宋殿友 ，劉鐵根，丁小昆，李志宏

(1. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津理工大學(xué)電信學(xué)院，天津 300384；3. 薄膜電子與通信器件天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

在工業(yè)生產(chǎn)中，許多產(chǎn)品幾何特性的在線檢測(cè)不僅要求做到非接觸連續(xù)測(cè)量，還要求精度不受被測(cè)物移動(dòng)以及外界環(huán)境的影響．激光微位移測(cè)量系統(tǒng)不僅能較好地滿足這些要求，而且測(cè)量精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、重復(fù)性強(qiáng)，因此越來越多地被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中．

激光微位移測(cè)量系統(tǒng)采用的光電傳感器主要有CMOS、CCD 和PSD 等．目前，歐美和日本在這方面的研究處于領(lǐng)先水平[1-2]，并且已經(jīng)有比較成熟的基于PSD 的激光位移傳感器產(chǎn)品，比如日本Keyence公司的 LD 系列、德國 Micro-Epsilon 公司的optoNCDT 系列、美國MEDAR 公司的2101 型等產(chǎn)品，均采用直射式或斜射式激光三角法，分辨率在0.01%～0.1%之間，但在適應(yīng)不同被測(cè)物體表面狀況時(shí)，一般都通過數(shù)控電位器調(diào)節(jié)采樣信號(hào)強(qiáng)度或通過改變光源電流來調(diào)節(jié)有效光的強(qiáng)度，這樣不僅使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不利于系統(tǒng)集成，還由于噪聲和成像光斑光強(qiáng)分布微變等帶來一系列測(cè)量誤差[3]．而在適應(yīng)不同被測(cè)物測(cè)量環(huán)境的變化方面，尤其是溫度變化，這些產(chǎn)品都采用價(jià)格昂貴的精密元器件，以減小溫度變化的影響，但溫漂仍高達(dá)滿量程的±0.02%/℃，有些產(chǎn)品甚至高達(dá)滿量程的±0.05%/℃，因此，在溫差較大的測(cè)量環(huán)境下[4-5]，無法滿足測(cè)量精度的要求．而國內(nèi)應(yīng)用的多為基于CCD 的位移傳感器[6-8]．盡管近年來國內(nèi)對(duì)PSD 的微位移測(cè)量進(jìn)行了大量研究，但由于對(duì)PSD 的研究起步較晚，基于PSD 的激光微位移測(cè)量系統(tǒng)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段．呂愛民等[9]對(duì)位置指示光源對(duì)PSD 定位精度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，郭麗峰等[10]對(duì)PSD 的非線性修正技術(shù)進(jìn)行了研究，劉鐵根等[11]對(duì)PSD 測(cè)量中激光源波長的優(yōu)選進(jìn)行了研究，但還沒有基于PSD 的高精度、高可靠性的微位移產(chǎn)品出現(xiàn)．

筆者充分利用PSD 的固有特性，采用基于變頻調(diào)制、高階帶通濾波、峰值檢測(cè)等技術(shù)的PSD 信號(hào)單通道處理方式和激光三角法相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，簡化了結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步降低了溫漂和被測(cè)物表面狀況的影響，制作了低成本和高適用性的精密激光微位移在線測(cè)量系統(tǒng)．

1 測(cè)量原理

本系統(tǒng)采用一維PSD 和直射式激光三角法，測(cè)量原理如圖1 所示，由PSD 特性公式可以得出像斑在PSD 上的位移x ，則被測(cè)物位移大小可以根據(jù)幾何關(guān)系求得[12]，即．

圖1 激光三角法測(cè)距原理Fig.1 Schematic diagram of measuring the distance based on the laser triangulation

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

PSD 激光微位移測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2 所示，該系統(tǒng)由激光器、會(huì)聚透鏡、成像透鏡、一維PSD、激光調(diào)制電路、I/V 轉(zhuǎn)換電路、通道切換電路、比例放大電路、濾波電路、峰值檢測(cè)電路、集成ADC 微控制器及外部接口電路等組成．從小型半導(dǎo)體激光器發(fā)射出650,nm 的調(diào)制紅光，經(jīng)過會(huì)聚透鏡形成比較理想的光斑照射在被測(cè)物上，然后通過成像透鏡對(duì)漫反射光的匯聚將光斑成像于PSD 上．當(dāng)被測(cè)物發(fā)生位移時(shí)，成像于PSD 光敏面上的光斑位置會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變了從PSD 兩端輸出的調(diào)制電流信號(hào)強(qiáng)度．該微電流信號(hào)經(jīng)過處理后，由微控制系統(tǒng)采集并通過運(yùn)算得到被測(cè)物的位移量．同時(shí)，系統(tǒng)可通過外觸發(fā)采樣接口控制采樣，從而實(shí)現(xiàn)多設(shè)備同步采樣，系統(tǒng)還可以通過RS232 通信接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定、采集頻度設(shè)定、通信波特率設(shè)定等功能以及相應(yīng)查詢功能．

