一种光电触发系统的研究

吴 莎，雷志勇

(西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安 710032)

自动检测装置在工业、航空航天、军事、生物医学、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中被广泛应用。例如运动目标的实时捕获，但对在线系统的触发信号如不能达到相机的触发脉宽，就不能对运动目标进行实时捕获，或者触发系统的时延过长就会给工业测量带来很大误差。为有效地减小触发系统的时延误差、满足对相机的触发功能，研究同步触发装置有着重要工程的意义。文中结合在线实时检测的要求，从系统的工作原理分析了触发系统的出射光路系统与反射光路系统的特性，建立了信号处理电路。

1 密封件触发探测系统工作原理

在线自动检测装置由相机触发装置等处理软件所组成，如图1所示。使触发装置能够保证整个系统工作在良好状态下。在整个检测系统中，由于触发的同步时延过长会给测量参数的计算带来一定的误差，为严格控制工件与相机成像的同步性，需要对触发装置进行研究。

图1 视觉测量系统的构成

通常来说，触发装置系统由激励光源、出射物镜、接收物镜、光电接收探测器、调理电路及信号处理等6部分来完成。触发装置系统的基本结构如框图1所示。

图2 触发装置系统原理框图

光电探测系统就是以光波作为信息和能量的载体而实现传感、传输、检测等功能的测量系统。首先选用一定波长范围的激励光源，因此发射出一定的波长和功率的光信号，在经过出射物镜，利用被检物体对光的遮挡或反射，物镜将进行反射光线汇聚到光学探测机构对光信号进行探测，再对经光学滤波到微弱反信号光电转换后的微弱电信号进行放大、滤波、整形等处理。通过整形电路得到一个脉冲信号控制后续电路的触发。

2 触发系统的光电探测性分析

光电探测系统中光电器件由出射器件和接收器件两部分组成。为满足密封件的在线检测，选用单色光源作为出射激励器件的来源;为消除外界干扰，便于光路调节，可采用可见光波段的激光器件。为更好地获取出射激光的反射光，光电探测器型号的选择在在线检测中起着重要作用。结合在线系统的测量要求，文中采用出射激光波长为650 nm的可见光和同波长的J8M－D1NK接收光电探测器件。

2.1 出射和反射光学光路分析

要实现系统的实时触发功能，就要对系统的光学部分进行相应的光学系统设计，系统利用密封件对光的遮挡吸收和光线的直线传播原理，来提高探测系统的灵敏度。入射光路系统，光通过孔径越大，收集反射光越强;光透孔径越小，收集反射光越弱，将得到更小的反射信号。对于出射光路系统，其激励光源为点光源，点光源通过物镜出射为一组平行光线，如图3出射光路和反射光路一体化中出射光路图部分。在反射光路系统中，文中为测量密封件的存在，由于受到密封件本身材质的影响出射的光线都被密封件所吸收，所以采用了挡光板，进行光信号的反射，反射光经过光学物镜将光束聚焦为探测器点元的大小，为更好地检测反射光信号，传感器一般放在物镜的焦平面上，如图3中所示的光路一体化。

图3 出射和反射光路一体化

从入射光和反射光的角度来设计总的光学系统，提高探测器的灵敏度，就要保证接收部分能够接收到足够多的反射光能，应用光学透镜汇聚光能的特性，当检测目标处于出射光区和反射光区的公共区域时，即运动目标处于有效探测区时才能更好地检测运动目标。

2.2 遮挡面积对探测性能的影响

在检测系统中，光通量的变化量是通过密封件经过时的遮光面积变化而改变的，如图4所示。当密封件的长度m＞a时，密封件经过探测区域遮挡面积可表示为

图4 密封件在探测区域中对光通量的影响

根据光电探测系统的工作原理，为提高光电探测的灵敏度，从文献［8］中可知，光电传感器接收的光能越多其灵敏度越高。光电传感器接收光能的多少也直接影响着传感器的探测性能。光能的多少与光通量成正比，光通量越大，光能越多，总之当密封件经过探测区域时，挡光面积变化是又与光通量变化密切相关，经过的面积越大则挡光面积就越大，挡光通量也越大，那么光电转换后直流电平就越高，相应地运动物体产生的模拟信号幅值也越高，探测灵敏度就会提高。

