專利名稱：一種基于psd的測(cè)量方法和測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于PSD的測(cè)量方法和測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
PSD (Position Sensitive Detector)光電位置傳感器,是一種對(duì)其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件，能對(duì)光信號(hào)的重心位置進(jìn)行測(cè)量，因此，PSD常應(yīng)用于空間位置測(cè)量系統(tǒng)中。其工作原理在于入射光斑落在PSD的感光面,在器件的PN結(jié)上產(chǎn)生橫向光電效應(yīng)，從而PSD以電流方式輸出電信號(hào)。該電信號(hào)包含入射光點(diǎn)的照射位置信息，通過(guò)對(duì)上述輸出電信號(hào)的處理，即可計(jì)算出入射光斑在PSD的位置。目前，應(yīng)用PSD進(jìn)行空間位置的測(cè)量，主要有采樣-保持法和調(diào)制法。如圖I所示為采樣-保持法的工作原理。PSD輸出信號(hào)通過(guò)直流放大電路進(jìn)行放大。信號(hào)控制電路設(shè)置光信號(hào)源一亮一滅。信號(hào)光源熄滅時(shí)，檢測(cè)出背景光產(chǎn)生的輸出信號(hào)大小并記入采樣保持1，然后點(diǎn)亮光源，將檢測(cè)到的輸出信號(hào)減去上一步測(cè)得的背景光信號(hào)并記入采樣保持2，此時(shí)，輸出信號(hào)即為有效的光信號(hào)源位置信號(hào)。將上述有效的光信號(hào)源位置信號(hào)輸入運(yùn)算電路進(jìn)行位置計(jì)算。如圖2所示為調(diào)制法的工作原理，該方法首先對(duì)光信號(hào)源信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，即通過(guò)信號(hào)發(fā)生器，使光信號(hào)源發(fā)出等距方波的光信號(hào)。PSD將檢測(cè)到的信號(hào)以電流形式輸出，經(jīng)直流放大電路放大后，再經(jīng)由同步檢波、低通濾波，即可得到消除了背景信號(hào)的有效位置的直流信號(hào)。上述兩種基于PSD的測(cè)量方法，存在許多不足第一，抗干擾能力不好。通常，在PSD的工作環(huán)境中，總存在一定強(qiáng)度的背景光，包括以自然光為主的直流光信號(hào)(稱為靜態(tài)背景干擾)和以日光燈、白熾燈等人工光源為主的交流光信號(hào)(稱為動(dòng)態(tài)背景干擾)。背景光信號(hào)將引起測(cè)量誤差。當(dāng)背景光強(qiáng)度增強(qiáng)到一定程度時(shí)，測(cè)量誤差太大導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差也大，甚至使計(jì)算值失去意義。采樣-保持法采用直流放大電路，對(duì)光信號(hào)源信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，所有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)背景信號(hào)都將被同步放大，那么放大的背景干擾信號(hào)變得更強(qiáng)，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大。第二，對(duì)工作環(huán)境要求高，對(duì)信噪比要求高。多個(gè)光信號(hào)源的情況下，采樣-保持法通過(guò)采用切換電路的方式，對(duì)光源進(jìn)行輪流地點(diǎn)亮，并在點(diǎn)亮的間隙預(yù)留一段時(shí)間測(cè)量背景光信號(hào)強(qiáng)度，將點(diǎn)亮某個(gè)光源時(shí)測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度減去時(shí)間臨近的背景光信號(hào)強(qiáng)度，即可獲得此光源的信號(hào)強(qiáng)度，并計(jì)算出位置。受電路穩(wěn)定性影響，切換過(guò)快會(huì)導(dǎo)致相互影響而增大誤差。同時(shí)切換電路會(huì)增加的整體電路的復(fù)雜度和成本。另外，調(diào)制法缺少多光源測(cè)量的電路解決方案，無(wú)法對(duì)多信號(hào)源同時(shí)進(jìn)行位置測(cè)量。第三，待測(cè)物與測(cè)量系統(tǒng)關(guān)聯(lián)耦合，測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不靈活。