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相位差式激光测距传感器设计

徐家奇  
【摘要】: 激光测距有精度高,速度快,聚焦能力强等卓越性能,因而得到广泛应用。激光测距常用的方式主要为脉冲测距与相位差测距,脉冲测距仪多用于远距离的测量,这类测距仪国内外均有不少产品。相位测距更适合短量程的高精度测量,因为高频的数字测相代替了以往的模拟测相而大大提高了测量精度。随着工业应用对测距精度越来越高的要求,需要更高的激光调制频率,传统光电器件难以满足。研究高精度的相位式激光测距是激光测量领域内的重要发展方向之一。 国内论文对激光的调制频率多在1MHz以下,本文设计了一种基于正弦波的自动数字鉴相式激光测距系统,通过较为简单的电路,实现对激光高达10MHz的调制,实现了对调制信号和回波信号的相位检测,根据相位式激光测距的原理,计算出待测距离,在实现各电路模块功能的同时,尽可能地简化了硬件设计,降低系统成本,主要研究成果如下: (1)完成系统整体方案的设计,提高了以往的光源调制频率,从而提高了测量精度,同时保持了系统良好的性能,电路部分并不复杂,易于实现,元器件有较高的性价比,整个电路系统简洁实用。 (2)完成了系统的硬件设计。包括激光调制与发射电路,光电检测电路,频率综合电路,混频电路以及数字检相电路。设计了简单但是具有高频率稳定性的信号发生模块用于激光调制;采用同相放大电路成功实现了对微弱调制光电信号的接收,并采取简单但行之有效的方法滤除了偏置电压引入的噪声干扰;为了得到高稳定度低漂移的频率信号以实现差频,采用了较为热门的锁相环频率合成技术;检相部分采用MSP430配合简单的外部电路完成。 (3)完成了系统的软件设计,主要是检相部分MSP430的软件设计,利用定时器的捕获功能对信号的周期及脉宽进行计数,采用多周期计数并对周期值取余的算法,能够实现对小角度相位差的测量,有良好的精度,相比传统的检相方法有更好的效果。 (4)通过参阅文献与实际设计经验的结合,对整个系统存在的一些主要误差作出了定性及定量的分析,提出了较为可行的改进建议。 (5)根据课题来源,初步研究了激光测距与视觉检测两种传感器之间的整合,设计了整个系统光学及电路部分的框架图。 在设计电路时,先采用ORCAD Pspice A/D软件进行仿真以验证设计方案的可行性并完善实验方案。通过实验,发现电路各部分能得到较为理想的结果,系统有较高的稳定性,为后续与视觉检测系统的整合奠定了良好的基础。


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