專利名稱：一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置及其運(yùn)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位移測量裝置及運(yùn)用，尤其涉及基于位置敏感探測器的位移測量裝置及其運(yùn)用。
背景技術(shù)：
位置敏感探測器(Position Sensitive Detector，簡稱PSD)是一種對(duì)入射光斑重心位置敏感的半導(dǎo)體光電器件，它具有位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高，處理電路相對(duì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在位置、位移、距離、角度及其相關(guān)量的檢測中獲得越來越廣泛的運(yùn)用。基于位置敏感探測器的位移測量裝置由四部分組成，它們是PSD、半導(dǎo)體激光源、電子處理單元和固定PSD與半導(dǎo)體激光源的相對(duì)位置的支架。其中，PSD有一維和二維之分。一維PSD有兩個(gè)輸出電極，可以測量半導(dǎo)體激光源的入射光斑在一個(gè)方向(通常稱 I方向)上的位置和/或位移，二維PSD可以看作是兩個(gè)一維PSD的合成，可以確定多光束的所述入射光斑在PSD光敏面上(通常稱I，7方向上)的位置和/或位移。電子處理單元是為得出測距結(jié)果，而包括有信號(hào)預(yù)處理模塊和后繼信號(hào)處理模塊的涉及信號(hào)處理方式的單元。在現(xiàn)有的信號(hào)處理方式中，信號(hào)預(yù)處理模塊均是對(duì)所述入射光斑的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，而對(duì)于后繼信號(hào)處理模塊而言，又包括模擬信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理兩種方式，這兩種信號(hào)處理方式中所包含的計(jì)算方法，均是幅值法?，F(xiàn)以二維PSD中的雙面分流型PSD為例， 簡單介紹一下幅值法。設(shè) P S D 光敏面面積為 l( Iffl)x 輸出電流為"、12、13、/￥，幅值法是利用入射光斑在I、7方向上的位移與電流之間的關(guān)系來確定光斑位置坐標(biāo)的，用以下公式來表示
從上述式子可以看出，由于幅值法是對(duì)輸出信號(hào)幅值進(jìn)行處理，其對(duì)噪聲信號(hào)十分敏感，因此，它存在對(duì)背景光感應(yīng)敏感、抗干擾能力差、以及對(duì)光源要求高等不足。既然在數(shù)字信號(hào)處理的方法中，其計(jì)算方法采用幅值法帶來如此之多的不足，為什么又不去采用其他計(jì)算方法呢？原因是現(xiàn)有的基于位置敏感探測器的位移測量裝置只適用于幅值法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是，提供一種在其后繼信號(hào)處理模塊所用的數(shù)字信號(hào)處理中， 其計(jì)算方法能夠不用幅值法，進(jìn)而能克服現(xiàn)有技術(shù)之不足的基于位置敏感探測器的位移測
量裝置。本發(fā)明的第二目的是，提供一種采用實(shí)現(xiàn)第一發(fā)明目的之基于位置敏感探測器的位移測量裝置，進(jìn)而對(duì)背景光感應(yīng)不敏感、抗干擾能力較強(qiáng)，能降低光源要求的運(yùn)用方法。為了實(shí)現(xiàn)所述第一發(fā)明目的，提供這樣一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置，它與現(xiàn)有技術(shù)相同的方面是，該位移測量裝置包括二維PSD，其入射光斑照射到該二維 PSD光敏面上的半導(dǎo)體激光源，采集二維PSD的電流信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理的信號(hào)預(yù)處理模塊， 進(jìn)一步對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)處理模塊。其改進(jìn)之處是，所述信號(hào)預(yù)處理模塊包括，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大的I/V轉(zhuǎn)換模塊，與該I/V轉(zhuǎn)換模塊連接且輸出電壓信號(hào)值為0 3V的次級(jí)放大模塊和低通濾波模塊；所述數(shù)字信號(hào)處理模塊包括，A/D轉(zhuǎn)換模塊和DSP核心模塊，其中，A/D轉(zhuǎn)換模塊包括均有8路輸入的兩個(gè)并聯(lián)的多路模擬開關(guān)，分別與這兩個(gè)多路模擬開關(guān)連接的兩個(gè)采樣保持器，與這兩個(gè)采樣保持器連接的采樣保持器多路選擇開關(guān)和與采樣保持器多路選擇開關(guān)連接的A/D轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)所述第二發(fā)明目的，提供一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置的運(yùn)用方法，該運(yùn)用方法所采用的位移測量裝置是實(shí)現(xiàn)第一發(fā)明目的之方案的基于位置敏感探測器的位移測量裝置；該運(yùn)用方法的步驟如下
