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      基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):12265166閱讀:1049來(lái)源:國(guó)知局
      基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統(tǒng)的制作方法與工藝

      本發(fā)明屬于精密自動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及一種位移傳感器系統(tǒng),可用于非接觸式測(cè)量。



      背景技術(shù):

      激光位移傳感器以其卓越的測(cè)量性能,實(shí)現(xiàn)非接觸在線測(cè)量位移,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)重要構(gòu)件在承載時(shí)發(fā)生微量變形。近幾年,特別是隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的不斷發(fā)展,激光位移傳感器逐漸成為非接觸檢測(cè)產(chǎn)品的主流,在國(guó)外已較為普遍使用非接觸式的測(cè)量方法進(jìn)行高精度的檢測(cè)。

      目前激光位移傳感器使用的光電器件主要有位置敏感探測(cè)器PSD、電荷耦合元件CCD。采用滿(mǎn)足Scheimpflug條件的直射式或斜射式三角測(cè)量法為測(cè)量依據(jù),通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)光電器件的時(shí)序控制和半導(dǎo)體激光電路的控制以及數(shù)字信號(hào)的采集,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光電器件模擬輸出信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換,通過(guò)DSP與FPGA的交互實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理及輸出。這種傳感器由于采用PSD或CCD作為傳感器光電器件,不僅測(cè)量精度不高,而且外圍電路和時(shí)序控制都比較復(fù)雜,同時(shí)由于使用DSP+FPGA雙芯片完成時(shí)序控制、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)采集及處理功能,使得激光位移傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路都會(huì)更加復(fù)雜,體積增大,造價(jià)很高。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統(tǒng),以簡(jiǎn)化外圍電路,提高測(cè)量精度。

      本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:

      一種基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統(tǒng),包括電源模塊、半導(dǎo)體激光二極管模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、圖像傳感模塊、直射式三角測(cè)量模塊和差分式減法電路,其特征在于:

      所述圖像傳感模塊,采用CMOS圖像傳感器作為光電器件,用以實(shí)現(xiàn)光斑感知和模擬信號(hào)輸出;

      所述數(shù)字信號(hào)處理模塊,采用DSP芯片作為主控芯片,其包括:

      加電控制子模塊,用于為半導(dǎo)體激光二極管模塊提供加電控制;

      時(shí)序控制子模塊,用于為圖像傳感模塊提供時(shí)序控制;

      AD采集子模塊,用于對(duì)圖像傳感模塊的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行AD采集;

      運(yùn)算輸出子模塊,用于對(duì)AD采集模塊采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理和處理結(jié)果數(shù)字化輸出。

      本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):

      1、本發(fā)明由于采用CMOS圖像傳感器作為光電器件,不僅提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性,而且簡(jiǎn)化了外圍電路;

      2、本發(fā)明由于采用DSP芯片作為主控芯片,不僅簡(jiǎn)化了機(jī)械和電路結(jié)構(gòu),同時(shí)減小了系統(tǒng)體積,降低了成本。

      附圖說(shuō)明

      圖1為本發(fā)明的整體框圖;

      圖2為本發(fā)明中的數(shù)字信號(hào)處理模塊框圖;

      圖3為本發(fā)明中的直射式三角測(cè)量模塊原理圖;

      圖4為本發(fā)明中的半導(dǎo)體激光二極管模塊驅(qū)動(dòng)電路圖;

      圖5為本發(fā)明中的差分式減法電路原理圖。

      具體實(shí)施方式

      參照?qǐng)D1,本發(fā)明系統(tǒng)包括電源模塊1、半導(dǎo)體激光二極管模塊2、數(shù)字信號(hào)處理模塊3、圖像傳感模塊4、直射式三角測(cè)量模塊5和差分式減法電路6。其中:

