2、I3、I4）到电压信号的转换和初级放大；然后，依次通过所述信号预处理模块中的次级放大模块和低通滤波模块，输出其值为0～3V的对应所述X方向的电压信号（U1、U2）和对应所述Y方向的电压信号（U3、U4）；

（3）通过所述A/D转换模块中的两个多路模拟开关（MUXA、MUXB）和与它们分别对应的两个采样保持器（S/HA、S/HB），让所述X方向电压信号（U1、U2）和所述Y方向电压信号（U3、U4）实现其相位信息是采自同一时刻的同步锁存；然后，把同步锁存的所有电压信号（U1、U2、U3、U4）依次通过所述采样保持器多路选择开关（S/H MUX）传送到所述A/D转换器（A/D Converter）中进行模数转换；

（4）把进行模数转换后所述电压信号（U1、U2、U3、U4）传送到所述DSP核心模块中，以对所述电压信号（U1、U2、U3、U4）的离散序列分别做N点的FFT运算（快速傅立叶变换），并将运算结果保存到该DSP核心模块内的存储空间；然后，继续对该运算结果分别求幅频特性，再根据幅频特性和初相位的关系求出各信号的初相位，进而求出X方向和Y方向上对应信号的相位差；该相位差进一步处理得到X方向和Y方向上的位置信息，最后以位置坐标的形式输出到显示装置中显示出来。

为协助更多的普通技术人员理解本发明，现以三束正弦信号驱动光源照射在二维PSD光敏面上，以X方向（图2中的X1、X2）的两路输出电流为例，分别介绍一下相位法的原理、利用FFT算法来实现鉴相的原理。

相位法的原理：

根据PSD的RC传输线模型，在同一方向上的两个电极输出信号的初相位

分别为：

其中，L表示PSD该方向上的光敏面长度；表示传输系数，其值由PSD的电参数决定。

通过选取典型的PSD电参数确定

，可推导出两电极的输出信号的相位差有较好的线性关系，从而可通过测量相位差来实现PSD光敏面上的入射光斑位置测量。

利用FFT运法来实现鉴相的原理：

设二维PSD在三束正弦汇聚光的照射下X方向的两个输出电流（I1、I2）分别为：

式（3）中，

为电流I1的直流分量，、

和分别是角频率为

的正弦调制光在X1电极处产生的电流，其初相位分别为

；式（4）中各项含意与式（3）各项含意一一对应，不赘述。

设三束正弦信号对应的三个驱动光源的信号频率对应为

，A/D转换器采样频率为

，对序列做N点FFT运算，则频率分辨率为

。

对于不同的信号频率

条件时，该频率信号在功率上正好对应于一条谱线。功率谱值最大的谱线就是信号的功率谱线。当以及FFT运算的点数N已知的条件下，即可以通过

求出功率谱最大值出现在第

个频率上，这样只需要在幅度谱上取相应的频谱的实部

，则可以得到信号的初始相位：

上式中，n取值为1、2、3，这样就得到了X方向上X1电极输出信号所包含的3个频率

信号的初相位

；同理，对于X方向上X2电极输出信号所包含的3个频率成分信号的初相位有：

式中n取值为1、2、3，

和式（5）中所指代的意义一样，其值由X2电极的输出信号确定。按式（6）求出

后，便可求出频率为的信号激励的光源在X方向两个电极上产生的3个相位差

（n取值为1、2、3）。

至此，FFT算法实现了一个方向上多光束的鉴相。

然后，将获得的相位差通过式（1）、（2）对位移进行解耦运算得到对应光斑在X方向上的位移。

同理，按照上述方法可得到这些光斑在Y方向上的位移，最后将运算结果显示在显示器上，以光点位置坐标形式显示出来。

本发明的通过了试验验证。验证时，二维PSD采用日本滨松公司的S1300型号的双面分流型PSD，其有效光敏面为13mm×13mm，如图2所示，三束入射光为采用正弦信号调制的红光LED汇聚光，频率分别为20KHz、40KHz和80KHz；每一束光照射在PSD表面上都将产生相应的电流，X1、X2、Y1和Y2上的输出电流I1、I2、I3和I4是多个电流的叠加；这几路电流经过I/V转换和次级放大以及低通滤波后变成0～3V电压信号U1、U2、U3和U4。其中I/V转换模块采用型号为AD620的仪用放大器，并配置接地电容构成第一级低通滤波和初级放大；次级放大模块采用通用放大器OP07，将电压进一步放大；然后将这几路电压信号通过一阶RC低通电路进行防混叠滤波，输出U1～U4。

