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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1~1.5m处对探测目标实现精度为20cm的定距测量，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1~1.5m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。
基于PSD的光点空间位置测量技术研究The Research of Light-spot SpatialPosition Measurement TechnologyBased on PSD学科专业：光学工程研究生：李兴达指导教师：黄战华教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一二年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：签字日期：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天津大学有关保留、使用学位论文的规定。
特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。
同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要位置测量在工业、军事、科研等领域应用广泛，光点的空间位置检测在非接触测量领域有重要的意义，本文针对目前光点空间位置测量方法的不足，结合实际测量需求和测量对象的特点设计了一种基于双PSD的光点空间位置测量系统。
PSD以其响应速度快、信号处理电路相对简单、对光学系统和光源要求不高等优点被广泛应用于光电测量。
该方法基于双目视觉，将光点分别成像在两个二维PSD上，利用PSD的快速响应特性捕捉到高速闪光信号，并将像点的位置以电流形式输出，配合后续的信号处理电路和控制电路对输出信号进行处理和计算，最后得到光点的空间位置。
本文研究内容主要包括以下几个方面：1、进行了系统总体方案设计，达到了设计功能与技术指标。
根据被测对象的特点提出了基于双目视觉的测量方案；2、完成了光电探测与信号处理单元的设计，实现空间光点位置信号的探测。
基于PSD高精度激光位移传感器的设计摘要：介绍了PSD器件的工作原理，对基于三角法测量原理的传感器主要结构参数进行了分析，给出了设计的传感器外形。
并设计一种含有多种放大倍数的PSD的检测电路，可实现测量中对环境变化的自适应能力。
最后分析了影响传感器测量精度的各种因素，并讨论了消除的方法。
关键词：高精度位移传感器；位位置敏感器件（PSD）;激光三角法；发大电路Design and Analysis of High Precision Laser Displacement Sensor Based on Position SensitiveDetector(PSD)Abstract：The operating principle of PSD was introduced briefly.Configuration parameters of laser triangulation sensor were analyzed.The PSD detection circuit with a variety of manifications was designed to achieve the ability of self –adapting .Finally, the variou factors of influencing sensor measurement accuracy and elimination methods were analyzed and discussed.Key words: high precision displacement sensor; position sensitive detector(PSD); laser triangulation ；amplification circut目录1 绪论 (4)2 PSD工作原理及特点 (4)3 结构原理及主要参数分析 (6)3.1结构原理 (6)3.2参数β (7)3.3透镜位置参数s/和s (7)3.4 PSD的倾角α的确定 (8)4 PSD检测电路的设计 (8)4.1信号检测与处理系统方案 (9)4.2前置放大电路 (9)4.2.1前置电路 (10)4.2.2 放大器的选择 (12)4.2.3前置放大电路设计 (12)4.3数据采集电路 (13)4.3.1A/D转换器的选择 (13)4.3.2A/D转换器的数据采集 (14)4.3.3 A/D转换器与单片机的接口 (16)4.4 MCU接口电路与计算、控制程序 (16)4.4.1 MCU选择 (16)4.4.2 MCU接口电路 (18)4.4.3 MCU计算与控制程序 (20)4 激光测距传感器应用于工业检测的若干问题 (25)5 影响传感器测量精度的因素及消除方法 (26)6 结论 (27)1 绪论基于PSD的激光位移传感器主要应用在高灵敏度、高精度的位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域。
第 40 卷第 2 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 40, No. 2 2023 年 4 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING179 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544基于激光PSD的空间载荷指向测量系统方厚招，薛景赛，孙延博，贾奥男，王润泽，王 瑞（上海卫星工程研究所，上海 201109）摘要：为满足卫星载荷指向高精度测量需求，设计基于激光位置敏感探测器（PSD）的空间载荷指向测量系统。
主要原理是：将激光发射至反射器（安装于载荷）处，经反射器反射到PSD光敏面后，PSD感应激光形成光电流，再经过电流−电压变换处理后输出给高精度采集控制器，最后通过高精度采集控制器中的算法进行数据处理得到载荷指向的小角度变化。
试验证明，该系统测量角度范围±0.15°，俯仰角和倾斜角测量精度优于0.002°，角度稳定性优于0.000 4°（3.5 h）。
该系统不仅可满足在轨因热变形等因素产生的载荷指向小角度转动测量要求，同时可满足地面测试中的小角度高精度测量需求。
