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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于PSD的高速激光距离传感器的信号检测与处理 姓名：莫伟 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：杨克成 20080524 摘 要 现代工业的飞速发展对距离测量提出了越来越高的要求。与传统的测量手段不同， 高速激光距离传感器可对高速运动中的目标进行非接触、短测程、高精度的距离测量， 对于军事和民用范围内的应用都有着重要的研究意义。 本文对高速激光距离传感器的设计进行了论述。以激光三角法测距作为理论基础， 对其理论模型进行了讨论，详细分析了激光三角法的距离计算方法。在此基础上，对 比电荷耦合器件 CCD 和位置敏感器件 PSD 的特点和优势， 选用 PSD
2、作为位置传感器。 根据 PSD 两极输出电流随光敏面上光斑位置不同而不同这一特点，对装置的信号检测 和处理系统进行了深入分析和设计。 传统的 PSD 信号处理电路采用大量的模拟器件进行信号运算，电路复杂且精度不 高。本文对传统处理方式加以改进，采用数字化的方式对传感器进行设计。信号检测 和处理系统分为电源模块、前置放大电路、数据采集电路和单片机接口电路四个部分。 由于信号源输出信号为一个微弱信号，选定高精度线性电源模块为系统供电。然后采 用电阻结合集成运算放大器实现信号的 I/V 转换和前置放大。模拟信号的数字化是系 统的关键部分。课题要求在 11.5m 处对探测目标实现精度为 20cm 的定
3、距测量，根据 这一指标计算选择 12 位高速 A/D 芯片实现数据采集。单片机实现系统的总体控制，包 括预置/探测状态选择、A/D 控制、信号的计算和预警。采用普通按键、发光二极管对 单片机外围电路进行了设计。改进传统的平均算法，提出新的算法实现了 A/D 控制和 距离值的计算与预警。在电路板的设计中采用光电耦合器件、铁氧体磁珠、旁路电容 滤波等方式减小了噪声。 文章最后对传感器样机进行了实验分析。实验采用不同颜色目标、不同光照条件 作为对照，证实传感器样机能够完成 11.5m 处目标的定距测量；性能随目标反射率的 增加而提高；背景光对探测的影响较小。通过判断阈值和累积次数的调节，样机对预 定
4、目标的定距探测精度最高可达 2.5cm，满足课题的要求。 关键词：关键词：激光三角法 位置敏感探测器 前置放大器 数据采集 I Abstract The development of modern industry put an increased demand on distance measurement. Be different from traditional measurement, high-speed laser distance sensors could take high-speed, high-precision measurement of the distance
5、of high-speed moving target in non-contact way. It will have great significance and broad application in military and civilian applications. This paper presents the design process of high-speed laser distance sensors. The design is based on laser triangulation measurement. We analyse the theoretical
6、 model and method of distance calculation of laser triangulation measurement first. Then compare Charge Coupled Device (CCD) with Position Sensitive Device (PSD), choose PSD as the position sensor. If the spot on photosensitive surface of PSD moves, the PSDS output current will change. Based on this
7、 characteristic, we discuss the detail design of signal process circuit of high-speed laser distance sensor after. Traditional signal process circuit of PSD uses plenty of analog devices, which makes it complex and low in accuracy. Design in this paper is processed in digital way. Signal process cir
8、cuit consists of four departments: power supply, preamplifier, data acquisition circuit and MCU interface. Since the signal from PSD is very weak, choose a linear power module as power supply. Then achieve I/V conversion and per-amplify using resistance and integrated operational amplifier. How to c
9、onvert analog signal to digital signal is the crux of the matter. In subject, sensor should measure distance of the target which is 11.5 meters away with accuracy of 20 centimeters. So choose a 12 bit high-speed A/D chip to acquire data. Micro Controller Unit (MCU) takes charge of control of the sen
10、sor, including selecting working state, A/D control, calculation and alarm. Design external circuit using button and LED. Improving traditional average algorithm, propose a new algorithm to control A/D chip, calculation and alarm. At last of design, use optocoupler device, ferrite beads and bypass c
11、apacitor to reduce system noise. Finally, different experiments are done to test sensors performance, including different targets and different illuminations. Experiments prove that prototype could measure the designed distance of the target which is 11.5 meters away, performance is improving with i
12、ncreasing of targets reflectivity, illumination have no influence on result. According to II regulation of judgement value and cumulative number, the most high-precision could reach to 2.5 centimeters, which meet the request of the project. Key words: laser triangulation measurement Position Sensiti
13、ve Detector (PSD) preamplifier data acquisition III 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和
14、借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 绪论 测量是一门古老的科学。相传早在公元前 2l世纪夏禹治水时，就已采用了准、绳、 规、矩等简单的测量工具。公元前 18 世纪，古埃及就进行过土地丈量。中国人发明的 指南针、浑天仪，西方人发明的望远镜、显微镜和水准器，以及三角学的应用和地图 投影技术的改进，大大推动了测量技术的发展。特别是
15、近几十年来，电子学、激光技 术和空间技术的飞速发展，使测量技术逐步趋于自动化和数字化，数据处理趋于程序 化，测量结果趋于精确化1。同时，飞速发展的工业和制造工艺对测量的要求也不断提 高。采用新方法、新器件对原有的测量装置不断改进，研究新型的测量装置，无论对 于科研、工业制造还是日常生活，都具有非常重要的意义。 1.1 高速激光距离传感器的研究意义 1.1.1 接触式与非接触式测量 测量是以确定被测对象量值为目的的全部操作。在测量过程中，人们借助于专门 的设备，依据一定的理论，通过实验的方法来确定被测量的量值2。根据操作方式的不 同，测量可以分为接触式和非接触式两种。接触测量是指测量器具的测量头
16、在一定测 量力的作用下，与被测物体直接接触的测量方法；非接触测量是以光电、电磁等技术 为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法，可分 为光学式和非光学式两种。典型的非接触测量方法包括激光三角法、电涡流法、超声 测量法、机器视觉测量等等。 在接触式测量中，由于测量头与被测物体接触，因而产生形变，造成误差，影响 测量精度。更主要的是测量过程会损坏物体表面，磨损测量头，因而接触测量在发展 前途和应用范围上远不如非接触测量。除此之外，非接触测量可用于测量条件较为恶 劣的场合，具有更广泛的应用。 1.1.2 论文研究背景 作为一种非接触测量仪器，高速激光距离传感器可对高速运动中的目标进行非接 触、短测程、高精度的距离测量，有广泛用途。在民用领域，由于其测量精度高，速 1 度快，可广泛应用于高速公路汽车追尾的预警、数码相机镜头运动测量、IC 芯片引脚 平整度检查、铜板厚度测量、散热片高度差测量、车胎表面纹理形状测量、光盘厚度 检测、马达偏心测定、HDD 振动测定、车辆高度及倾斜度