(1)根據(jù)需要，經(jīng)過不同頻率調(diào)制出所述半導(dǎo)體激光源的多束正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源，并讓其照射在所述二維PSD光敏面上得到對(duì)應(yīng)數(shù)量的入射光斑；
(2)通過所述信號(hào)預(yù)處理模塊中的I/V轉(zhuǎn)換模塊，采集由各個(gè)入射光斑在所述二維PSD 中的轉(zhuǎn)換電流所疊加而成的四路輸出電流，這四路輸出電流分別是該二維PSD的X方向上 2個(gè)電極的輸出電流、Y方向上2個(gè)電極的輸出電流；并通過該I/V轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)所述輸出電流到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大；然后，依次通過所述信號(hào)預(yù)處理模塊中的次級(jí)放大模塊和低通濾波模塊，輸出其值為0 3V的對(duì)應(yīng)所述X方向的電壓信號(hào)和對(duì)應(yīng)所述Y方向的電壓信號(hào)；
(3)通過所述A/D轉(zhuǎn)換模塊中的兩個(gè)多路模擬開關(guān)和與它們分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)采樣保持器，讓所述X方向電壓信號(hào)和所述Y方向電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)其相位信息是采自同一時(shí)刻的同步鎖存；然后，把同步鎖存的所有電壓信號(hào)依次通過所述采樣保持器多路選擇開關(guān)傳送到所述A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
(4)把進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后所述電壓信號(hào)傳送到所述DSP核心模塊中，以對(duì)所述電壓信號(hào)的離散序列分別做#點(diǎn)的FFT運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果保存到該DSP核心模塊內(nèi)的存儲(chǔ)空間 ’然后，繼續(xù)對(duì)該運(yùn)算結(jié)果分別求幅頻特性，再根據(jù)幅頻特性和初相位的關(guān)系求出各信號(hào)的初相位，進(jìn)而求出Z方向和7方向上對(duì)應(yīng)信號(hào)的相位差；該相位差進(jìn)一步處理得到Z方向和7 方向上的位置信息，最后以位置坐標(biāo)的形式輸出到顯示裝置中顯示出來。從實(shí)現(xiàn)第一發(fā)明目的和第二發(fā)明目的之方案中可以看出，本發(fā)明首先對(duì)數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)也對(duì)信號(hào)預(yù)處理模塊進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，這樣一來，在對(duì)經(jīng)過預(yù)處理后的電壓信號(hào)進(jìn)行后繼的數(shù)字化處理時(shí)，就能夠采用能克服現(xiàn)有技術(shù)之不足的相位法了。由于經(jīng)過不同頻率調(diào)制的多束入射光斑照射在PSD光敏面上時(shí)，PSD將每束光斑轉(zhuǎn)換為同頻率的電流信號(hào)，其電極輸出多個(gè)電流疊加的信號(hào)，這些疊加的信號(hào)具有特定的頻率；又因PSD感應(yīng)的背景光主要為白光噪聲，其頻率和PSD轉(zhuǎn)換得到的電流信號(hào)頻率不相關(guān)，在運(yùn)用本裝置及相位法后，1)由白光噪聲產(chǎn)生的電流信號(hào)通過隔直和低通電路后能較好地濾除；2)未濾除的噪聲(所有的電路都一定存在部分噪聲)由于頻率和有用信號(hào)頻率不相關(guān)，且功率極小，故對(duì)本發(fā)明的基于位置敏感探測器的位移測量裝置的測量精度的影響可以忽略，所以這種方法能有效地克服幅值法對(duì)背景光感應(yīng)敏感、抗干擾能力差以及對(duì)光源要求高等缺點(diǎn)。簡言之，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)
