[发明专利]一种基于调制激光的PSD信号单通道处理方法及处理电路

说明书

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，特别是利用PSD位置光电传感器，采用激光三角法进行微位移测量。

背景技术

在工业生产中，许多产品几何特性的在线检测不仅要求做到非接触连续测量，还要求精度不受被测物移动以及外界环境的影响。激光微位移测量系统不仅能较好地满足这些要求，并且还具有测量精度高，测量距离远，重复性强等优点，因此激光微位移测量系统越来越多地被应用在工业生产中。

激光微位移测量系统采用的光电传感器主要有CMOS、CCD、PSD等。PSD位置敏感探测器，是一种能将入射光点位置转换为电流信号的半导体光电检测元件。1957年，Wallmark利用载流子传输理论解释了半导体材料上产生的横向光电效应现象，并提出可用于检测光点位置，开始了对PSD的研究。随着半导体材料、制造工艺的发展，PSD在灵敏度、体积、响应速度及线性度等方面有了很大的提高。相对于另一种常用的光电位置检测元件CCD(电荷藕合器件)来说，PSD的输出只对入射光斑重心敏感，并且为电流信号，所以其后续测量电路简单、使用方便。正因为具有这些特点，PSD在精密尺寸测量、机器人技术、导弹制导及航空等许多方面得到广泛的应用。但PSD本身是模拟器件，受环境和处理电路中其他器件性能等因素影响较大，因此需要尽量克服和减少影响PSD性能的各种因素。PSD最主要的噪声来源是背景光和暗电流，对于微小位移量的测量，消除背景光和暗电流的影响显得尤为重要。消除背景光和暗电流通常有光学法和电学法。光学法是在PSD的感光面上加上一个透过波长与信号光源相匹配的干涉滤光片，滤掉大部分的背景光，但是还存在部分可见光的影响，特别当被测物本身发出的光与信号光源的波长相近时(如热轧板厚度测量)，滤光片就无法达到系统要求了。电学法分为采样-保持法和调制法两种。采样-保持法就是先检测出信号光源熄灭时的背景光强的大小，然后点亮光源，将检测到的输出信号减去背景光的成分。调制法就是将光源以某一固定的频率调制成脉冲光，对输出信号进行放大、滤波和检波，滤去低频的背景光和暗电流成分。采样-保持法适用于信噪比较高的场合，当噪声远远大于有用信号时，有用信号就无法被高精度获取甚至被淹没在噪声里。而调制法可以将低频的背景光和暗电流成分与有用信号分离。通常，PSD两端的输出信号由两个独立的处理通道进行处理，但是即使采用价格昂贵的精密元器件，随着温度变化，两个通道的增益系数也很难调节一致，尤其当采用信号调制模式时，信号强度与电路的中心频率是直接相关的，而如果两个通道的增益系数不一致就会造成测量误差。同时，由于要求调制频率要远远高于背景光强度变化频率，所以同步检波也是个问题，使得电路比较复杂，同时对模数转换器的性能要求比较高。

发明内容

本发明目的是为了解决上述现有技术中存在的缺陷，提供一种基于调制激光的PSD信号单通道处理方法，如图1所示。该方法在消除了背景光和暗电流的影响的同时，也解决了同步检波复杂和对PSD两端输出信号处理不一致的问题。

本发明所述的基于调制激光的PSD信号单通道处理方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

第一步从波长为600-1000nm的小型半导体激光器发射出调制激光，经过会聚透镜形成比较理想的光斑照射在被测物上，然后通过成像透镜汇聚被测物对光斑的漫反射光将光斑成像于PSD上；成像光斑使PSD两端输出强度随光斑位置变化而变化的微弱调制电流信号；

第二步通过I/V转换电路使PSD两端输出的电流信号变为电压信号；

第三步通过通道切换电路将PSD输出的两路信号用同一通道来做后续信号处理；

第四步通过比例放大电路使较弱的PSD信号变为易于处理的较强的信号；

第五步通过带通滤波器滤掉背景光、暗电流和电磁场等产生的干扰信号；

第六步通过峰值检测电路捕捉获取PSD两路信号的强度最大值；

第七步由A/D转换器得到PSD输出的两路信号强度。

其中，第一步中调制激光的调制频率在40KHz-80KHz。本发明提出：在PSD的信号处理中，在信号调制的基础上，通过电子开关实现信号切换，使PSD输出的两端信号用同一信号处理通道，消除掉了由于对PSD两端输出信号处理不一致而产生的测量误差。通过峰值检测电路解决了检波电路复杂以及对模数转换器要求高的问题。