本实例中采用的DSP芯片为TI公司推出的32位高性能DSP TMS320F2812，其集成了16通道的12位高速模数转换器（TMS320F2812芯片包括了图4中DSP核心模块和A/D转换模块），最高同步采样率可达到12.5MSPS；A/D转换模块自身集成多路电子开关、双采样保持器和A/D转换器（A/D转换模块集成了图5中的所有组成部分），运用中需编写AD采样和转换程序；实验中设置采样率为10240KHz，分别对每一路信号采集1024点，将采集到的离散序列分别保存到DSP片内RAM中，F2812可支持最大4M的程序存储空间和4M数据存储空间；通过对各个离散序列做1024点FFT运算，并将运算结果保存到该DSP核心模块内的存储空间；然后，继续对该运算结果分别求幅频特性，再根据幅频特性和初相位的关系求出各信号的初相位，进而求出X方向和Y方向上对应信号的相位差；该相位差进一步处理得到X方向和Y方向上的位置信息，最后以位置坐标的形式输出到LCD中显示出来。

采用本发明的装置及运用方法，可以实现对多光束的位置和空间姿态进行精确测量。该装置具有稳定性好、测量精度高、抗干扰能力强等特点，特别适用于有背景光干扰环境下的多光束检测。和基于幅值法的PSD测量***相比，具有环境适应性好、设计简单、成本低等优势。这在要求在线、高精度、测量环境复杂的多光束检测场合和科研领域尤其具有实际意义。

Claims

1.一种基于位置敏感探测器的位移测量装置，它包括二维PSD，其入射光斑照射到该二维PSD光敏面上的半导体激光源，采集二维PSD的电流信号并进行预处理的信号预处理模块，进一步对预处理后的信号进行处理的数字信号处理模块，其特征在于，所述信号预处理模块包括，实现电流信号到电压信号转换和初级放大的I/V转换模块，与该I/V转换模块连接且输出电压信号值为0～3V的次级放大模块和低通滤波模块；所述数字信号处理模块包括，A/D转换模块和DSP核心模块，其中，所述A/D转换模块包括均有8路输入（ADCINA0～ADCINA7，ADCINB0～ADCINB7）的两个并联的多路模拟开关（MUXA、MUXB），分别与这两个多路模拟开关（MUXA、MUXB）连接的两个采样保持器（S/HA、S/HB），与这两个采样保持器（S/HA、S/HB）连接的采样保持器多路选择开关（S/H MUX）和与采样保持器多路选择开关（S/H MUX）连接的A/D转换器（A/D Converter）。

2.一种基于位置敏感探测器的位移测量装置的运用方法，其特征在于，该运用方法所采用的位移测量装置是权利要求1所述的基于位置敏感探测器的位移测量装置；该运用方法的步骤如下：

（1）根据需要，经过不同频率

调制出所述半导体激光源的多束正弦信号驱动光源

，并让其照射在所述二维PSD光敏面上得到对应数量的入射光斑（A、B、C）；

（4）把进行模数转换后所述电压信号（U1、U2、U3、U4）传送到所述DSP核心模块中，以对所述电压信号（U1、U2、U3、U4）的离散序列分别做N点的FFT运算，并将运算结果保存到该DSP核心模块内的存储空间；然后，继续对该运算结果分别求幅频特性，再根据幅频特性和初相位的关系求出各信号的初相位，进而求出X方向和Y方向上对应信号的相位差；该相位差进一步处理得到X方向和Y方向上的位置信息，最后以位置坐标的形式输出到显示装置中显示出来。