精密PSD 微位移在线测量系统

宋殿友 ，刘铁根，丁小昆，李志宏

(1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2. 天津理工大学电信学院，天津 300384；3. 薄膜电子与通信器件天津市重点实验室，天津 300384)

在工业生产中，许多产品几何特性的在线检测不仅要求做到非接触连续测量，还要求精度不受被测物移动以及外界环境的影响．激光微位移测量系统不仅能较好地满足这些要求，而且测量精度高、测量距离远、重复性强，因此越来越多地被应用在工业生产中．

激光微位移测量系统采用的光电传感器主要有CMOS、CCD 和PSD 等．目前，欧美和日本在这方面的研究处于领先水平[1-2]，并且已经有比较成熟的基于PSD 的激光位移传感器产品，比如日本Keyence公司的 LD 系列、德国 Micro-Epsilon 公司的optoNCDT 系列、美国MEDAR 公司的2101 型等产品，均采用直射式或斜射式激光三角法，分辨率在0.01%～0.1%之间，但在适应不同被测物体表面状况时，一般都通过数控电位器调节采样信号强度或通过改变光源电流来调节有效光的强度，这样不仅使得系统结构复杂而不利于系统集成，还由于噪声和成像光斑光强分布微变等带来一系列测量误差[3]．而在适应不同被测物测量环境的变化方面，尤其是温度变化，这些产品都采用价格昂贵的精密元器件，以减小温度变化的影响，但温漂仍高达满量程的±0.02%/℃，有些产品甚至高达满量程的±0.05%/℃，因此，在温差较大的测量环境下[4-5]，无法满足测量精度的要求．而国内应用的多为基于CCD 的位移传感器[6-8]．尽管近年来国内对PSD 的微位移测量进行了大量研究，但由于对PSD 的研究起步较晚，基于PSD 的激光微位移测量系统尚处于实验室研究阶段．吕爱民等[9]对位置指示光源对PSD 定位精度的影响进行了实验研究，郭丽峰等[10]对PSD 的非线性修正技术进行了研究，刘铁根等[11]对PSD 测量中激光源波长的优选进行了研究，但还没有基于PSD 的高精度、高可靠性的微位移产品出现．

笔者充分利用PSD 的固有特性，采用基于变频调制、高阶带通滤波、峰值检测等技术的PSD 信号单通道处理方式和激光三角法相结合的设计方案，简化了结构，并进一步降低了温漂和被测物表面状况的影响，制作了低成本和高适用性的精密激光微位移在线测量系统．

1 测量原理

本系统采用一维PSD 和直射式激光三角法，测量原理如图1 所示，由PSD 特性公式可以得出像斑在PSD 上的位移x ，则被测物位移大小可以根据几何关系求得[12]，即．

图1 激光三角法测距原理Fig.1 Schematic diagram of measuring the distance based on the laser triangulation

2 样机设计

2.1 系统框图

PSD 激光微位移测量系统框图如图2 所示，该系统由激光器、会聚透镜、成像透镜、一维PSD、激光调制电路、I/V 转换电路、通道切换电路、比例放大电路、滤波电路、峰值检测电路、集成ADC 微控制器及外部接口电路等组成．从小型半导体激光器发射出650,nm 的调制红光，经过会聚透镜形成比较理想的光斑照射在被测物上，然后通过成像透镜对漫反射光的汇聚将光斑成像于PSD 上．当被测物发生位移时，成像于PSD 光敏面上的光斑位置会发生变化，进而改变了从PSD 两端输出的调制电流信号强度．该微电流信号经过处理后，由微控制系统采集并通过运算得到被测物的位移量．同时，系统可通过外触发采样接口控制采样，从而实现多设备同步采样，系统还可以通过RS232 通信接口对系统进行标定、采集频度设定、通信波特率设定等功能以及相应查询功能．

图2 PSD激光微位移测量系统框图Fig.2 Schematic diagram of PSD laser micro-displacement measurement system

2.2 光路系统

光路系统主要由激光光源、会聚透镜、成像透镜和光电探测器PSD 等组成．

传统的激光测量系统都通过窄带滤光片来滤掉背景光对测量的影响，但当被测物本身发出的光与信号光源的波长相近时(如热轧板厚度测量)，滤光片无法达到系统要求．因此系统通过调制波长λ为650,nm的激光光源，从而在没有滤光片的情况下，有效地消除背景光的影响．

会聚透镜的作用主要为准直和聚焦，能将激光器发出的光会聚为具有一定焦深、尺寸较小的光斑，从而降低了测量误差[13]．成像透镜将不同角度的散射光集中在PSD 感光接收面上，若采用多片透镜组合，可使其像差减小，进一步提高测量准确度[14]．