关键词：载荷指向；位置敏感探测器；小角度测量；高精度；高稳定性中图分类号：TP212.14; TH822文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)02-0179-05 DOI: 10.12126/see.2022115Space load pointing measurement system based on laser PSDFANG Houzhao, XUE Jingsai, SUN Yanbo, JIA Aonan, WANG Runze, WANG Rui(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China)Abstract: In order to meet the requirements of high precision measurement of satellite load pointing, a space load pointing measurement system was designed based on laser position sensitive detector (PSD). The principle was as follows: a laser beam was transmitted to the reflector installed on the load, and then it was reflected to the photosensitive surface of the PSD; a photocurrent was generated by the PSD sensing laser light; after current to voltage conversion, the signal was outputted to a high-precision acquisition controller, in which data was processed using algorithm to obtain the small angle change of the load pointing. The test results show that the measurement angle range of the system is ±0.15°; the measurement accuracy of pitch and tilt angles is within 0.002°; and the measured angle stability is better than 0.000 4° within 3.5 hours. The system may not only meet the requirements of small angle rotation measurement of load pointing caused by thermal deformation and other factors in orbit, but also meet the requirements for small angle and high precision measurement in ground testing.Keywords: load pointing; position sensitive detector (PSD); small angle measurement; high precision; high stability收稿日期：2022-11-01；修回日期：2023-03-27基金项目：国家重点研发计划项目（编号：2019YFA0708904）引用格式：方厚招, 薛景赛, 孙延博, 等. 基于激光PSD的空间载荷指向测量系统[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(2): 179-183 FANG H Z, XUE J S, SUN Y B, et al. Space load pointing measurement system based on laser PSD[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(2): 179-1830 引言在卫星工程领域，当星体结构和机构因热变形或机械振动发生变化时，相应的载荷安装底座会相对于其基准产生变形，进而使得载荷指向相对原始位置发生小角度的转动，产生相应的偏差，影响高精度测量载荷的测量精度。
基于PSD的激光三角测距法原理、系统和精度分析激光三角测距法原理、系统和精度分析1.三角测距方式三角测距是一种测量距离的方法，通过测量三角形的三个角度或三个边长来确定目标物体与测量仪之间的距离。
激光三角测距法就是利用激光束发射器向目标物体发射激光束，然后通过接收器接收反射回来的激光束，最后利用三角形计算目标物体与测量仪之间的距离。
2.激光三角法原理分析激光三角测距法是利用激光束在空间中直线传播的特性，通过测量激光束的发射方向和反射方向之间的角度差，来计算目标物体与测量仪之间的距离。
在实际应用中，通常采用相位测量法来测量激光束的相位差，进而计算出角度差，从而得到目标物体与测量仪之间的距离。
3.激光三角法距离计算激光三角测距法的距离计算涉及到角度测量和相位测量两个方面。
角度测量是通过测量激光束的发射方向和反射方向之间的角度差来实现的，而相位测量则是通过测量激光束的相位差来计算角度差。
最终，通过三角形计算公式，可以得到目标物体与测量仪之间的距离。
4.激光三角法精度分析激光三角测距法的精度受到多种因素的影响，包括系统探测能力、像点弥散斑等。
系统探测能力是指系统对光信号的接收能力，它受到PSD接收光功率、光能质心等因素的影响。
像点弥散斑是指激光束在目标物体表面反射时产生的光斑扩散现象，它会对系统的探测能力产生影响。
5.系统探测能力的影响因素5.1 PSD接收光功率对系统探测能力的影响PSD接收光功率是影响系统探测能力的重要因素之一，它受到激光束功率、反射率等因素的影响。
当PSD接收光功率较小时，系统的探测能力会受到限制，从而影响测量精度。
因此，在实际应用中，需要采用一定的技术手段来提高PSD接收光功率，以提高系统的探测能力。
5.2 光能质心对探测能力的影响光能质心是指激光束在PSD上的位置，它受到激光束发射方向、反射面形状等因素的影响。
当光能质心偏离PSD中心时，会导致系统的探测能力下降，从而影响测量精度。
基于PSD的微位移传感器建模的实现方法位置敏感传感器(position sensitive detector，PSD)广泛应用于光学位置、角度的测量与控制、工业自动化生产、远程光学控制系统、微电子生产中的各类检测和监控、位移和振动监测等。
在PSD 的众多应用领域中，应用最为广泛的就是位移测量。
