基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統的制作方法

本發明屬于精密自動測量技術領域，特別是涉及一種位移傳感器系統，可用于非接觸式測量。

背景技術：

激光位移傳感器以其卓越的測量性能，實現非接觸在線測量位移，動態監測重要構件在承載時發生微量變形。近幾年，特別是隨著現代光電技術的不斷發展，激光位移傳感器逐漸成為非接觸檢測產品的主流，在國外已較為普遍使用非接觸式的測量方法進行高精度的檢測。

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器PSD、電荷耦合元件CCD。采用滿足Scheimpflug條件的直射式或斜射式三角測量法為測量依據，通過FPGA實現對光電器件的時序控制和半導體激光電路的控制以及數字信號的采集，通過A/D轉換電路實現對光電器件模擬輸出信號的AD轉換，通過DSP與FPGA的交互實現對數字信號的處理及輸出。這種傳感器由于采用PSD或CCD作為傳感器光電器件，不僅測量精度不高，而且外圍電路和時序控制都比較復雜，同時由于使用DSP+FPGA雙芯片完成時序控制、AD轉換、數字信號采集及處理功能，使得激光位移傳感器的機械結構和電路都會更加復雜，體積增大，造價很高。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提出一種基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統，以簡化外圍電路，提高測量精度。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統，包括電源模塊、半導體激光二極管模塊、數字信號處理模塊、圖像傳感模塊、直射式三角測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，用以實現光斑感知和模擬信號輸出；

所述數字信號處理模塊，采用DSP芯片作為主控芯片，其包括：

加電控制子模塊，用于為半導體激光二極管模塊提供加電控制；

時序控制子模塊，用于為圖像傳感模塊提供時序控制；

AD采集子模塊，用于對圖像傳感模塊的模擬輸出信號進行AD采集；

運算輸出子模塊，用于對AD采集模塊采集的數字信號進行運算處理和處理結果數字化輸出。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、本發明由于采用CMOS圖像傳感器作為光電器件，不僅提高了測量精度和穩定性，而且簡化了外圍電路；

2、本發明由于采用DSP芯片作為主控芯片，不僅簡化了機械和電路結構，同時減小了系統體積，降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明的整體框圖；

圖2為本發明中的數字信號處理模塊框圖；

圖3為本發明中的直射式三角測量模塊原理圖；

圖4為本發明中的半導體激光二極管模塊驅動電路圖；

圖5為本發明中的差分式減法電路原理圖。

具體實施方式

參照圖1，本發明系統包括電源模塊1、半導體激光二極管模塊2、數字信號處理模塊3、圖像傳感模塊4、直射式三角測量模塊5和差分式減法電路6。其中：

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

半導體激光二極管模塊2，用于為直射式三角測量模塊5提供激光源；

數字信號處理模塊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提供加電控制和時序控制，同時對圖像傳感模塊4的模擬輸出信號進行AD采集，運算處理和處理結果數字化輸出；

圖像傳感模塊4，用于完成光斑感知和模擬信號輸出，接收半導體激光二極管模塊2經過直射式三角測量模塊5的紅外激光，該圖像傳感模塊采用但不限于型號為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、1024四種像素點模式可供選擇，該CMOS圖像傳感器有全相框和動態像素兩種輸出模式；

直射式三角測量模塊5，用于實現滿足cheimpflug條件的直射式三角測量法的激光三角測量結構，為圖像傳感模塊4提供光學環境。

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

參照圖2，所述的數字信號處理模塊3，其包括加電控制子模塊31、時序控制子模塊32、AD采集子模塊33和運算輸出子模塊34。該加電控制子模塊31，通過輸出IO信號實現對半導體激光二極管模塊2的加電控制；該時序控制子模塊32，為圖像傳感模塊4提供所需的時序，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范圍內的模擬信號，并通過差分式減法電路6使模擬輸出信號控制在0～3V范圍內；該運算輸出子模塊34，用于對AD采集子模塊33采集到的數字信號進行運算處理和處理結果的數字化輸出。

參照圖3，本發明中的直射式三角測量模塊5包括半導體激光二極管51、準直透鏡52、濾光片53和成像透鏡54。其中半導體激光二極管51的波長λ＝650nm，出瞳功率為0.8～1mW，工作電壓為2.8～3V，光束發散角＜0.3mrad，用于發射紅外激光；準直透鏡52，選用焦距為7.8～8mm的非球面塑膠鏡片，用于實現半導體激光二極管51發射激光的準直；濾光片53的中心波長λ＝650nm，光譜寬度為624.5nm～697.5nm，峰值透過率≥85％，用于濾除照射在被測物上的激光反射回來的雜光；成像透鏡54，選用焦距為8～10mm的非球面透鏡，用于將經過濾光片53的激光照射在CMOS圖像傳感器上形成清晰的光斑。

該直射式三角測量模塊5中的各器件位置必須滿足cheimpflug條件的三角測量法特征才能使圖像傳感模塊4接收到正確的光斑。滿足cheimpflug條件的三角測量法特征在于使半導體激光二極管51發射光軸、成像透鏡54延長軸和CMOS圖像傳感器延長軸匯集到一個點上，同時準直透鏡52和濾光片53都與發射光軸垂直。其滿足關系式如下：

式中，a為成像透鏡54與被測物的物距，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距離，y為被測物的實際位移。當取成像透鏡54焦距為10mm時，a＝40mm，b＝13.33mm，α＝45°，β＝71.56°，當被測物沿半導體激光二極管51發射光軸方向移動時，CMOS圖像傳感器上光斑移動距離為x，推算出被測物的實際位移為y。

參照圖4，本發明中的半導體激光二極管模塊2包括恒流源電路21，慢啟動電路22和保護電路23。其中：

恒流源電路21，用于通過三端穩壓集成塊LM317為半導體激光二極管模塊2提供電流為20mA的恒流源；

慢啟動電路22，用于通過RC電路為半導體激光二極管模塊2提供一個延時啟動時間，防止電流尖峰浪涌對激光二極管的損壞；

保護電路23，由一個穩壓二極管和三個正向二極管組成，為半導體激光二極管模塊2因為電壓過大而擊穿提供保護。

參照圖5，本發明中的差分式減法電路滿足關系式如下：

式中，R1，R2，R3和Rf為參數電阻，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，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。

本發明的工作原理如下：

電源模塊1為半導體激光二極管模塊2、數字信號處理模塊3和圖像傳感模塊4供電。加電控制子模塊31為半導體激光二極管模塊2提供加電控制，半導體激光二極管模塊2為直射式三角測量模塊5提供激光源，直射式三角測量模塊5為圖像傳感模塊4提供光學環境，時序控制子模塊32為圖像傳感模塊4提供時序控制。半導體激光二極管模塊2經過直射式三角測量模塊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轉換為2～5V的模擬電信號并輸出。圖像傳感模塊4輸出的模擬電信號通過差分式減法電路6使其控制在0～3V范圍內并輸出給AD采集子模塊33進行AD采集，并將采集的數字信號輸出給運算輸出子模塊34，運算輸出子模塊34對該數字信號進行運算處理，輸出數字化的實際位移量。

以上描述僅是本發明的一個具體實例，顯然對于本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理后，都可能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修改和更正，但是這些基于本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護范圍之內。