光电探测器采用滨松公司生产的 S3932 型PSD，该型号PSD 有效感光面积为12,mm ×1,mm，光谱响应范围为 320～1,100,nm，峰值灵敏度为0.55,A/W，位置分辨率为0.3,µm．

2.3 PSD单通道信号处理

通常，基于PSD 的微位移测量系统对PSD 两端输出的电流信号由2 个独立的信号处理通道进行处理，如图3 所示，但是当采用调制模式时，由于信号增益系数与调制频率以及系统的中心频率和带宽是直接相关的，而中心频率和带宽与系统所用器件的阻容特性是密切相关的，因此即使采用价格昂贵的精密元器件，随着温度变化，2 个通道的增益系数也很难调节一致，从而造成测量误差．

图3 PSD信号双通道处理框图Fig.3 Schematic diagram of PSD signal processing based double channels

为解决该问题，系统通过通道切换将PSD 输出的两路信号在同一信号处理通道处理，电路如图4 所示，这样不仅使PSD 两端的输出信号得到了一致处理，而且还简化了结构、降低了成本．

图4 PSD信号单通道处理电路Fig.4 Circuit diagram of PSD signal processing based single channel

系统还通过调制激光、I/V 转换和比例放大电路，将PSD 输出的微弱有效电流信号变为一定频率的易于采集的电压信号，然后通过带通滤波器，消除了暗电流和背景光对系统的影响．峰值检测电路大大降低了系统对A/D 转换器采集频度的要求，保证了对PSD 两端输出信号的同相位采集，进一步减小了测量误差，同时，通过放电电路实现了系统的高速动态测量．

电路中采用失调电压和偏置电流非常小的AD公司的OP27 运算放大器设计电路对模拟信号进行处理．用Silicon Lab 公司的内置采样速度可达1,MS/s的16 位ADC 的C8051F060 单片机作为主控．

2.4 激光自适应调制

在实际应用中，由于不同被测物体的表面反射率不同，使得PSD 感光面上接受的调制激光光强也不同，从而造成PSD 输出的调制电流强度变化较大，无法充分利用A/D 转换器的采集范围，甚至超出范围而不能测量．所以应根据被测物体表面状况自适应调节信号强度的增益系数或激光强度．

现有的系统一般都通过采用数控电位器来改变信号增益系数或通过改变激光器电流调节激光强度，但是数控电位器的非连续性有时无法达到系统要求，并且本身的噪声也会影响测量精度．而改变激光器光强不仅使得激光器电源电路复杂，还会因为光斑的高频噪声变化和光斑整体偏移使得光斑光强分布微变，从而产生测量误差，本系统中采用了信号带通滤波技术，滤波器的中心频率f0为40,kHz，Q 值为7，其幅频特性可表示为

式(2)表明，当通过滤波器的信号频率f 从f0开始不断增大时，信号的放大倍数Au会逐渐减小，当信号频率增大至2,f0时，信号衰减了－20,dB，也就是说，当信号频率从80,kHz 变化到40,kHz 时，信号的强度可以变化10 倍．因此，笔者先通过测量反射率最高的白色平面，调整电路将滤波器的输入信号强度调整到运算放大器线性放大范围的最大值(本系统为12,V)，且初始激光调制频率为55,kHz．这样，当采集到的PSD 两路信号强度之和大于A/D 转换器的采集最大值一定范围时，系统自动增大激光的调制频率，反之则自动减小激光调制频率，改变信号在滤波器上的衰减程度，实现采集信号强度的连续改变，使信号强度总处于A/D 转换器的最佳采集范围．另外，如果和数控电位器改变增益系数相结合，可以实现对具有极低反射率物体测量，从而全面解决了被测物表面反射率不一致造成PSD 输出的调制信号强度变化较大的影响，提高了系统精度和实用性．

3 实验与分析

3.1 标定测量

根据结构设计和PSD 参数，该系统最大量程为9,mm，系统理论分辨率为0.002 5%，但受噪声影响，大量实验结果表明，系统实际分辨率达到0.035%．采用精度为10,µm 的螺旋测微器对系统进行标定，并使系统输出数据为光斑在PSD 成像位置．首先微调使PSD 输出数据为2,000,µm，以此为原点，以500,µm为步长测量了12 个点，即标定范围为0～6,000,µm，结果如图5 所示．采用最小二乘法拟合一条直线如图5 所示，可表示为

图5 标定曲线Fig.5 Calibration curve

则线性相关系数R 为0.999 54，线性度好于1.2%．

3.2 稳定性测量

为了考察系统的稳定性，选一固定位置，从系统开机开始测量，每隔30,s 保存1 次数据，连续监测了12,h，得到的结果如图6 所示．

图6 系统稳定性测量Fig.6 Stability measurement of the system

由图6 可见，系统开始运行的前10 min，数据呈急剧下降的趋势，这主要是因为半导体激光器的稳定需要一段时间，在初始运行阶段由于激光强度稳定度较差和光斑不够均匀造成测量误差较大[15]．当激光强度趋于稳定后，测量数据基本稳定．从图6 中可以看出在30,min以后的11,h里，稳定性误差小于0.09%.

