专利名称：一种直线运动激光导航测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光导航测量技术领域，涉及一种直线运动激光导航测 量装置。
背景技术：
运动导引系统广泛存在于有确定性运动需要的系统中。导引系统中常用 的导向方式是机械导轨式，这种导向方式的优点是精度易于保证，并且随着 导轨加工装配精度的不同，可以满足不同运动精度的需求；其缺点是不宜挪 动，并且加工装配成本随着运动范围的扩大而提高。随着技术的不断发展， 新的导向方式不断出现，如电磁感应导向、惯性导向、红外线导向、激光导 向、光学导向、示教型导向等，这些导向方式的优点是可实现非接触自动导 向功能，广泛应用于物流配送等行业的自动导向小车的导向系统中。
随着人们对遥测和非接触式位置测量的旺盛需求，促进了 PSD技术的 发展。PSD如今已渗透到现代科技的方方面面，例如集成电路生产中的步长 控制仪、导弹的精密制导、形状检测等。随着它理论的成熟和产品的多样化， 在其所具有的非接触性的基础上也在向着小型化、集成化、数字化、智能化 等方面发展，它必将以其优异的性能在测量技术领域获得广泛的应用。PSD 测量系统的发展方向主要在两个方面， 一是PSD器件性能的提高，近年来 PSD器件的研究已有进展，分辨力大大提高，已有分辨力高达0.2 ，的PSD， 线性度和稳定度也有改善。二是计算机及新的信号处理技术的研究与应用， 利用微机可简化电路设计，使系统设计更灵活，且可实现各种非理想因素(如非线性)的补偿，大大提高测量精度，使各种信号处理算法容易实现，信号 采集速度高，可大大提高测量速度。
现有的光电感光器件用于做非接触测量，PSD接收光源的光信号而输出 的电流信号很微弱，并且背景光的存在也对有用信号造成干扰，影响了测量 精度，整个测量装置的线性度和稳定度还不够。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种直线运动激光导航测量装置，解决了现有
技术中存在的PSD接收光源的光信号而输出的电流信号很微弱，并且背景 光的存在也对有用信号造成干扰，整个测量装置的测量精度、线性度和稳定 度还不够的问题。
本实用新型所采用的技术方案是， 一种直线运动激光导航测量装置，包 括激光光源，激光光源的发射端连接有光学准直系统，光学准直系统的照射 区设置有二维PSD， 二维PSD安装在控制电机驱动的工作台上，工作台安装 在小车上，二维PSD与信号调理电路连接，信号调理电路通过A/D转换器 与单片机连接，单片机再与控制电机连接，控制电机安装在工作台上。
信号调理电路包括电流/电压放大器、差动放大器、采样/保持器依次 连接。
A/D转换器选用ADC0809。 激光光源选用氦氖激光器。
本实用新型的有益效果是，解决了 PSD接收光源的光信号而输出的电 流信号很微弱，并且背景光的存在也对有用信号造成干扰的问题，整个测量 装置的测量精度、线性度和稳定度都明显提高，并且结构简单，操作方便， 制作成本降低。
图1是本实用新型的工作原理示意图2是本实用新型的一个实施例示意图3是图2实施例的电流/电压放大器原理图4是图2实施例的差动放大器电路图。
图屮，1、激光光源，2、光学准直系统，3、 二维PSD， 4、工作台，5、 单片机，6、控制电机，7、信号调理电路，8、 A/D转换器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明。 激光导航系统利用激光准直原理进行定向控制，当需定向的小车装有光 电接收器时，通过自动控制系统控制电机对二维工作台进行调整，以满足小 车直线运动的需要。依据这一测量要求，利用PSD的光斑定位原理进行二维 位置检测。激光光束作为测量基准，由激光器发出后，通过光学准直系统， 在PSD光敏面上形成光斑。PSD将光斑的位置信息转换成电流信号输出，但 电流信号很微弱且伴有噪声，需经过信号调理电路进行信号处理。A/D转换 器把模拟信号转换成数字信号，以便计算机对数据进行进一步的运算，计算 出小车偏离激光光束的位置。然后，计算机向小车发出偏差信号，以使小车 回到光束中心。
本实用新型包括激光光源1，激光光源1的发射端连接有光学准直系统 2，光学准直系统2的照射区设置有二维PSD3， 二维PSD3安装在控制电机驱 动的工作台上，工作台安装在小车上，二维PSD3与信号调理电路7连接， 信号调理电路7与A/D转换器8连接，A/D转换器8与单片机5连接，单 片机5再与控制电机6连接，控制电机6安装在工作台4上。信号调理电路7包括电流/电压放大器、差动放大器、采样/保持器依 次连接。
