基于2D-PSD的激光位移测量系统设计

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。

《二维激光雷达测距系统的研究与设计》篇一一、引言随着科技的飞速发展，激光雷达技术已成为现代测距系统的重要手段。

二维激光雷达测距系统作为该领域的一个重要分支，广泛应用于无人驾驶车辆、无人机飞行控制、工业测量和定位等众多领域。

本文将探讨二维激光雷达测距系统的基本原理、关键设计要点及其实际应用。

二、二维激光雷达测距系统基本原理二维激光雷达测距系统利用激光束的直线传播特性，通过发射激光束并接收反射回来的信号，测量物体与激光雷达之间的距离。

该系统主要由激光发射器、接收器、扫描器和控制系统等部分组成。

其基本工作原理如下：首先，控制系统通过扫描器驱动激光发射器，发射激光束并投射到物体表面。

随后，激光雷达接收反射回来的激光信号，并通过接收器对信号进行转换和计算。

最后，控制系统根据接收到的信号，计算物体与激光雷达之间的距离，并将结果进行显示和输出。

三、关键设计要点（一）硬件设计在硬件设计方面，激光发射器和接收器的选择是关键。

优质的发射器和接收器可以确保系统的测距精度和响应速度。

此外，扫描器的性能和精度也会对测距结果产生重要影响。

因此，在硬件设计过程中，需要综合考虑各部分的技术指标和性能要求，确保整个系统的稳定性和可靠性。

（二）软件设计在软件设计方面，控制系统是核心部分。

控制系统的功能主要包括发射控制信号、接收和处理数据等。

为保证系统的工作效率和测距精度，控制系统应采用高效率的算法和程序进行设计。

此外，系统的实时性和稳定性也是软件设计的重要考虑因素。

（三）系统集成与调试在完成硬件和软件设计后，需要进行系统集成与调试。

这一过程包括各部分之间的连接、调试和测试等环节。

在调试过程中，需要关注系统的性能指标，如测距精度、响应速度等，确保整个系统的性能达到设计要求。

四、实际应用与前景二维激光雷达测距系统具有广泛的应用领域和巨大的发展潜力。

在无人驾驶车辆中，该系统可用于车辆定位、障碍物检测和路径规划等任务；在无人机飞行控制中，可用于飞行姿态的监测和调整；在工业测量和定位中，可用于生产线检测、机械臂控制和物品识别等任务。

激光位移检测课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解激光位移检测的基本原理，掌握影响激光位移检测精度的因素；2. 使学生掌握激光位移传感器的构造、工作原理及其在工程领域的应用；3. 帮助学生了解激光位移检测技术在现代科技发展中的地位和作用。

技能目标：1. 培养学生运用激光位移传感器进行实际测量的操作技能，提高实际操作能力；2. 培养学生分析和解决激光位移检测过程中出现问题的能力；3. 培养学生通过查阅资料、开展小组讨论等方式，自主探究激光位移检测技术的新进展。

情感态度价值观目标：1. 激发学生对激光位移检测技术的学习兴趣，培养其积极探索、勇于实践的精神；2. 培养学生具备良好的团队合作意识，提高沟通协调能力；3. 增强学生对我国激光位移检测技术发展的自豪感，激发其为国家科技创新贡献力量的意愿。

课程性质分析：本课程为应用物理学科，结合实际工程应用，强调理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力和创新意识。

学生特点分析：学生处于高年级阶段，具备一定的物理基础知识，具有较强的学习能力和动手能力，但对激光位移检测技术的了解有限。

教学要求：结合学生特点，采用启发式教学，引导学生主动探究，注重理论与实践相结合，提高学生的综合运用能力。

通过本课程的学习，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面均取得具体的学习成果，为后续相关课程的学习和实际应用打下坚实基础。

二、教学内容1. 激光位移检测基本原理：包括激光的传播特性、反射原理以及激光位移传感器的工作原理；教材章节：第三章“光电子技术”第2节“激光原理与应用”。

2. 激光位移传感器结构与性能：介绍不同类型的激光位移传感器结构、性能指标及其在工程中的应用；教材章节：第四章“传感器技术”第1节“传感器概述”及第3节“光传感器”。

