基于PSD的高速激光距离传感器的信号检测与处理

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。通过判断阈值和累积次数的调节,样机对预定目标的定距探测精度最高可达2.5cm,满足课题的要求。