圖2 PSD激光微位移測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.2 Schematic diagram of PSD laser micro-displacement measurement system

2.2 光路系統(tǒng)

光路系統(tǒng)主要由激光光源、會(huì)聚透鏡、成像透鏡和光電探測(cè)器PSD 等組成．

傳統(tǒng)的激光測(cè)量系統(tǒng)都通過窄帶濾光片來濾掉背景光對(duì)測(cè)量的影響，但當(dāng)被測(cè)物本身發(fā)出的光與信號(hào)光源的波長相近時(shí)(如熱軋板厚度測(cè)量)，濾光片無法達(dá)到系統(tǒng)要求．因此系統(tǒng)通過調(diào)制波長λ為650,nm的激光光源，從而在沒有濾光片的情況下，有效地消除背景光的影響．

會(huì)聚透鏡的作用主要為準(zhǔn)直和聚焦，能將激光器發(fā)出的光會(huì)聚為具有一定焦深、尺寸較小的光斑，從而降低了測(cè)量誤差[13]．成像透鏡將不同角度的散射光集中在PSD 感光接收面上，若采用多片透鏡組合，可使其像差減小，進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度[14]．

光電探測(cè)器采用濱松公司生產(chǎn)的 S3932 型PSD，該型號(hào)PSD 有效感光面積為12,mm ×1,mm，光譜響應(yīng)范圍為 320～1,100,nm，峰值靈敏度為0.55,A/W，位置分辨率為0.3,μm．

2.3 PSD單通道信號(hào)處理

通常，基于PSD 的微位移測(cè)量系統(tǒng)對(duì)PSD 兩端輸出的電流信號(hào)由2 個(gè)獨(dú)立的信號(hào)處理通道進(jìn)行處理，如圖3 所示，但是當(dāng)采用調(diào)制模式時(shí)，由于信號(hào)增益系數(shù)與調(diào)制頻率以及系統(tǒng)的中心頻率和帶寬是直接相關(guān)的，而中心頻率和帶寬與系統(tǒng)所用器件的阻容特性是密切相關(guān)的，因此即使采用價(jià)格昂貴的精密元器件，隨著溫度變化，2 個(gè)通道的增益系數(shù)也很難調(diào)節(jié)一致，從而造成測(cè)量誤差．

圖3 PSD信號(hào)雙通道處理框圖Fig.3 Schematic diagram of PSD signal processing based double channels

為解決該問題，系統(tǒng)通過通道切換將PSD 輸出的兩路信號(hào)在同一信號(hào)處理通道處理，電路如圖4 所示，這樣不僅使PSD 兩端的輸出信號(hào)得到了一致處理，而且還簡化了結(jié)構(gòu)、降低了成本．

圖4 PSD信號(hào)單通道處理電路Fig.4 Circuit diagram of PSD signal processing based single channel

系統(tǒng)還通過調(diào)制激光、I/V 轉(zhuǎn)換和比例放大電路，將PSD 輸出的微弱有效電流信號(hào)變?yōu)橐欢l率的易于采集的電壓信號(hào)，然后通過帶通濾波器，消除了暗電流和背景光對(duì)系統(tǒng)的影響．峰值檢測(cè)電路大大降低了系統(tǒng)對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換器采集頻度的要求，保證了對(duì)PSD 兩端輸出信號(hào)的同相位采集，進(jìn)一步減小了測(cè)量誤差，同時(shí)，通過放電電路實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高速動(dòng)態(tài)測(cè)量．

電路中采用失調(diào)電壓和偏置電流非常小的AD公司的OP27 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理．用Silicon Lab 公司的內(nèi)置采樣速度可達(dá)1,MS/s的16 位ADC 的C8051F060 單片機(jī)作為主控．