3. 影响激光位移检测精度的因素：分析环境、设备、操作等方面对激光位移检测精度的影响；教材章节：第四章“传感器技术”第4节“传感器性能分析”。

一种基于LabVIEW的相位法PSD微位移测量系统设计吴腾蛟;薛联;段莹;席锋;秦岚【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2011(30)12【摘要】PSD detection technique based on phase method has advantages of simple processing circuit, high detecting precision, strong anti-interference ability and good environmental adaptability, compared with amplitude method. A micro-displacement measurement system based on LabVIEW and 2D duo-lateral PSD is designed. Experimental results reveal that the phase difference of the PSD output signal and the light spot position have good linear relation,and the nonlinear error is less than0.1 %.%基于相位法的位置敏感探测器(PSD)检测技术较之幅值法具有处理电路简单、检测精度高、抗干扰能力强、环境适应性好等优点.利用二维双面分流型PSD 和LabVIEW虚拟仪器平台,实现了基于相位法的PSD微位移测量系统的设计.实验表明:PSD输出信号的相位差和光斑位置具有良好的线性关系,非线性误差小于0.1％.【总页数】3页(P116-118)【作者】吴腾蛟;薛联;段莹;席锋;秦岚【作者单位】重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044【正文语种】中文【中图分类】TP212.1【相关文献】1.一种基于高精度PSD的称量系统设计 [J], 李海军;熊和金2.基于PSD的微位移测量系统研究 [J], 王帅帅;祝连庆;周维虎;董登峰;周培松3.基于PSD的微位移测量系统研究 [J], 程意;董登峰;周维虎;卢荣胜;林心龙4.一种基于DSP的PSD相位法位移检测系统的研究 [J], 翟昌民;秦岚;薛联;席锋;段莹5.基于PSD的激光微位移测量系统 [J], 蒋丽雁;李立群因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

红外PSD距离测量系统总体设计1 PSD原理1.1 一维PSD 工作原理图1 为一维PSD 的工作原理图, 它的受光面为P- Si( P 型硅) , 同时也是个均匀电阻层。

设1, 2 两电极间距离为2L。

如果入射光点位于A 点, 则电极0的电流I0 等于电极1 的电流I1 和电极2 的电流I2 之和, 即:I0=I1+I2电极1, 2 输出的光电流I1 和I2 与A 点至电极1, 2 的距离成反比, 即I1=I0*(L-XA)/2LI2=I0*(L+XA)/2L则：XA=L*(I2-I1)/(I1+I2) (1)用式(1) 即可确定光斑能量中心对于器件中心的位置XA, 它只与I1, I2的和、差及比值有关, 而与总电流I0 无关( 即与入射光通量的大小无关) 。

1.2 二维PSD 工作原理二维PSD 有5 个电极引出线, 其工作原理见图2。

图2 二维PSD工作原理图入射光斑坐标可由下式计算:X=L*(I2-I1)/(I1+I2)Y=L*(I4-I3)/(I3+I4)2.位置测量系统原理分析应用PSD 进行非接触式位置测量是根据光学三角法测距的原理进行的,其结构见图3。

光源发出的光经发射透镜L1聚焦投射到待测物体上,部分反射(散射)光由接收透镜L2 成像到一维PSD上, 若透镜L1和L2的中心距为b,透镜L2到PSD表面之间的距离为f。

聚焦在PSD表面的光点距PSD中心的距离为X,则根据相似三角形PAB和BCD,得:D=b·f/X(2)将式(1)代入式(2),即可知物体位移尺寸的变化3 位置测量系统的硬件分析3.1 PSD器件的选择国外对PSD的原理及应用研究较早,加上欧美、日本等国家发达的半导体工业, 因此这些国家生产的PSD 器件性能稳定, 精度高, 已经形成了系列化的成熟产品。