光电流Is与入射辐射的光通量p成正比，其公式表示为

其中，hv是光子能量;e是电荷电量;α=eη/hv是光辐射功率与光电流之间的转换因子。

光电探测系统一定的情况下其内阻假设为一定值R，所以输出电压Us=IsR。图5为输出信号与当光通量的关系。

图5 输出信号与当光通量的关系

2.3 灵敏度与距离的关系

光在传播的过程中会因为探测距离远近影响到其探测性能，光功率反射到探测器件光敏面上的回波能量换算功率为

式中，τt为发射光学机构的透过率;θt为激光束散角;μα为激光能量通过大气单位长度的衰减系数;R为目标距光发射点处的距离;As为目标面积;θ为被照射部分平均表面法线与入射角的夹角。ρ为目标漫反射系数;Ar为接收系统的有效接收面积;τr接收机构的透过率。从式中可以看出，目标离探测器越远其接收的光信号能量就越小，探测灵敏度就越低。并由文献［9］可知，目标与背景在探测器面上的信噪比与作用距离的平方成反比，随作用距离的逐渐增大，信噪比下降，与之结论相符。

2.4 背景噪声对探测性能影响分析

光电探测器中存在的噪声主要是传感器电路的内噪声。主要来源于热噪声和散粒噪声。热噪声电压均方值为

其中，K是波尔兹曼常数1.38×10－23J/K;Δk为测量电路的频带宽;R为器件的电阻，所以根据欧姆定律，可以得到噪声电流的均方值为

在室温(300 K)下，R取500 Ω，如果转换电路的放大倍数为1，通频带5 MHz，输出的热噪声电流为

实际电路的带宽较窄，热噪声更小。散粒噪声的均方值I2

s为

式中，q是电子电荷，q=1.59×10－19C;Ip为光电流的平均值;Δf为测量电路的频带宽。这里光电流约为10 μA，散粒噪声电流为

则总的噪声输出电流为

故光电转换电路的信噪比(SNR)为

3 信号检测电路设计

在触发装置光电探测的光学系统，出射光经反射的过程中，由于部分光能被物体吸收和散射，反射光的能量很弱，因此光电转换后的信号也比较弱，无法直接驱动工程控制设备，要实现各种检测的目的，得到近似理想信号，在光信号经过光电探测器转换成电信号后，则要进行必要的信号放大、整形等信号处理环节。如图6所示为微弱信号检测放大电路的原理图。

图6 检测放大电路的原理图结构

在检测系统的触发装置中，主要由目标的反射特性来进行检测与分析，为尽可能多地获取反射激光的光波信号，接收系统的接收部分要选择相对较大的孔径的光学物镜。往往反射激光比较弱，仅依靠选择相对较大孔径的物镜不能满足系统的检测要求。所以就需要采用高灵敏度的光电器件，用光电探测器来接收光波信号，然而光电检测到的回波信号比较弱，需要对回波产生的电信号进行放大处理。由于电路系统自身与外来干扰的存在，不可避免地带来不利的噪声信号，噪声主要来源两个方面:首先，电阻与IC器件的热噪声、散粒噪声，与系统的带宽、增益和工作温度相关。基于这些噪声现象具有随机过程的特征，根据其统计规律，可以通过器件的筛选、系统带宽和增益的合理配置等措施来控制其影响程度，但不能够完全消除;其次，集成放大器偏置电流的温度漂移和电路板上的泄露电流通过公共阻抗引入的干扰噪声信号，对前者可通过低温度漂移的器件选择与工作环境的温度控制以减小，后者可以通过优化SMT工艺设计、选取绝缘性能良好的器件以减小线路泄露电流。为此需要对接收系统的信号进行相应的放大与处理。一个线性度好，稳定度高的光电转换与信号放大电路，对该测试系统至关重要，它直接影响整个系统的测量精度、重复精度、稳定性等指标。同时，系统探测灵敏度与接收到的微弱信号分子的数量有关，设计的接收放大电路如图7所示。