光信號(hào)源的信號(hào)發(fā)生電路必須嚴(yán)格地與PSD信號(hào)測(cè)量電路保持同步，即信號(hào)源與處理電路在時(shí)間上同步，信號(hào)發(fā)生電路與信號(hào)處理電路上在物理空間上必須直接相連?？梢?jiàn)，光信號(hào)源不能獨(dú)立存在，光信號(hào)源與測(cè)量電路嚴(yán)重耦合。這種耦合導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的靈活性大大降低。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不夠靈活，需要直接將信號(hào)發(fā)生源與測(cè)量電路通過(guò)物理方式相連接，使得這兩種方法僅適用于待測(cè)物目標(biāo)固定或者移動(dòng)范圍不大的情況。對(duì)于移動(dòng)快、移動(dòng)范圍大的待測(cè)物而言，目前兩種方法的測(cè)量過(guò)程不方便。第四，成本高。現(xiàn)有兩種方法的PSD測(cè)量電路需專門(mén)設(shè)計(jì)，市售的PSD測(cè)量電路板也僅由少數(shù)幾家廠家提供，量產(chǎn)少，價(jià)格高，相應(yīng)地，空間位置測(cè)量中使用這兩種方法成本也高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能有效去除干擾信號(hào)，能對(duì)多個(gè)光信號(hào)源進(jìn)行并發(fā)測(cè)量，待測(cè)物自由靈活，低成本測(cè)量方法及測(cè)量裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造采用如下技術(shù)方案一種基于PSD的測(cè)量方法，可同時(shí)對(duì)若干個(gè)獨(dú)立光信號(hào)源(光信號(hào)源1，光信號(hào)源2，…，光信號(hào)源η)進(jìn)行位置測(cè)量，其特征在于該方法依次包括(I)信號(hào)調(diào)制分別對(duì)各光信號(hào)源進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制，使調(diào)制后的每個(gè)光信號(hào)源的頻率與其它光信號(hào)源均不相同；(2)PSD處理所有光信號(hào)源的信號(hào)和背景光的混合信號(hào)，投射于PSD感光面形成光斑，并在PSD兩端輸出兩路光生電流Ip I2 ;光生電流計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于PSD的測(cè)量方法,可同時(shí)對(duì)若干個(gè)獨(dú)立光信號(hào)源(光信號(hào)源I,光信號(hào)源 2，…，光信號(hào)源η)進(jìn)行位置測(cè)量，其特征在于該方法依次包括(1)信號(hào)調(diào)制分別對(duì)各光信號(hào)源進(jìn)行正弦調(diào)制，使調(diào)制后的每個(gè)光信號(hào)源的頻率與其它光信號(hào)源均不相同；(2)PSD處理所有光信號(hào)源的信號(hào)和背景光的混合信號(hào)，投射于PSD感光面形成光斑， 并在PSD兩端輸出兩路光生電流Ip I2 ；(3)信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大通過(guò)I-V轉(zhuǎn)換電路和放大電路，將電流信號(hào)IpI2轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)其同比放大，轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信號(hào)滿足U1 = kip U2 = kl2，其中，k為與信號(hào)源信號(hào)強(qiáng)弱和信號(hào)處理電路相關(guān)的常數(shù)；(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)；(5)濾波接收來(lái)自上一步驟的數(shù)字電壓信號(hào)，分別對(duì)各光信號(hào)源進(jìn)行數(shù)字窄帶濾波， 以濾除混合電壓信號(hào)中其他光信號(hào)源的信號(hào)和背景光中的干擾信號(hào)，得到每個(gè)光信號(hào)源的交流電壓信號(hào)un、Ui2 (i = 1,2,…，η),濾波后各光信號(hào)源的電壓信號(hào)相互獨(dú)立；(6)幅度測(cè)量對(duì)各光信號(hào)源濾波后的交流電壓信號(hào)Un、Ui2(i = 1,2,…，η)進(jìn)行幅度測(cè)量，得到各光信號(hào)源的交流信號(hào)的有效值A(chǔ)n、Ai2 (i = 1,2,…，η)；(7)位置計(jì)算讀取輸入的各光信號(hào)源的信號(hào)有效值，計(jì)算出各光信號(hào)源的光斑偏離 PSD中心的距離X1, X2,…，Xn，所述距離X滿足公式Xi = (L/2)* (Ail-Ai2)/(Ai2+An)其中，L為PSD感光面長(zhǎng)度，i = 1，2，…，η。