1)降低了對(duì)光源的要求、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，有效地?cái)U(kuò)展了PSD的運(yùn)用范圍，如背景光無法消除，無法提供高精度激光源的場合；
2)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和測量精度；
3)信號(hào)處理電路進(jìn)一步簡化，降低了設(shè)計(jì)和運(yùn)用成本。


圖1是本發(fā)明主要結(jié)構(gòu)的示意圖2是本發(fā)明中二維PSD在入射光斑照射下的示意圖； 圖3是本發(fā)明的信號(hào)預(yù)處理模塊框圖； 圖4是本發(fā)明的數(shù)字信號(hào)處理模塊框圖； 圖5是本發(fā)明的A/D轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式一、一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置(參考圖1、2、3、4、5)，它包括二維 PSD,其入射光斑照射到該二維PSD光敏面上的半導(dǎo)體激光源，采集二維PSD的電流信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理的信號(hào)預(yù)處理模塊，進(jìn)一步對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)處理模塊 (本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，在實(shí)際運(yùn)用的基于位置敏感探測器的位移測量裝置中，還應(yīng)包括固定PSD與半導(dǎo)體激光源的相對(duì)位置的支架，發(fā)出人工指令的操作鍵盤，顯示指令和探測結(jié)果的顯示器及其相應(yīng)的鍵盤模塊和顯示模塊)。在本發(fā)明中，所述信號(hào)預(yù)處理模塊包括，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大的ΙΛ轉(zhuǎn)換模塊，與該I/V轉(zhuǎn)換模塊連接且輸出電壓信號(hào)值為0 3V的次級(jí)放大模塊和低通濾波模塊；所述數(shù)字信號(hào)處理模塊包括，A/D轉(zhuǎn)換模塊和DSP核心模塊，(DSP為數(shù)字信號(hào)處理器Digital Signal Processor的簡稱)，其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊包括均有8路輸入(ADCINA0 ADCINA7，ADCINB0 ADCINB7)的兩個(gè)并聯(lián)的多路模擬開關(guān)(MUXA、MUXB)，分別與這兩個(gè)多路模擬開關(guān)(MUXA、MUXB)連接的兩個(gè)采樣保持器(S/HA、S/HB)，與這兩個(gè)采樣保持器(S/HA、S/HB)連接的采樣保持器多路選擇開關(guān)(S/H MUX)和與采樣保持器多路選擇開關(guān)(S/H MUX)連接的A/D轉(zhuǎn)換器(A/D Converter)。二、一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置的運(yùn)用方法(參考圖1、2、3、4、5)，該運(yùn)用方法所采用的位移測量裝置是上述具體實(shí)施方式
一的基于位置敏感探測器的位移測量裝置；該運(yùn)用方法的步驟如下
(1)根據(jù)需要，經(jīng)過不同頻率(/2、f2、/丨)調(diào)制出所述半導(dǎo)體激光源的多束正弦信
號(hào)驅(qū)動(dòng)光源(g” g2、g3),并讓其照射在所述二維PSD光敏面上得到對(duì)應(yīng)數(shù)量的入射光斑(A、B、C)；在圖2中，A (xl，x2)、B (x2，x2)、C (x3，y3)分別表示A、B、C三個(gè)入射光斑在二維PSD光敏面的位置坐標(biāo)。(2)通過所述信號(hào)預(yù)處理模塊中的I/V轉(zhuǎn)換模塊，采集由各個(gè)入射光斑在所述二維PSD中的轉(zhuǎn)換電流所疊加而成的四路輸出電流，這四路輸出電流分別是該二維PSD的X 方向(X1、X2)上2個(gè)電極的輸出電流(/ΛΛ )、Υ方向(Υ1、Υ2)上2個(gè)電極的輸出電流(/J、