2.4 激光自適應(yīng)調(diào)制

在實(shí)際應(yīng)用中，由于不同被測(cè)物體的表面反射率不同，使得PSD 感光面上接受的調(diào)制激光光強(qiáng)也不同，從而造成PSD 輸出的調(diào)制電流強(qiáng)度變化較大，無法充分利用A/D 轉(zhuǎn)換器的采集范圍，甚至超出范圍而不能測(cè)量．所以應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體表面狀況自適應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度的增益系數(shù)或激光強(qiáng)度．

現(xiàn)有的系統(tǒng)一般都通過采用數(shù)控電位器來改變信號(hào)增益系數(shù)或通過改變激光器電流調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，但是數(shù)控電位器的非連續(xù)性有時(shí)無法達(dá)到系統(tǒng)要求，并且本身的噪聲也會(huì)影響測(cè)量精度．而改變激光器光強(qiáng)不僅使得激光器電源電路復(fù)雜，還會(huì)因?yàn)楣獍叩母哳l噪聲變化和光斑整體偏移使得光斑光強(qiáng)分布微變，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，本系統(tǒng)中采用了信號(hào)帶通濾波技術(shù)，濾波器的中心頻率f0為40,kHz，Q 值為7，其幅頻特性可表示為

式(2)表明，當(dāng)通過濾波器的信號(hào)頻率f 從f0開始不斷增大時(shí)，信號(hào)的放大倍數(shù)Au會(huì)逐漸減小，當(dāng)信號(hào)頻率增大至2,f0時(shí)，信號(hào)衰減了－20,dB，也就是說，當(dāng)信號(hào)頻率從80,kHz 變化到40,kHz 時(shí)，信號(hào)的強(qiáng)度可以變化10 倍．因此，筆者先通過測(cè)量反射率最高的白色平面，調(diào)整電路將濾波器的輸入信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整到運(yùn)算放大器線性放大范圍的最大值(本系統(tǒng)為12,V)，且初始激光調(diào)制頻率為55,kHz．這樣，當(dāng)采集到的PSD 兩路信號(hào)強(qiáng)度之和大于A/D 轉(zhuǎn)換器的采集最大值一定范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)增大激光的調(diào)制頻率，反之則自動(dòng)減小激光調(diào)制頻率，改變信號(hào)在濾波器上的衰減程度，實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)強(qiáng)度的連續(xù)改變，使信號(hào)強(qiáng)度總處于A/D 轉(zhuǎn)換器的最佳采集范圍．另外，如果和數(shù)控電位器改變?cè)鲆嫦禂?shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有極低反射率物體測(cè)量，從而全面解決了被測(cè)物表面反射率不一致造成PSD 輸出的調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度變化較大的影響，提高了系統(tǒng)精度和實(shí)用性．

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 標(biāo)定測(cè)量

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和PSD 參數(shù)，該系統(tǒng)最大量程為9,mm，系統(tǒng)理論分辨率為0.002 5%，但受噪聲影響，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)際分辨率達(dá)到0.035%．采用精度為10,μm 的螺旋測(cè)微器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，并使系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)為光斑在PSD 成像位置．首先微調(diào)使PSD 輸出數(shù)據(jù)為2,000,μm，以此為原點(diǎn)，以500,μm為步長測(cè)量了12 個(gè)點(diǎn)，即標(biāo)定范圍為0～6,000,μm，結(jié)果如圖5 所示．采用最小二乘法擬合一條直線如圖5 所示，可表示為

圖5 標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curve

則線性相關(guān)系數(shù)R 為0.999 54，線性度好于1.2%．

3.2 穩(wěn)定性測(cè)量

為了考察系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選一固定位置，從系統(tǒng)開機(jī)開始測(cè)量，每隔30,s 保存1 次數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)了12,h，得到的結(jié)果如圖6 所示．

圖6 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)量Fig.6 Stability measurement of the system

由圖6 可見，系統(tǒng)開始運(yùn)行的前10 min，數(shù)據(jù)呈急劇下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的穩(wěn)定需要一段時(shí)間，在初始運(yùn)行階段由于激光強(qiáng)度穩(wěn)定度較差和光斑不夠均勻造成測(cè)量誤差較大[15]．當(dāng)激光強(qiáng)度趨于穩(wěn)定后，測(cè)量數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定．從圖6 中可以看出在30,min以后的11,h里，穩(wěn)定性誤差小于0.09%.