3.3 影响因素和误差分析

影响测量结果的外界因素主要有背景光、暗电流、温度和被测物表面状况等．设计了3 个实验，分别对背景光、暗电流、温度和被测物表面状况等对测量的影响进行了测量．

3.3.1 实验1

在没有滤光片的情况下，分别在日光、日光灯光和热辐射红外光3 种背景光下对3 个固定位置进行测量，测量结果(光斑在PSD 的位置)见表1．

表1 背景光影响实验结果Tab.1 Results of background light influence experiment

从表1 可以看出，3 种背景光对系统测量的影响产生的误差远远小于稳定性测量误差，因此可以认为影响忽略不计．这是因为系统带通滤波器的中心频率为40,kHz，带宽为8,kHz，而背景光和暗电流强度变化频率较低，一般都在1,kHz 以下，这样就有效地消除了背景光对测量的影响，同样，也消除了暗电流对测量的影响．

3.3.2 实验2

采用电热恒温鼓风干燥箱，分别设定20,℃、30,℃、40,℃和50,℃ 4 种温度，在4 种温度下，分别采用PSD 信号单通道处理模块和传统的PSD 信号双通道处理模块进行测量，同时为避免半导体激光器光斑的不均匀性影响测试结果，调整系统使PSD 两端输出幅值相等的电流信号，测量结果(光斑在PSD的位置)见表2．

表2 温度影响实验结果Tab.2 Results of temperature influence experiment

从表2 可以看出，PSD 信号双通道处理系统测量结果随着温度升高逐渐变小，误差逐渐增大，这是由于系统的两路信号处理通道受温度变化影响造成两通道的调制信号增益系数不一致所引起的．而单通道处理系统测量结果远远小于稳定性测量误差，因此可以认为，通过对PSD 输出信号采用单通道信号处理方式大大消减了温度对测量的影响，从而使测量系统更能够适应温差较大的生产环境．

3.3.3 实验3

对同一固定位置进行测量，并将该位置表面分别涂上灰度值为10%、40%和70%的灰色，从而使被测表面有3 种不同的反射率．测量输出量为激光调制频率、PSD 两路信号强度之和以及光斑在PSD 的位置，测量结果见表3．

表3 被测物表面状况影响实验结果Tab.3 Results of the state of measured surface influence experiment

从表3 可以看出，随着灰度值的增大，也就是被测物的反射率变小，激光的调制频率逐渐向中心频率40 kHz 偏移，从而保证了PSD 两路信号强度之和在A/D 转换器采集范围最大值4 096±200 内(系统中只用了ADC 高12 位)，实现了A/D 转换器的最佳采集．同时，3 次测量位置有所变化，这是由于被测物表面灰色分布不均造成成像光斑重心偏移所致．

4 结 论

(1) 提出了基于信号调制、带通滤波、峰值检测的PSD 信号单通道处理方式和激光三角法相结合的设计方案，在没有滤光片的情况下，有效地消除了背景光、暗电流的影响，同时大大降低了温漂对测量的影响，使系统能够适应温差较大的生产环境．

(2) 系统通过自适应调节激光调制频率改变采集信号强度，不仅能够更好地适应各种被测对象，还简化了系统结构，消除和降低了数控电位器产生的噪声和光斑光强分布微变所产生的影响．

(3) 设计并制作了测量频率可达2 kHz，分辨率达0.035%，线性度好于1.2%，电路温漂系数极小的具有自适应能力的激光微位移测量系统．系统结构简单、成本低．

［1］Nakajima Hajime，Sumi Kazuhiko，Inujima Hiroshi，et al. High-precision absolute rotary angular measurement by using a multielectrode circular position-sensitive detector[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59(11)：3041-3048.

［2］Martins R，Fortunato E. Static and dynamic resolution of 1,thin film position sensitive detector[J]. Journal of Non-Crystalline Solids，1996，198：1202-1206.