514)；并通過該I/V轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)所述輸出電流(/7、Λ 、13、14)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大；然后，依次通過所述信號(hào)預(yù)處理模塊中的次級(jí)放大模塊和低通濾波模塊，輸出其值為 0 3V的對(duì)應(yīng)所述X方向的電壓信號(hào)(Ml、U2)和對(duì)應(yīng)所述Y方向的電壓信號(hào)(M3、U4)；
(3)通過所述A/D轉(zhuǎn)換模塊中的兩個(gè)多路模擬開關(guān)(MUXA、MUXB)和與它們分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)采樣保持器(S/HA、S/HB)，讓所述X方向電壓信號(hào)(W、似)和所述Y方向電壓信號(hào)(JJ3、 似)實(shí)現(xiàn)其相位信息是采自同一時(shí)刻的同步鎖存；然后，把同步鎖存的所有電壓信號(hào)(W、 U2、U3、U4、依次通過所述采樣保持器多路選擇開關(guān)(S/H MUX)傳送到所述A/D轉(zhuǎn)換器(A/D Converter)中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
(4)把進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后所述電壓信號(hào)(Ml、U2、U3、U4)傳送到所述DSP核心模塊中，以對(duì)所述電壓信號(hào)(JJ1、U2、U3、U4、的離散序列分別做#點(diǎn)的FFT運(yùn)算(快速傅立葉變換)，并將運(yùn)算結(jié)果保存到該DSP核心模塊內(nèi)的存儲(chǔ)空間；然后，繼續(xù)對(duì)該運(yùn)算結(jié)果分別求幅頻特性，再根據(jù)幅頻特性和初相位的關(guān)系求出各信號(hào)的初相位，進(jìn)而求出I方向和/方向上對(duì)應(yīng)信號(hào)的相位差；該相位差進(jìn)一步處理得到X方向和/方向上的位置信息，最后以位置坐標(biāo)的形式輸出到顯示裝置中顯示出來。為協(xié)助更多的普通技術(shù)人員理解本發(fā)明，現(xiàn)以三束正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源照射在二維 PSD光敏面上，以X方向(圖2中的X1、X2)的兩路輸出電流為例，分別介紹一下相位法的原理、利用FFT算法來實(shí)現(xiàn)鑒相的原理。相位法的原理
根據(jù)PSD的RC傳輸線模型，在同一方向上的兩個(gè)電極輸出信號(hào)的初相位(&、ΘΜ )分別為
權(quán)利要求
1.一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置，它包括二維PSD，其入射光斑照射到該二維PSD光敏面上的半導(dǎo)體激光源，采集二維PSD的電流信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理的信號(hào)預(yù)處理模塊，進(jìn)一步對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)處理模塊，其特征在于，所述信號(hào)預(yù)處理模塊包括，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大的ΙΛ轉(zhuǎn)換模塊，與該I/V轉(zhuǎn)換模塊連接且輸出電壓信號(hào)值為0 3V的次級(jí)放大模塊和低通濾波模塊；所述數(shù)字信號(hào)處理模塊包括，A/D轉(zhuǎn)換模塊和DSP核心模塊，其中，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊包括均有8路輸入(ADCINA0 ADCINA7, ADCINB0 ADCINB7)的兩個(gè)并聯(lián)的多路模擬開關(guān)(MUXA、MUXB)，分別與這兩個(gè)多路模擬開關(guān)(MUXA、MUXB)連接的兩個(gè)采樣保持器(S/HA、S/HB)，與這兩個(gè)采樣保持器(S/ HA、S/HB)連接的采樣保持器多路選擇開關(guān)(S/H MUX)和與采樣保持器多路選擇開關(guān)(S/H MUX)連接的 A/D 轉(zhuǎn)換器(A/D Converter)ο