本文通过光学三角测量的方法将测量物理位移信号转换成PSD 能够测量的位移信号，然后利用PSD 工作原理将位移信号转换成电流信号，通过后续电路将电流信号转换成电压信号，经过放大、滤波、A／D 处理后交由计算机对采集得到的电压(V)和位移(S)信号进行处理。
为准确反映该PSD 的微位移传感器系统的V-S 间关系，实现精确测量，需要拟合出一条曲线尽可能逼近PSD 的微位移传感器实际的输入、输出特性。
文中采用MATLAB 语言，运用矩阵运算，由实验测得数据采用分段拟合的方法建立了PSD 的微位移传感器V-S 间的数学模型，对于PSD 的微位移传感器实际的非线性特性进行拟合，逼近得出最佳关系曲线。
1 基于PSD 的微位移传感器测量原理分析1．1 PSD 的工作原理PSD 分为一维PSD 和二维PSD。
一维PSD 大致分为P-I-N 3 层。
一维PSD 截面如图1 所示。
表面P 层为感光面，从P 层两侧分别引出一个电极，作为输出。
中间的I 层为电离层。
底面N 层的引出一个电极，作为公共端并施加反偏电压。
PSD的光敏层接受入射光照射时，在相应的入射位置上所产生的电荷与光能成正比例关系，电荷定向移动形成光电流由P 层两个输出电极输出。
2 个电极输出的电流大小都与入射光点位置到各电极之间距离有关，若感光面电阻是均匀分布的，距离越大，光电流越小；反之，则越大。
PSD 的等效电路如图2 所示，设电极1 和电极2 的距离为L，电极1 和电极。
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2006年第25卷第6期基于PSD的高精度激光校准仪的设计*焦国华1，2，李育林1，胡宝文1（1.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西西安710068；2.中国科学院研究生院，北京100039）摘要：针对国内对轴系的校准技术普遍采用传统的手工方法，提出了一种基于位置敏感探测器（PSD）的高精度激光校准的解决方法。
在PSD信号处理上，使用高精度的A/D转换单片机运用软件算法的方式代替传统的运算电路方法计算PSD位置值，有效地提高了系统的精度和稳定性。
回转式校准仪的偏移测量范围为±4mm，分辨力为1.5µm、精度为5.5µm。
可以广泛用于精确轴系校准和定位。
关键词：激光微位移测量；激光校准；位置敏感探测器；轴系校准中图分类号：TH741.4 文献标识码：A 文章编号：1000-9787（2006）06-0064-03Design of the high precision laser alignment system with PSD*JIAO Guo-hua1，2，LI Yu-lin1，HU Bao-wen1（1.Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi’an710068，China；2.Graduate School，the Chinese Academy of Sciences，Beijing100039，China）Abstract：Aim at the traditional manual way of the shaft alignment，a high precise laser alignment system with position sensing detector（PSD）is describes.In the PSD signal process，a new method to calculate the value of the position is adopted by using single chip computer with A/D change and the software arithmetic insteud of substitutethe pure circuit method.The accuracy and the stability of system are improved.The range of offset measurement is±4mm；the resolution is1.5µm，the accuracy is5.5µm.It can be used for shaft aligment and position.Key words：laser micro-displacement measurement；laser alignment；position sensing detector（PSD）；shaft alignment0 引言在机械安装和调试中，常需将轴承与转动组件（例如：电机轴）准确安装到位，这就要求各机组轴系的校准可靠。
光电子课程设计：基于三角测量法的激光测距摘要：本文先对激光测距的种类及原理进行介绍，其次分析不同种类的优缺点。
确定制作测距仪器的制作方向。
分析测量当中不同元器件存在的问题，寻找有效的解决方案，重点研究摄像头成像时存在误差的形成原因。
根据研究得到的数据，对PC客户端的程序设计进行调整。
利用程序尽可能减少由于硬件产生的误差。
重点是设计出能确定光点的定位算法，通过对摄像头的定标、激光定位，达到实验数据与实际测量误差在10%以内。
最后，提出对作品进行优化和系统功能提升计划关键词：短距离、低成本、三角测量法ABSTRACT: In this paper, the principle of laser ranging species and introduced first, followed by analysis of the advantages and disadvantages of different types. Production rangefinder to determine the direction of the production. Analytical measurements among different components of the problems, to find effective solutions to the causes errors in the presence of the camera focused on imaging. According to data obtained from studies on the client PC programming adjustments. The use of procedures to minimize errors due to hardware-generated. Focuses the light spot can be determined to design the location algorithm, through the camera calibration, laser positioning, to the experimental