如图1所示，本实用新型的工作过程是，激光光源l发出的光束经过光
学准直系统2的准直，照射到二维PSD3上，小车带着工作台向前运动，工 作台上的二维PSD3将得到的光电信号输入信号调理电路7，再经过A / D转 换器8的进一步处理后输入单片机5，单片机5再根据数据的处理结果向控 制电机发出指令，控制电机工作，将工作台修正到正确的轴线上，保证工作 台的直线运动。
PSD接收光源的光信号而输出的电流信号很微弱，并且背景光的存在也 对有用信号造成干扰，所以由信号调理电路进行信号处理，使输出信号能够 精确地反映被测对象的位置信息。根据PSD的位置解算公式进一步进行除法 运算，得到小车的位置参数，以便进行自动控制。
PSD工作原理基于横向光点效应。PSD属于大面积的PN结敏感器，在PN 结的四周设有电极，当PSD的敏感面受到光斑局部非均匀照射时，在其敏感 面上将建立与光斑位置相关的平行于敏感面的横向电动势，如果光斑持续照 射，并在PSD的电极上接有外电路，则将形成向四周电极流动的电流，电流 的大小与光斑的位置有关，从而根据电流的大小可计算出光斑的位置，这就 是PSD的光斑定位机理的简单描述。
要获得随动点的位置信息，必须对PSD的各信号电极输出的电流信号进 行处理。根据PSD原理及光点位置(x， y)的表达式，转换电路首先应对PSD 输出的光电流进行电流一电压转换并放大，再按转换公式的要求，通过加、 减运算放大器进行预置相加和相减运算，最后通过模拟除法器相除，得到与 光能大小无关的位置信号。因此每个电路都主要包括电流/电压放大器、加法器、减法器、除法器 等几个部分。其中对于两面分流型二维PSD，由于没有公共电极引出，反偏 电压是通过底面信号电极加上去的。同时，由于其暗电流较大，故在处理电 路中加入了调零电路。
如图2所示，是本实用新型的一个实施例示意图，激光光源l选用氦氖
激光器，氦氖激光器是放电激励的具有连续输出特性的原子气体激光器，它
在可见和红外波段可产生多条激光谱线，其中最强的是632.8,、 u^附和
3-39戶三条谱线，632.8"附(红光)谱线应用最多。这种激光器的输出只有毫
瓦级，1 2m长的放电管可到几十毫瓦，最大可达1瓦。光束质量好，发散
角小(1 2mrad)，单色性好，加之有可见光输出，当输出为基(横)模(^M。。) 时其光强按高斯曲线分布有利于提高测量灵敏度等原因，在激光准直应用中 普遍采用这种激光管。利用激光方向性好的特点，将激光束通过望远镜系统 射出，在需要准直的点上用光电探测器接受。'
A/D转换器8选用ADC0809，与采样一保持器的精度相匹配。ADC0809 的核心是一个逐次逼近式的A/D转换电路，能采集8路0 5V的电压信号， 由逐次逼近逻辑将多路转移器输出的模拟电压转换为8位数字信号，8位模 拟量选通开关(即多路转换器)的输出接到该比较器的另一输入端，两者在 比较器中做比较。这种比较共进行8次，每次确定8位数字中的某一位为0， 还是l。每次比较需8个时钟周期，则8次比较共需64个时钟周期时间。由 于ADC0809内部没有时钟电路，故时钟必须由外设提供，ADC0809的时钟标 准频率值为640kHz，将模拟信号转换完成为数字信号共需IOO戸。由于 ADC0809带有三态输出锁存缓冲器，因此其8位数据输出引脚可直接与8051 数据总线相连。地址线A、 B、 C分别与地址总线的低3位A0、 Al、 A2相连，以选通頂0 — IN7中的一个通道。在启动A/D转换时，8051的写信号^和 P2. 7进行或非操作得到一个正脉冲，同时加到ADC0809的ALE和ATART引脚， 则ADC0809在锁存通道地址的同时也启动A/D转换。在A/D转换期间EOOO, A/D转换结束时EOC为高电瓶。EOC反相后加到8051的^作为中断请求信 号。在^中断服务程序读取转换结果时，8051的读信号^和P2.7或非后 产生一个正脉冲，作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。设8个模拟输 入通道IN0 — IN7的地址分别为07F8H—07FFH。若对8路模拟输入巡测一遍， 并将A/D转换结果依次存放在内部RAM的30 — 37H单元中。
如图3所示，为实施例的电流/电压放大器电路原理图。电流/电压放大 器的作用在于，PSD输出为微弱的电流信号，无法直接进行检测，需要把它 转换成更易处理的电压信号，同时进行前置放大，以方便后面进行进一步的 信号处理。PSD的输出相当于一个电流源，当它的负载阻抗为零时，它的输 出特性最好。而理性的运放正、负输入端正好有"虚短"(即两输入端之间 电压差为零)的特性，因此，我们采用运放组成电流一电压转换电路，进行 PSD光生电流的检测。实际的运放不可能做到绝对的零输入阻抗，但要求电 流检测器有尽可能小的输入电阻。所以，在运放的选择上要求有很高的开环 增益。