3.3 影響因素和誤差分析

影響測(cè)量結(jié)果的外界因素主要有背景光、暗電流、溫度和被測(cè)物表面狀況等．設(shè)計(jì)了3 個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)背景光、暗電流、溫度和被測(cè)物表面狀況等對(duì)測(cè)量的影響進(jìn)行了測(cè)量．

3.3.1 實(shí)驗(yàn)1

在沒有濾光片的情況下，分別在日光、日光燈光和熱輻射紅外光3 種背景光下對(duì)3 個(gè)固定位置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果(光斑在PSD 的位置)見表1．

表1 背景光影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Results of background light influence experiment

從表1 可以看出，3 種背景光對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的影響產(chǎn)生的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于穩(wěn)定性測(cè)量誤差，因此可以認(rèn)為影響忽略不計(jì)．這是因?yàn)橄到y(tǒng)帶通濾波器的中心頻率為40,kHz，帶寬為8,kHz，而背景光和暗電流強(qiáng)度變化頻率較低，一般都在1,kHz 以下，這樣就有效地消除了背景光對(duì)測(cè)量的影響，同樣，也消除了暗電流對(duì)測(cè)量的影響．

3.3.2 實(shí)驗(yàn)2

采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，分別設(shè)定20,℃、30,℃、40,℃和50,℃ 4 種溫度，在4 種溫度下，分別采用PSD 信號(hào)單通道處理模塊和傳統(tǒng)的PSD 信號(hào)雙通道處理模塊進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)為避免半導(dǎo)體激光器光斑的不均勻性影響測(cè)試結(jié)果，調(diào)整系統(tǒng)使PSD 兩端輸出幅值相等的電流信號(hào)，測(cè)量結(jié)果(光斑在PSD的位置)見表2．

表2 溫度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of temperature influence experiment

從表2 可以看出，PSD 信號(hào)雙通道處理系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果隨著溫度升高逐漸變小，誤差逐漸增大，這是由于系統(tǒng)的兩路信號(hào)處理通道受溫度變化影響造成兩通道的調(diào)制信號(hào)增益系數(shù)不一致所引起的．而單通道處理系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于穩(wěn)定性測(cè)量誤差，因此可以認(rèn)為，通過對(duì)PSD 輸出信號(hào)采用單通道信號(hào)處理方式大大消減了溫度對(duì)測(cè)量的影響，從而使測(cè)量系統(tǒng)更能夠適應(yīng)溫差較大的生產(chǎn)環(huán)境．

3.3.3 實(shí)驗(yàn)3

對(duì)同一固定位置進(jìn)行測(cè)量，并將該位置表面分別涂上灰度值為10%、40%和70%的灰色，從而使被測(cè)表面有3 種不同的反射率．測(cè)量輸出量為激光調(diào)制頻率、PSD 兩路信號(hào)強(qiáng)度之和以及光斑在PSD 的位置，測(cè)量結(jié)果見表3．

表3 被測(cè)物表面狀況影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of the state of measured surface influence experiment

從表3 可以看出，隨著灰度值的增大，也就是被測(cè)物的反射率變小，激光的調(diào)制頻率逐漸向中心頻率40 kHz 偏移，從而保證了PSD 兩路信號(hào)強(qiáng)度之和在A/D 轉(zhuǎn)換器采集范圍最大值4 096±200 內(nèi)(系統(tǒng)中只用了ADC 高12 位)，實(shí)現(xiàn)了A/D 轉(zhuǎn)換器的最佳采集．同時(shí)，3 次測(cè)量位置有所變化，這是由于被測(cè)物表面灰色分布不均造成成像光斑重心偏移所致．

4 結(jié) 論

(1) 提出了基于信號(hào)調(diào)制、帶通濾波、峰值檢測(cè)的PSD 信號(hào)單通道處理方式和激光三角法相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，在沒有濾光片的情況下，有效地消除了背景光、暗電流的影響，同時(shí)大大降低了溫漂對(duì)測(cè)量的影響，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)溫差較大的生產(chǎn)環(huán)境．

(2) 系統(tǒng)通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)激光調(diào)制頻率改變采集信號(hào)強(qiáng)度，不僅能夠更好地適應(yīng)各種被測(cè)對(duì)象，還簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，消除和降低了數(shù)控電位器產(chǎn)生的噪聲和光斑光強(qiáng)分布微變所產(chǎn)生的影響．

(3) 設(shè)計(jì)并制作了測(cè)量頻率可達(dá)2 kHz，分辨率達(dá)0.035%，線性度好于1.2%，電路溫漂系數(shù)極小的具有自適應(yīng)能力的激光微位移測(cè)量系統(tǒng)．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低．

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