2.一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置的運(yùn)用方法，其特征在于，該運(yùn)用方法所采用的位移測量裝置是權(quán)利要求1所述的基于位置敏感探測器的位移測量裝置；該運(yùn)用方法的步驟如下(1 ) 根據(jù)需要， 經(jīng)過不同頻率 (/ρ /2、/3)調(diào)制出所述半導(dǎo)體激光源的多束正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源(幻、g2、g3),并讓其照射在所述二維PSD光敏面上得到對(duì)應(yīng)數(shù)量的入射光斑(A、B、C)；(2)通過所述信號(hào)預(yù)處理模塊中的I/V轉(zhuǎn)換模塊，采集由各個(gè)入射光斑在所述二維PSD 中的轉(zhuǎn)換電流所疊加而成的四路輸出電流，這四路輸出電流分別是該二維PSD的X方向 (X1、X2)上2個(gè)電極的輸出電流(/ΛΛ )、Υ方向(Y1、Y2)上2個(gè)電極的輸出電流(/J、i￥); 并通過該I/V轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)所述輸出電流(/7、/J 、/J、i￥)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換和初級(jí)放大； 然后，依次通過所述信號(hào)預(yù)處理模塊中的次級(jí)放大模塊和低通濾波模塊，輸出其值為0 3V的對(duì)應(yīng)所述X方向的電壓信號(hào)(Ml、U2)和對(duì)應(yīng)所述Y方向的電壓信號(hào)(M3、U4)；(3)通過所述A/D轉(zhuǎn)換模塊中的兩個(gè)多路模擬開關(guān)(MUXA、MUXB)和與它們分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)采樣保持器(S/HA、S/HB)，讓所述X方向電壓信號(hào)(W、似)和所述Y方向電壓信號(hào)(JJ3、 似)實(shí)現(xiàn)其相位信息是采自同一時(shí)刻的同步鎖存；然后，把同步鎖存的所有電壓信號(hào)(W、 U2、U3、U4、依次通過所述采樣保持器多路選擇開關(guān)(S/H MUX)傳送到所述A/D轉(zhuǎn)換器(A/D Converter)中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；(4)把進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后所述電壓信號(hào)(Ml、U2、U3、U4)傳送到所述DSP核心模塊中，以對(duì)所述電壓信號(hào)(M1、U2、U3、U4、的離散序列分別做#點(diǎn)的FFT運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果保存到該DSP核心模塊內(nèi)的存儲(chǔ)空間；然后，繼續(xù)對(duì)該運(yùn)算結(jié)果分別求幅頻特性，再根據(jù)幅頻特性和初相位的關(guān)系求出各信號(hào)的初相位，進(jìn)而求出Z方向和7方向上對(duì)應(yīng)信號(hào)的相位差；該相位差進(jìn)一步處理得到Z方向和7方向上的位置信息，最后以位置坐標(biāo)的形式輸出到顯示裝置中顯示出來。
全文摘要
一種基于位置敏感探測器的位移測量裝置及其運(yùn)用方法。本發(fā)明采用的位置敏感探測器為二維PSD；并重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有基于位置敏感探測器的位移測量裝置中的信號(hào)處理模塊進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)信號(hào)預(yù)處理模塊進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，以確保在對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的方法中，運(yùn)用相位法。其運(yùn)用方法的步驟中，包括了為運(yùn)用相位法而進(jìn)行的多光束調(diào)制，信號(hào)預(yù)處理及轉(zhuǎn)換，后繼數(shù)字化處理及轉(zhuǎn)換等步驟，然后，利用FFT算法計(jì)算出各個(gè)頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位信息，進(jìn)一步處理各個(gè)相位信息可獲取多個(gè)光斑在PSD光敏面上的位移信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多光束的光斑位置精確測量。具有精度高、靈活性好、系統(tǒng)穩(wěn)定、信號(hào)處理電路簡單、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B21/04GK102155929SQ20111007724
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者吳騰蛟, 席鋒, 段瑩, 秦嵐, 翟昌民, 薛聯(lián) 申請人:重慶大學(xué)