［3］丁小昆，刘铁根，宋殿友，等. 激光光斑质量对基于PSD 的激光三角法长时间连续测量精度的影响[J]. 中国激光，2012，39(2)：0208006.Ding Xiaokun，Liu Tiegen，Song Dianyou，et al. Impact of accuracy of laser spot quality in laser triangulation long-term continuous measuring based on PSD[J].Chinese Journal of Lasers，2012，39 (2)：0208006(in Chinese)．

［4］钱建强，王东生，李 鑫，等. 热轧中板宽度智能检测仪[J]. 仪器仪表学报，2001(增)：229-230.Qian Jianqiang，Wang Dongsheng，Li Xin，et al. An intellectualized measurement instrument for hot-rolled middle plate[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2001 (Suppl)：229-230(in Chinese).

［5］华建新，金以慧，吴文彬. 基于动态板形辊的冷轧板形控制新技术[J]. 钢铁，2001，36(1)：33-37.Hua Jianxin，Jin Yihui，Wu Wenbin. The new flatness control technique of cold rolling based on dynamic shape roller[J]. Iron and Steel，2001，36(1)：33-37(in Chinese).

［6］潘明华，文香稳，朱国力. 俯仰角组合测量系统的设计[J]. 光学精密工程，2011，19(3)：598-604.Pan Minghua，Wen Xiangwen，Zhu Guoli. Design of combination measurement system for pitching angles[J]. Optics and Precision Engineering，2011，19(3)：598-604(in Chinese)．

［7］闫 龙，赵正旭，周以齐，等. 基于CCD 的立体视觉测量系统精度分析与结构设计研究[J]. 仪器仪表学报，2008，29(2)：410-413.Yan Long，Zhao Zhengxu，Zhou Yiqi，et al. Accuracy analysis and configuration design of stereo photogrammetry system based on CCD [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29(2)：410-413(in Chinese).

［8］郝鹏飞，张新军，董志国，等. 基于面阵CCD 的高精度测量技术及应用[J]. 天津大学学报，2008，41(12)：1443-1447.Hao Pengfei，Zhang Xinjun，Dong Zhiguo，et al. Area CCD-based high accuracy measurement technology and its application[J]. Journal of Tianjin University，2008，41(12)：1443-1447(in Chinese).

［9］吕爱民，袁红星，贺安之. 位置指示光源对PSD 定位精度影响的实验研究[J]. 激光技术，2000，24(3)：192-195．Lü Aimin，Yuan Hongxing，He Anzhi. Experimental study of the effect of light source on position precision of PSD [J]. Laser Technology，2000，24(3)：192-195(in Chinese).

［10］郭丽峰，张国雄，郭敬滨，等. PSD 空间三维非线性修正技术的研究[J]. 光电子·激光，2007，18(5)：566-570.Guo Lifeng，Zhang Guoxiong，Guo Jingbin，et al.Study on spatial 3-D nonlinear correction technique for PSD[J]. Journal of Optoelectronics·Laser，2007，18(5)：566-570(in Chinese).

［11］宋殿友，刘铁根，李秀艳. 热轧薄板测量系统中激光波长的优选[J]. 光电子·激光，2011，22(1)：99-102.Song Dianyou，Liu Tiegen，Li Xiuyan. Optimality selection of laser wavelength in the measuring system on thickness of hot rolled sheet[J]. Journal of Optoelectronics·Laser，2011，22(1)：99-102(in Chinese).

［12］郁道银，谭恒英. 工程光学[M]. 北京：机械工业出版社，2004.Yu Daoyin，Tan Hengying. Engineering Optics[M].Beijing：China Machine Press，2004(in Chinese).

［13］张 璁，王雪详，严高师. 激光测距仪单透镜发射准直模块的优化设计[J]. 激光与红外，2009，39(4)：383-385.Zhang Cong，Wang Xuexiang，Yan Gaoshi. Optimum design to a single lens transmitted collimating module of laser ranging finders[J]. Laser and Infrared，2009，39(4)：383-385(in Chinese)．

［14］来新民，王以忠，张大卫，等. 透镜形式对激光位移传感器精度影响的研究[J]. 天津大学学报，1999，32(1)：81-84.Lai Xinmin，Wang Yizhong，Zhang Dawei，et al. Research on influence of lens type on the accuracy of laserdisplacement sensor[J]. Journal of Tianjin University，1999，32(1)：81-84(in Chinese).

［15］王春阳，李金石. 激光光斑漂移的检测[J]. 应用光学，2007，28(2)：205-208.Wang Chunyang，Li Jinshi. Detection of laser spot drift[J]. Journal of Applied Optics，2007，28(2)：205-208(in Chinese).