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摘 要：本文对目前的几种激光测距方法进行了分析和比较,提出了本系统的总体设计方案,对所用到的关键器件进行了选择和确定,并根据硬件设计框图设计出本系统的处理电路板,最终对测试结果进行了误差分析,通过非线性校正的方法得到了满意的效果.
关 键 词：激光测距PSD三角法非线性校正
中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）02-0079-01
1测距方法的选择
随着光电技术和电子信息的飞速发展,对距离的测量方法是各式各样,有光学法和非光学法.但是对于非接触式的测量,主要包括脉冲法、相位法和三角法.其中脉冲法和相位法实质就是直接或间接对飞行时间进行测量,只是相位法是通过测量相位差来计算飞行时间,所以它比脉冲法的测距精度要高.通过三种方法的优缺点比较,本系统决定选择三角测距法来进行光路设计.
2系统的总计设计方案
对于三角测距法,根据入射方式的不同,可分为直射式和斜射式两种.为了计算简单和搭建方便,选择直射式三角法.为了提高整个系统的测距精度,则要求三角法满足Scheimpfiug条件,即在接收光学部分中聚焦透镜和探测器光敏面之间要有一个角度,保证像平面与物平面以及透镜平面必须同时相交于同一条直线.
关于关键元器件的选型,激光器选择大恒光电研究所的实测功率3.5mW的DH-HN250氦氖激光器,聚焦透镜选择焦距为50mm的GCL-011101凸透镜,光电探测器选择有效面积为1.3×15mm分辨率为0.1μm的位置敏感探测器（PSD）,具体其他技术指标可以根据型号查询.
图1为整个系统的总体设计框图.由于通过凸透镜聚焦后的光斑在PSD光敏面上产生的光电流信号非常微弱,不足以直接来采集,则需要在采集之前进行适当的前置处理,待得到有效的模拟电压信号再进行数据采集与处理,进而计算出被测物体的距离值,最终将测试结果通过LCD显示出来.
3系统的硬件电路设计
3.1PSD位置信号处理电路设计
本电路主要是对PSD两极输出的微弱光电流信号进行前置处理,需要对其进行电流-电压转换放大、加减法和除法运算,进而转换成适合AD数据采集的模拟电压信号X.由图2的PSD位置信号处理电路结构图可知,需要四个集成运算放大器来分别组成两个电流电压转换放大器、一个加法器和一个减法器,选择双极型运算放大器AD704芯片最为合适.至于除法运算,选择实时模拟计算芯片AD538来实现.
3.2数据采集与处理电路设计
本电路采用的处理器是以Cortex-M3为内核的STM32F103C8T6芯片,它与时钟、复位和电源模块构成ARM最小系统.模拟信号X由ARM处理器内带的12位AD模数转换模块来进行采集,经过系统的计算处理,在液晶屏LCD1602上显示出测试结果.当在设定的测距范围内进行测量时,会有LED灯闪烁指示,若超出该测距范围,则会有蜂鸣器报警提醒.另外,JTAG接口和USB下载模块是用来对软件程序的在线仿真和烧写.
4结语
通过在现场对整个测距系统进行调试和结果测试,发现所得到的测试结果存在着一定的误差.而产生这些误差的原因有很多因素,但是本系统的误差主要来自三角法和PSD的非线性、光路系统摆放、AD模数转换等这个方面.经过在系统程序中对测量结果的非线性校正,最终本系统可以在100～150mm范围内稳定测量,测距精度可达1mm,但在设计中仍存在一定的不足,需在今后的研究中加以改进.