2.如權(quán)利要求I所述的基于PSD的測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(3)中的放大電路為交流放大電路。
3.如權(quán)利要求I所述的基于PSD的測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(5)中，各數(shù)字窄帶濾波的中心頻率為對(duì)應(yīng)光信號(hào)源在步驟(I)中的調(diào)制頻率。
4.如權(quán)利要求I或3所述的基于PSD的測(cè)量方法，其特征在于所述步驟(5)、(6)、(7) 通過(guò)具有數(shù)字濾波模塊、幅度測(cè)量模塊和計(jì)算模塊的CPU芯片依次進(jìn)行濾波、有效值測(cè)量和位置計(jì)算。
5.一種基于PSD的測(cè)量裝置，包括分別與待測(cè)物對(duì)應(yīng)若干個(gè)信號(hào)發(fā)生器和PSD位置傳感器，所述信號(hào)發(fā)生器對(duì)光信號(hào)源進(jìn)行調(diào)制，并將光信號(hào)源定位于待測(cè)物上，其特征在于還包括信號(hào)放大模塊，與PSD傳感器輸出端相連，由I-V轉(zhuǎn)換電路和交流放大電路組成，用于對(duì)PSD輸出的信號(hào)進(jìn)行放大；AD轉(zhuǎn)換模塊，與信號(hào)放大模塊輸出端相連，將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；濾波-測(cè)幅-計(jì)算模塊，與AD轉(zhuǎn)換模塊輸出端相連，用于處理所有光信號(hào)源和背景中交流干擾信號(hào)的混合信號(hào)，依次實(shí)現(xiàn)對(duì)各光信號(hào)源的濾波、有效值測(cè)量和位置計(jì)算。
6.如權(quán)利要求5所述的基于PSD的測(cè)量裝置，其特征在于所述濾波-測(cè)幅-計(jì)算模塊為集成有數(shù)字濾波模塊、幅度測(cè)量模塊、運(yùn)算模塊的CPU芯片，其中，所述數(shù)字濾波模塊，用于從混合信號(hào)中分別提取各光信號(hào)源的信號(hào)信息；所述幅度測(cè)量模塊，用于測(cè)量上述數(shù)字濾波模塊的輸出信號(hào)，分別得到各光信號(hào)源的信號(hào)有效值；所述運(yùn)算模塊，接收幅度測(cè)量模塊測(cè)得的各光信號(hào)源的信號(hào)有效值作為輸入，計(jì)算并輸出各光信號(hào)源的光斑偏離PSD中心的距離。
7.如權(quán)利要求5或6中所述的基于PSD的測(cè)量裝置，其特征在于所述濾波-測(cè)幅-計(jì)算模塊中的濾波為窄帶濾波，所述窄帶濾波的中心頻率與對(duì)應(yīng)光信號(hào)源的調(diào)制頻率一致。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于PSD的多信號(hào)并發(fā)測(cè)量方法及裝置，該方法包括(1)對(duì)各光信號(hào)源進(jìn)行頻率調(diào)制；(2)調(diào)制后的混合信號(hào)經(jīng)PSD輸出兩路光生電流；(3)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并放大；(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換；(5)濾波，得到各光信號(hào)源的交流電壓信號(hào)；(6)測(cè)量得到各光信號(hào)源的交流信號(hào)的有效值；(7)將上述有效值輸入到位置計(jì)算模塊，計(jì)算出各光信號(hào)源光斑偏離PSD中心的距離。該裝置包括信號(hào)發(fā)生器、PSD位置傳感器、信號(hào)放大模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和濾波-測(cè)幅-計(jì)算模塊。本發(fā)明的測(cè)量方法和裝置可有效去除較強(qiáng)的背景干擾和其他光信號(hào)干擾，能在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)空間多個(gè)點(diǎn)的進(jìn)行并發(fā)測(cè)量，具有辨識(shí)度高、計(jì)算速度快的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102589419SQ20111035983
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者施寶忠 申請(qǐng)人:施寶忠