基于光電探測器的激光定位系統設計

陳宏達，劉鵬，王曉曼，牟暢

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

激光定位是對光電信號進行處理獲得光斑質心位置的一種技術，應用在位移測量和探測目標的實時跟蹤。以光電探測器件為核心的測量系統是研究的熱點，同時激光三角法是很經典的定位測量方法。當目標發生位置變化時，探測器輸出的信號計算光斑質心位置得到物體相對位移。可廣泛應用于激光制導、自由空間的激光通信、精密工業檢測等領域。未來激光測距技術發展方向一定是高度集成、低功耗的。目前市面上有很多種光電探測器件，進行對比后選擇PSD。隨著PSD的發展和改良，在工業和農業，還有航空和軍事領域都起到了非常重要的作用，更廣泛的應用于各個領域。STM32系列芯片是意法半導體公司開發的一種ARM內核系列產品的總稱，這一系列產品有著成本低功耗低性能優良等特點。本系統以激光三角法為基礎基于PSD和STM32的設計，小巧靈便、處理速度很快、精度也很高具有很高的實用價值。

1 器件選擇及工作原理

1.1 光電探測器件的選取

目前常用的光電探測器件主要有QD（四象限探測器）、CCD（電荷耦合器件）和PSD（位置敏感器件）。QD存在死區，光斑很小時很容易影響測量結果的準確性，而且測量的動態范圍也很小。CCD響應速度慢驅動電路也復雜，信號是非連續性的。綜合以后所以選擇PSD（位置敏感器件），因為其具有結構簡單、響應速度快、分辨率高、不存在死區、可靠性好等優點。

1.2 PSD工作原理

PSD光電傳感器是已經發展起來很成熟的一種新型的位置探測器，PSD是通過把對光感面上入射光斑位置轉換成電信號進行輸出的一種光電器件。PSD一般為P-I-N結構，機理與光電二極管類似，PSD的即時探測精度和光斑尺寸無關，只與光斑重心有關。輸出X1、X2、Y1、Y2。它的坐標原點選在PSD器件的幾何中心，則有公式如下：

入射光斑落在PSD器件感光面的不同位置時，感光器件將會輸出不同大小的電信號。通過計算對此輸出電信號的處理就可以得到光斑坐標，即可確定入射光斑在PSD感光面的位置。本文采用S5990-01型號的PSD器件，分辨率為0.2mm，敏感區為4.5mm*4.5mm，L=4.5mm。

2 系統設計

2.1 激光三角法原理及光路設計

由于激光三角法結構簡單抗干擾性強所以實用性很強，具有高穩定性和高測量精度的優點，被廣泛應用于測量定位領域。其原理是將激光照射到被測物體表面，利用透鏡收集漫反射光斑，然后匯聚到光接受器件上，當被測物體移動的時候光斑也會對應移動。根據入射光和被測物體的夾角不同，它分為直射式測量和斜射式測量，直射式適合表面不是特別粗糙的物體而且光斑很小并且結構緊湊實用，所以采用直射式三角法，PSD接收到被測物體的聚焦反射光，圖1為基于PSD進行設計的直射式三角法的光路原理圖。

圖1 直射式三角法光路原理圖

由圖可以推導出公式：

其中，Δd是被測物體距離，Δd'是光斑在PSD光面上移動的距離，d0是物距，d1是像距，β是主光軸和PSD的夾角，θ是入射光和反射光的夾角。被測物體由M移動到M’處，PSD所接收到的光斑位置由O’移動到了A’。為了滿足成像公式，所搭建的光路系統必須滿足理想成像條件，PSD接收透鏡和激光光軸它們所在的平面相交同一點。并且被測物體移動的最大距離為4.5mm。本系統實驗選擇物距d0為60mm，像距d1為20mm，由于都是已知量，Δd'的值要小于1.5mm，但不能太小，選用的凸透鏡f為15mm，根據實驗要求比較以后最后選定θ為48度、β為73度、所以可以求出Δd。

2.2 信號處理電路的設計

PSD的輸出信號很微弱，而且輸出的電流信號不方便測量，所以設計了一套信號處理電路方便檢測流程如圖2所示。

圖2 信號處理流程圖

根據流程圖繪制原理圖對放大電路的具體參數和設計如圖3所示。

圖3 放大電路原理圖

由圖3可知第一部分是電流放大器，是一個電流——電壓轉換器（I/V變換部分）。第二部分是濾波和電壓放大電路，第三部分是信號跟隨部分，起到緩沖隔離和提升帶載能力。根據測量需要的不同還可以調節滑動變阻器來改變放大倍數。這里選用的放大器型號是OP07CP。通過此套電路的設計可以對PSD的輸出電流信號進行處理方便后面采集運算。最后將處理的信號輸出給STM32進行AD處理。

2.3 STM32ADC采集

將處理過后的信號輸出給STM32進行ADC采集，本文選用STM32F103ZET6芯片，接口豐富功能強大，內部AD直接進行采集，采集后的數據直接顯示在由STM32驅動的LCD液晶屏上，方便直觀。液晶屏驅動方式是用SPI方式驅動。STM32F103ZET6芯片的AD是12位逐次逼近型的模數轉換器，最大的轉換速率為1Mhz，也就是轉換時間為1μs，不要讓ADC的時鐘超過14M，否則轉換精度將會下降。轉換效果如圖4所示。

圖4 采集效果圖

采集數據后進行運算得到測量位置坐標（X，Y）并且在LCD實時顯示出來，進行對比然后可以得到位移量。

3 系統實驗檢測與結果

為了驗證系統的有效性進行了實驗，手動調整二維精密轉臺移動，光源發射激光照射到被測物體上，通過成像鏡頭成像在PSD上，被測物體發生移動時，光斑在PSD光敏面相應移動，輸出電信號。軟件部分是以KEIL5為編譯環境，以STM32為控制器進行編程，實時采樣信號進行運算處理。使用STM32內部AD四路通道進行采集，計算出當前的坐標（X，Y）進行對比后得到位移量。然后把測量的實驗結果和物體實際的移動結果進行對比并且計算測量誤差。系統流程圖如圖5所示。

圖5 系統流程圖

以0.1mm為單位移動1mm，選取十組靜態數據測量分析，得到PSD的靜態測量誤差范圍小于6μm，在合理誤差范圍之內，如圖6。

圖6 靜態誤差圖

為了測量本系統存在的測量誤差，繼續做了實驗，由于Δd和px，py成比例關系，通過軟件計算可算得Δd。把被測物體每次移動0.1mm，在0.2～5.0mm的范圍內得到的測量結果如圖7所示。

圖7 測量結果圖

圖7為0.2～4mm的范圍內測量結果。誤差的平均值為0.011mm，標準偏差為0.030mm。對此實驗系統進行測量以后對比實驗數據，然后對實驗結果產生的誤差也進行了分析，然后把系統進行了優化在正負4.5mm范圍內位移進行快速測量，本系統的實際測量精度為30μm，可應用于精密儀器的測量。

4 結束語

本文根據激光三角法基于PSD和STM32的激光定位系統測量位置具有簡單、高效、準確的優點，在平穩環境下進行實驗，能夠方便、有效的實時對激光位置進行定位，實現微弱信號的精確檢測，在此系統的基礎上還可以繼續提升系統的精度和可用性，加入上位機實時控制。光路系統部分可以更加簡潔高效。而且PSD體積小實時性高，整套電路搭載簡單，在信號處理部分也還可以加入反饋電路匹配不同反射能力的實物。可能出現的誤差方面還可以繼續改進，如光學裝配和調試誤差、系統的背景光、暗電流噪聲等。