从图7中可知电路由3部分组成:(1)接收传感器输出电流/电压转换电路。(2)采用仪表放大电路和T型负反馈电阻网络的放大电路。(3)放大后的信号的整形电路。

图7 信号调理电路

要实现后续电路的控制，就必须对传感器输出的电流进行电流/电压的转换，图7中集成运放A1为电流/电压的基本转换电路，当接收到光信号时，其输出的电流信号为Is，为不产生自激振荡，需要C3这个去耦电容，u0为输出的电压信号。由于光电传感器输出信号经光电转换后为微弱的电压信号，不能直接进行相关的信号处理，所以必须对信号进行放大。因为在光电探测系统中，光电传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有大量的共模部分，其数值有时远大于差模信号，因此要求放大器具有较强的抑制共模信号的能力。所以选择仪表放大电路和T型放大电路来进行信号的放大处理。图中集成运放A2，A3，A4是组成了仪表放大电路，其中R4=R10，R6=R8，R3=R9，U2=0。可以看出，仪表放大电路的主要结构，有着很好的对称性，可以通过改变外接电阻的大小改变放大倍数，这是微弱信号检测前置放大电路的理想选择。

从电路图可得，仪表放大的输出电压

图中集成运放A5为T型负反馈电阻网络微弱信号的放大电路。输出电压和输入电压的关系

由式(8)可见，放大器的增益仅与外部T型电阻网络有关，选择不同的网络电阻比值得到电阻比值精度高、稳定性好、闭环增益精度和稳定性也会提高。

在比较器的整形电路部分，将其转变为微弱的电信号，经放大后，进入电压比较器，当其幅值高于预定基准时，电压比较器翻转，产生触发脉冲。由整形放大器将输出的模拟信号转换成二进制开关电信号，从而达到检测的目的。物体遮挡的面积越大，接收器接收到的反射光就越多，传感器获得的光能就越大，所以物体在反光区的面积越大，传感器接收的能量就越大，当到达某一阈值时，光电探测器就要检测信号的输出，那么被测物体越大越容易被检测，反之，越不易检测。要提高探测器的灵敏度，使它能探测到小物体的存在，就需要降低阈值，设置合适的阈值可以用来消除虚假的探测事件。如图7所示，比较器电路设计中A6实现了光电探测系统的电平等级比较功能，为相机的成像提供了触发脉冲。当输入电压U8大于阈值电压时，输出电压U9为高电平，相机就开始采集图片;当输入电压U8小于阈值电压时，输出电压U9为低电平，相机处于不工作状态。

4 实验与分析

经试验得到图8(a)和图8(b)在系统的同步时钟触发机制采集到的2个不同的模拟信号，图中所示2个信号的特征不同，主要是因为目标反射特性不同而造成的。所以要选择合适的阈值电压来进行模拟信号到数字信号的转换。

图8 检测信号

由于背景噪声通常是＜300 mV的，为精确地提炼信号的出发的前边缘，选择略大于背景噪声的门限电压值，如图中V'和V″所示，如果两个值一样当模拟信号不一致时，出发位置也不一样，图8(a)和图8(b)对应的触发时间值分别为t1和t2。对V'和V″的阈值来说，如果选择的阈值过大，而模拟信号的边缘变化比较缓慢，将会影响t1和t2之间的差值，引起时延误差，不利于探测系统的测量，为此在本系统中要严格地选择转换触发阈值V'和V″才能确保在线系统触发机制的同步性，在本电路中背景噪声为100 mV，所以选择根据模拟信号选择略大100 mV的阈值电压，作为模数转换电压。由于模拟信号的不一致性，输出的脉宽也不一定，如图8(c)中的脉宽为Δt1=t3－，图8(d)中的脉宽为Δt1=t3－，不影响同步时间的由时间的上升沿确定。由图中的凹陷处及输出的脉冲宽度不同可知，在工件检测过程中，会受工件本身因素、电路不稳定、密封件大小、速度不同的影响。并且图8(a)，图8(b)的幅值都是随工件在探测区域中的面积而改变的。从输出波形可得其输出的脉宽不相同，脉宽的宽度取决于物体的速度和大小，当速度一定时，则取决于工件的大小。但当工件较小或速度较快时，输出脉宽会太窄，则不能满足相机的触发，所以要对信号进行展宽。

5 结束语

根据在线检测的光电触发装置的工作原理及电路的设计与分析方法，分析了满足具体要求的光学电路与信号放大处理结构。设计方案满足在线检测机构的同步触发要求，为工件检测的同步触发需求提供了保证，并且具有时间误差小的特点。

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