      電源模塊1,采用DCDC電源芯片為系統(tǒng)供電,電源芯片選用型號(hào)為MP2565,輸入電壓為12~24V,輸出電壓為5V,最大輸出電流為2.5A,用于完成系統(tǒng)上電,即對(duì)半導(dǎo)體激光二極管模塊2、數(shù)字信號(hào)處理模塊3和圖像傳感模塊4的工作提供電源;

      半導(dǎo)體激光二極管模塊2,用于為直射式三角測(cè)量模塊5提供激光源;

      數(shù)字信號(hào)處理模塊3,選用但不限于TMS320系列的DSP芯片,并采用PGF薄型四方扁平封裝,用于分別為半導(dǎo)體激光二極管模塊2和圖像傳感模塊4提供加電控制和時(shí)序控制,同時(shí)對(duì)圖像傳感模塊4的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行AD采集,運(yùn)算處理和處理結(jié)果數(shù)字化輸出;

      圖像傳感模塊4,用于完成光斑感知和模擬信號(hào)輸出,接收半導(dǎo)體激光二極管模塊2經(jīng)過(guò)直射式三角測(cè)量模塊5的紅外激光,該圖像傳感模塊采用但不限于型號(hào)為ELIS-1024A系列的高速線陣CMOS圖像傳感器,該CMOS圖像傳感器采用DC5V供電,其中有128、256、512、1024四種像素點(diǎn)模式可供選擇,該CMOS圖像傳感器有全相框和動(dòng)態(tài)像素兩種輸出模式;

      直射式三角測(cè)量模塊5,用于實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足cheimpflug條件的直射式三角測(cè)量法的激光三角測(cè)量結(jié)構(gòu),為圖像傳感模塊4提供光學(xué)環(huán)境。

      差分式減法電路6,用于將圖像傳感模塊4輸出的2~5V模擬信號(hào)控制在0~3V范圍內(nèi),并將其輸出給數(shù)字信號(hào)處理模塊3。

      參照?qǐng)D2,所述的數(shù)字信號(hào)處理模塊3,其包括加電控制子模塊31、時(shí)序控制子模塊32、AD采集子模塊33和運(yùn)算輸出子模塊34。該加電控制子模塊31,通過(guò)輸出IO信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光二極管模塊2的加電控制;該時(shí)序控制子模塊32,為圖像傳感模塊4提供所需的時(shí)序,使CMOS圖像傳感器正常工作;該AD采集子模塊33,與圖像傳感模塊4電連接,用于采集圖像傳感模塊4輸出的2~5V范圍內(nèi)的模擬信號(hào),并通過(guò)差分式減法電路6使模擬輸出信號(hào)控制在0~3V范圍內(nèi);該運(yùn)算輸出子模塊34,用于對(duì)AD采集子模塊33采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理和處理結(jié)果的數(shù)字化輸出。

      參照?qǐng)D3,本發(fā)明中的直射式三角測(cè)量模塊5包括半導(dǎo)體激光二極管51、準(zhǔn)直透鏡52、濾光片53和成像透鏡54。其中半導(dǎo)體激光二極管51的波長(zhǎng)λ=650nm,出瞳功率為0.8~1mW,工作電壓為2.8~3V,光束發(fā)散角<0.3mrad,用于發(fā)射紅外激光;準(zhǔn)直透鏡52,選用焦距為7.8~8mm的非球面塑膠鏡片,用于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光二極管51發(fā)射激光的準(zhǔn)直;濾光片53的中心波長(zhǎng)λ=650nm,光譜寬度為624.5nm~697.5nm,峰值透過(guò)率≥85%,用于濾除照射在被測(cè)物上的激光反射回來(lái)的雜光;成像透鏡54,選用焦距為8~10mm的非球面透鏡,用于將經(jīng)過(guò)濾光片53的激光照射在CMOS圖像傳感器上形成清晰的光斑。