其中, 日本滨松光子学公司生产的S 系列PSD 产品, 在国内应用较为广泛。

结合PSD 的性能参数、测距的影响因素及注意事项, 这里采用S3932 型PSD, 其响应速度为3 μs, 分辨率为0.3 μm,有效敏感区为1×12 mm2。

位移测量系统的设计首先，位移测量系统的设计需要考虑测量的精度。

精度是指测量结果与真实值之间的误差。

为了提高测量精度，可以采用以下方法：1.选择合适的测量原理：根据具体的应用需求和测量对象的特性，选择适合的测量原理。

比如，可以使用激光干涉测量原理、电阻应变片原理或光电编码器原理等。

2.优化测量仪器：采用优质的传感器和测量设备，以提高测量系统的灵敏度和稳定性。

同时，还应考虑降低传感器自身的噪声和干扰。

3.消除测量误差：通过校准和校验等方法，消除仪器和系统本身的误差。

对于激光干涉仪等高精度测量设备，可以采用环境温度和湿度控制、漂移校正技术等来校正误差。

其次，位移测量系统的设计还需要考虑测量范围。

根据应用需求和测量对象的尺寸，选择合适的测量范围。

如果要测量较长距离的位移，可以使用光学测距仪或毫米波雷达等远距离测量设备。

对于微小位移的测量，可以采用纳米测量技术或压电传感器等高灵敏度传感器。

此外，位移测量系统的设计还需要考虑实时性和可靠性。

实时性是指测量结果的反馈速度，可以通过选择高速传感器和快速信号处理器等手段来实现。

可靠性是指测量系统的长期稳定性和可靠性，可以通过优化系统结构和使用可靠的元器件来提高。

最后，位移测量系统的设计还需要考虑数据处理和输出。

测量结果可以通过数字显示屏、计算机界面或数据存储设备等方式输出。

此外，还可以根据需求对测量数据进行处理和分析，比如使用滤波算法、数据压缩等。

总结起来，位移测量系统的设计需要考虑测量精度、测量范围、实时性和可靠性等因素。

在设计过程中，应根据具体应用需求选择合适的测量原理和传感器，并优化测量仪器和系统结构。

通过合理的数据处理和输出方式，可以实现准确、稳定和可靠的位移测量。

激光干涉纳米位移测量系统设计总体构思及方案确定：一、光学测量方法是伴随激光、全息等技术的研究发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应性广,测量点小、测量精度高、可用于实时在线快速测量等特点,在微位移测量中得到了广泛的应用。

特别是近20年来电子技术与计算机技术飞速发展为位移的光学测量提供了有力支持,使其理论研究不断深入,并将成果逐步应用到工业生产领域。

按使用光学的原理不同分为以下几种方法：1、光外差法：光外差法是利用光外差原理,激光束通过分光束分成两束光，一束经过光频移器后，得到一个频移，作为测量光束；另一束未经频移的光束作为参考光束。

测量光聚焦在被测表面，其反射光再次经过一定频移后与参考光束会合，经偏振片相互干涉由光电接收器接收，从而获得被测表面的微位移。

这种方法的测量精度与分辨率都比较高，分辨率能达到亚纳米级，因此受到人们的普遍重视，比较适用于超精度表面的测量，但量程小、结构复杂、成本比较高。

2 电镜法电镜法是利用电子显微镜直接得到被测表面的微位移。

但目前其产品体积大，且局限于在实验室研究使用，不能用于加工生产现场。

3 激光三角测量法三角法测量法是种传统的测位移方法，将被测物表面与光源及接收系统摆在三个点，构成三角形光路。

其工作过程主要是:激光光源发出的光束经透镜照射被测物体表面上；光线由物体表面漫反射，一部分被光电接收系统接收。

如果物体表面高低不平，则在光电接收探测器的光敏面上的光斑有一定的移动，根据三角形相似原理可求出物体表面的位移。

4 干涉法测量干涉测量法是基于光波的干涉原理测位移的方法。

激光的出现使干涉测量位移的应用范围更加广泛。

其测量的基本原理是:由激光器发出的光经分光镜分为两束，一束射向干涉仪的固定参考臂，经参考反射镜返回后形成参考光束；另一束射向干涉仪的测量臂，测量臂中的反射镜随被测物体表面的位移变化而移动，这束光从测量反射镜后形成测量光束。

测量光束和参考光束的相互叠加干涉形成干涉信号。

基于PSD的腔体相对位移测量方法设计焦新泉;杨文豪;储成群;李治华;李锐锐【摘要】为了测量只能在侧壁安装检测装置的腔体间相对位移,设计了基于面光源的光位移传感器(PSD)位移测量系统.系统将PSD两路电信号的I-V转换、反向放大等信号调理在一片AD824处理,并采用对射式的检测方法,减小了系统体积,简化了结构设计.介绍了位移测量实现过程,并设计系统的标定工装,通过数据后处理方法减小测量误差,提高测量精度.实验结果表明,系统在30 mm量程范围内线性度好,可重复性高,工作在10 kHz不失真,可用于腔体振动等测量,具有很高的实用性.%The measurement of relative movement makes it difficult to settle the detector on objective structure.For the special cavity structure that the detector could only settle on its broadside,a correlative measurement circuit was designed based on PSD(Position Sensitive Detector).The I-V conversion,reverse amplification and other signal conditioning methods are processed on a single AD824.The opposite-type detection method reduces the physical size and simplifies the structural design..The source and sensor are installed out of the cavity,so kinematic interference is avoided.A simple light source design can get high measurement precision,and also make it feasibility.Movement measuring process was introduced in detail,and the calibration fixture is designed for the system.Measurement errors were minimized through data post-processing method which could improve the accuracy of measurement.Experiments show that the system has high repeatability and fast response within 30mm ranges,which can be applied to relative movement measurement system in similar structures.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)004【总页数】4页(P1005-1008)【关键词】非接触测量相;相对位移;PSD;面光源【作者】焦新泉;杨文豪;储成群;李治华;李锐锐【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,太原 030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,太原 030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,太原 030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,太原 030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术重点实验室,太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TP212.9非接触位移测量具有不干涉被测物体运动、受力等优点,典型的测量方法包括光电式、电容式、电感式、微波、超声、电涡流式等方式。