data and the actual measurement error is within 10%. Finally, the work in optimizing system functionality and Enhancement ProgrammeKEY WORDS: Short distance、Low cost 、Triangle measurement目录1、前言1.1激光测距1.2激光测距仪1.3三角测量法激光测距简介1.4设计目标2、测距方案2.1几种常用的测距方法2.1.1手持激光测距仪2.1.2望远镜式激光测距仪2.2测距方案选定2.3三角测量法3、硬件模块设计3.1激光发射模块设计3.2信号接收模块设计3.2.1摄像头定标3.3激光出射角4、PC程序设计4.1摄像头调用4.2光点定位5、结论前言1.1激光测距激光测距（laser distance measuring）是以激光器作为光源进行测距激光测距技术是一种集合了光学、计算机科学、机械设计等的高新技术。
摘要本文介绍光电检测器件以及光电传感器在光通信中的应用的一个实验----基与PSD的位置测量系统。
激光通信技术是当今世界发展速度最快、覆盖范围最广、渗透性最强、应用最广泛的一个高新技术领域，同时也是推动全球信息通信业发展的主要驱动力量，信息通信技术在经济、社会各个领域的广泛应用，不仅能够减少经济活动的交易费用，大大降低社会运行成本，而且能够促进知识的传播和信息的共享，对于一个国家国民整体素质的提高和经济社会的长远发展也将产生重大的意义。
光电传感器非常广泛的应用在激光通信中，它是一类把光辐射信号转变为电信号的器件,其工作原理是基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应。
虚拟仪器是现代检测仪器的发展方向。
软件就是仪器，这是虚拟仪器的基本思想。
因为，我们是利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。
所以，提高计算机软件编程效率也就成了一个非常现实的问题。
关键词：激光通信光电传感器虚拟仪器ABSTRACTThis text introduces an experiment that the photoelectricity measures the device and application in the photo-communication of photoelectric transducer ----The position measuring systems of base and PSD.The laser communication technology is the most development speed quickest, the cover scope broadest, the permeability is strongest, applies in a most widespread high-tech area, simultaneously also is impels the global information correspondence industry development the main actuation strength, the information communication in the economical, the social each domain widespread application, not only can reduce the economic activity the transaction expense, greatly reduces the social movement cost, moreover can promote the knowledge dissemination and information sharing, also will have the significant significance regarding a national national overall quality enhancement and the economic society long term development.photosensor is widespread used in the laser communication wid, it is a kind of transforms that he ray radiation signal into the electrical signal component, its principle of work is the photoelectric effect which produces based on the ray radiation and the material mutual function.The labview is the modern instrumentation development direction. Software is an instrument, this is the labview instrument basic thought. we are realize and the expansion tradition instrument function using the computer technology. Therefore, enhanced the computer software programming efficiency also to become an extremely realistic question.Key word: Laser communication, electro-optical sensor, labview目录第一章绪论 (3)1.1光通信的现状及发展 (3)1.2虚拟仪器的简介 (3)第二章光电检测的重要性及原理 (2)2.1 光电检测的重要性 (2)2.2 光电检测的原理 (3)第三章光电检测器件 (4)3.1 真空光电检测器件 (5)3.2 半导体光电导器件 (6)3.3半导体结型光电器件（光伏器件） (7)第四章光电传感器在光通信中的应用 (9)4.1实验装置 (9)4.2 虚拟仪器VI测试系统的构成框图 (10)4.3系统硬件实现 (10)4.4系统软件实现 (17)第五章实验及分析 (23)5.1实验实施 (23)5.2实验结果与分析 (25)总结 (27)致谢 (27)参考文献 (29)第一章绪论1.1光通信的现状及发展光通信是现代光学和电子学相结合的综合应用技术，它在70年代初期获得了迅速发展，而在近十年取得的进展是十分惊人的，现今已成为现代通信的主要传输手段。