由图3可知，该放大器的输入电阻为R1/A,其中A是运放的开环增益， 即使R1很大，最终的出的运放输入电阻相对于PSD的输出电阻也是很小的， 可以视为短路输出，因此，光生电流经运放转换后的输出电压与光生电流的 关系为
其中，；为PSD产生的光生电流，上式表明电流/电压转换电路的输出电压与光生电流有着良好的线性关系。
由于运放的增益很大，Rl可以尽量选择较大值的电阻。但随着R1的增 大，因为存在运放输入电流的温度漂移系数，Rl会引起相当大的直流电压热 漂移，为了补偿这种误差，在运放的同相端接入一个相同阻值的电阻R2。但 电阻R2会引入热噪声，所以在旁路加上电容q用来消除大部分的噪声干扰，
同时给《并联一个几十^"的电容来降低高频的噪声干扰。
在本I / V转换电路中的运放选用ADI公司的AD0P07。它有很高的开环
增益，低的输入失调电压和偏置电流，很低的噪声，是本电路比较理想的运 放选择。它的主要性能参数为开环增益200WwF，最大的输入失调电压 75-，最大偏置电流士0.4"，最大噪声0.6/^'-。最小共模抑制比106必。 如图4所示，为差动放大器电路图。差动放大器的作用在于，电流/电 压转换对PSD的输出电流信号进行I/V变换，送入主放大器的是电压信号， 由于PSD内阻的限制，^不能取得太大，主放大器的主要工作是将信号放大 到我们需要的幅度，并进行加减运算。
图中^为电流/电压转换的输出电压，"。为电流/电压转换输出电阻，数 值较小可忽略。电路输出-
K 》
运算放大器存在偏置电流、失调电压、失调电流等误差，^-A〃A可 以消除偏置电流产生的误差，而失调电压、失调电流可以通过放大器外接调 零电阻来消除。
放大器的输出电压要被送到数据采集模块进行A/D转换，因此需要考虑 放大器的输出电压与数据采集模块的模拟输入电压范围的匹配问题。通过调
节放大倍数J。-A"'可以实现上述匹配，例如当主放大器的输入极值电压为0力l"^，数据采集模块的单极性输入电压0 ±2^则力。的取值在200左 右。同样，四路放大电路的元件要进行认真的测量，保持一致。
本实用新型以激光光束为导引基准，利用光电传感器对该基准做非接触 测量，并通过信号调理电路7，再经过A/D转换器8的进一步处理，再由单 片机进行数据处理，控制电机对二维工作台进行调整，引导小车回到正确位 置。本实用新型实现了非接触自动导向功能，广泛应用于物流配送等行业的 自动导向小车的导向系统中。
权利要求1、 一种直线运动激光导航测量装置，其特征在于，包括激光光源(1)，激光光源(1)的发射端连接有光学准直系统(2)，光学准直系统(2)的照 射区设置有二维PSD (3)， 二维PSD (3)安装在控制电机驱动的工作台上， 工作台安装在小车上，二维PSD (3)与信号调理电路(7)连接，信号调理 电路(7)通过A/D转换器(8)与单片机(5)连接，单片机(5)再与控 制电机(6)连接，控制电机(6)安装在工作台(4)上。
2、 根据权利要求1所述的直线运动激光导航测量装置，其特征在于， 所述的信号调理电路(7)包括电流/电压放大器、差动放大器、采样/保持 器依次连接。
3、 根据权利要求1所述的直线运动激光导航测量装置，其特征在于， 所述的A/D转换器(8)选用ADC0809。
4、 根据权利要求1所述的直线运动激光导航测量装置，其特征在于， 所述的激光光源(1)选用氦氖激光器。
专利摘要本实用新型公开了一种直线运动激光导航测量装置，包括激光光源，激光光源的发射端连接有光学准直系统，光学准直系统的照射区设置有二维PSD，二维PSD安装在控制电机驱动的工作台上，工作台安装在小车上，二维PSD与信号调理电路连接，信号调理电路与A/D转换器连接，A/D转换器通过A/D转换器与单片机连接，单片机再与控制电机连接。其中的信号调理电路又包括电流/电压放大器、差动放大器、采样/保持器依次连接。本实用新型以激光光束为导引基准，利用光电传感器对该基准做非接触测量，并通过单片机进行数据处理，控制电机引导小车回到正确位置。本实用新型实现了非接触自动导向功能，广泛应用于物流配送等行业的自动导向小车的导向系统中。
文档编号G01B11/00GK201156209SQ200820028079
公开日2008年11月26日 申请日期2008年1月11日 优先权日2008年1月11日
发明者乔卫东, 于殿泓, 薇 马 申请人:西安理工大学