      該直射式三角測(cè)量模塊5中的各器件位置必須滿(mǎn)足cheimpflug條件的三角測(cè)量法特征才能使圖像傳感模塊4接收到正確的光斑。滿(mǎn)足cheimpflug條件的三角測(cè)量法特征在于使半導(dǎo)體激光二極管51發(fā)射光軸、成像透鏡54延長(zhǎng)軸和CMOS圖像傳感器延長(zhǎng)軸匯集到一個(gè)點(diǎn)上,同時(shí)準(zhǔn)直透鏡52和濾光片53都與發(fā)射光軸垂直。其滿(mǎn)足關(guān)系式如下:

      式中,a為成像透鏡54與被測(cè)物的物距,b為成像透鏡54距CMOS圖像傳感器的相距,α為成像透鏡54法線與被測(cè)物的夾角,β為成像透鏡54法線與CMOS圖像傳感器的夾角,x為CMOS圖像傳感器上光斑移動(dòng)距離,y為被測(cè)物的實(shí)際位移。當(dāng)取成像透鏡54焦距為10mm時(shí),a=40mm,b=13.33mm,α=45°,β=71.56°,當(dāng)被測(cè)物沿半導(dǎo)體激光二極管51發(fā)射光軸方向移動(dòng)時(shí),CMOS圖像傳感器上光斑移動(dòng)距離為x,推算出被測(cè)物的實(shí)際位移為y。

      參照?qǐng)D4,本發(fā)明中的半導(dǎo)體激光二極管模塊2包括恒流源電路21,慢啟動(dòng)電路22和保護(hù)電路23。其中:

      恒流源電路21,用于通過(guò)三端穩(wěn)壓集成塊LM317為半導(dǎo)體激光二極管模塊2提供電流為20mA的恒流源;

      慢啟動(dòng)電路22,用于通過(guò)RC電路為半導(dǎo)體激光二極管模塊2提供一個(gè)延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間,防止電流尖峰浪涌對(duì)激光二極管的損壞;

      保護(hù)電路23,由一個(gè)穩(wěn)壓二極管和三個(gè)正向二極管組成,為半導(dǎo)體激光二極管模塊2因?yàn)殡妷哼^(guò)大而擊穿提供保護(hù)。

      參照?qǐng)D5,本發(fā)明中的差分式減法電路滿(mǎn)足關(guān)系式如下:

      式中,R1,R2,R3和Rf為參數(shù)電阻,v1為圖像傳感模塊4的模擬輸出電壓值,v0為參考電壓值,v2為輸出給AD采集子模塊33的模擬電壓值。取v0=2V,R1=R2=R3=Rf=1kΩ,由于圖像傳感模塊4輸出的模擬電壓v1在2~5V范圍內(nèi),即可推出傳輸給AD采集子模塊33的模擬電壓v2在0~3V范圍內(nèi)。

      本發(fā)明的工作原理如下:

      電源模塊1為半導(dǎo)體激光二極管模塊2、數(shù)字信號(hào)處理模塊3和圖像傳感模塊4供電。加電控制子模塊31為半導(dǎo)體激光二極管模塊2提供加電控制,半導(dǎo)體激光二極管模塊2為直射式三角測(cè)量模塊5提供激光源,直射式三角測(cè)量模塊5為圖像傳感模塊4提供光學(xué)環(huán)境,時(shí)序控制子模塊32為圖像傳感模塊4提供時(shí)序控制。半導(dǎo)體激光二極管模塊2經(jīng)過(guò)直射式三角測(cè)量模塊5的紅外激光照射在圖像傳感模塊4上,圖像傳感模塊4完成光斑感知并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為2~5V的模擬電信號(hào)并輸出。圖像傳感模塊4輸出的模擬電信號(hào)通過(guò)差分式減法電路6使其控制在0~3V范圍內(nèi)并輸出給AD采集子模塊33進(jìn)行AD采集,并將采集的數(shù)字信號(hào)輸出給運(yùn)算輸出子模塊34,運(yùn)算輸出子模塊34對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,輸出數(shù)字化的實(shí)際位移量。

      以上描述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例,顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō),在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后,都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下,進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修改和更正,但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。

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