基于CMOS的高精度激光位移传感器系统的制作方法

本发明属于精密自动测量技术领域，特别是涉及一种位移传感器系统，可用于非接触式测量。

背景技术：

激光位移传感器以其卓越的测量性能，实现非接触在线测量位移，动态监测重要构件在承载时发生微量变形。近几年，特别是随着现代光电技术的不断发展，激光位移传感器逐渐成为非接触检测产品的主流，在国外已较为普遍使用非接触式的测量方法进行高精度的检测。

目前激光位移传感器使用的光电器件主要有位置敏感探测器PSD、电荷耦合元件CCD。采用满足Scheimpflug条件的直射式或斜射式三角测量法为测量依据，通过FPGA实现对光电器件的时序控制和半导体激光电路的控制以及数字信号的采集，通过A/D转换电路实现对光电器件模拟输出信号的AD转换，通过DSP与FPGA的交互实现对数字信号的处理及输出。这种传感器由于采用PSD或CCD作为传感器光电器件，不仅测量精度不高，而且外围电路和时序控制都比较复杂，同时由于使用DSP+FPGA双芯片完成时序控制、AD转换、数字信号采集及处理功能，使得激光位移传感器的机械结构和电路都会更加复杂，体积增大，造价很高。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于CMOS的高精度激光位移传感器系统，以简化外围电路，提高测量精度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于CMOS的高精度激光位移传感器系统，包括电源模块、半导体激光二极管模块、数字信号处理模块、图像传感模块、直射式三角测量模块和差分式减法电路，其特征在于：

所述图像传感模块，采用CMOS图像传感器作为光电器件，用以实现光斑感知和模拟信号输出；

所述数字信号处理模块，采用DSP芯片作为主控芯片，其包括：

加电控制子模块，用于为半导体激光二极管模块提供加电控制；

时序控制子模块，用于为图像传感模块提供时序控制；

AD采集子模块，用于对图像传感模块的模拟输出信号进行AD采集；

运算输出子模块，用于对AD采集模块采集的数字信号进行运算处理和处理结果数字化输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明由于采用CMOS图像传感器作为光电器件，不仅提高了测量精度和稳定性，而且简化了外围电路；

2、本发明由于采用DSP芯片作为主控芯片，不仅简化了机械和电路结构，同时减小了系统体积，降低了成本。

附图说明

图1为本发明的整体框图；

图2为本发明中的数字信号处理模块框图；

图3为本发明中的直射式三角测量模块原理图；

图4为本发明中的半导体激光二极管模块驱动电路图；

图5为本发明中的差分式减法电路原理图。

具体实施方式

参照图1，本发明系统包括电源模块1、半导体激光二极管模块2、数字信号处理模块3、图像传感模块4、直射式三角测量模块5和差分式减法电路6。其中：

电源模块1，采用DCDC电源芯片为系统供电，电源芯片选用型号为MP2565，输入电压为12～24V，输出电压为5V，最大输出电流为2.5A，用于完成系统上电，即对半导体激光二极管模块2、数字信号处理模块3和图像传感模块4的工作提供电源；

半导体激光二极管模块2，用于为直射式三角测量模块5提供激光源；

数字信号处理模块3，选用但不限于TMS320系列的DSP芯片，并采用PGF薄型四方扁平封装，用于分别为半导体激光二极管模块2和图像传感模块4提供加电控制和时序控制，同时对图像传感模块4的模拟输出信号进行AD采集，运算处理和处理结果数字化输出；

图像传感模块4，用于完成光斑感知和模拟信号输出，接收半导体激光二极管模块2经过直射式三角测量模块5的红外激光，该图像传感模块采用但不限于型号为ELIS-1024A系列的高速线阵CMOS图像传感器，该CMOS图像传感器采用DC5V供电，其中有128、256、512、1024四种像素点模式可供选择，该CMOS图像传感器有全相框和动态像素两种输出模式；

直射式三角测量模块5，用于实现满足cheimpflug条件的直射式三角测量法的激光三角测量结构，为图像传感模块4提供光学环境。

差分式减法电路6，用于将图像传感模块4输出的2～5V模拟信号控制在0～3V范围内，并将其输出给数字信号处理模块3。

参照图2，所述的数字信号处理模块3，其包括加电控制子模块31、时序控制子模块32、AD采集子模块33和运算输出子模块34。该加电控制子模块31，通过输出IO信号实现对半导体激光二极管模块2的加电控制；该时序控制子模块32，为图像传感模块4提供所需的时序，使CMOS图像传感器正常工作；该AD采集子模块33，与图像传感模块4电连接，用于采集图像传感模块4输出的2～5V范围内的模拟信号，并通过差分式减法电路6使模拟输出信号控制在0～3V范围内；该运算输出子模块34，用于对AD采集子模块33采集到的数字信号进行运算处理和处理结果的数字化输出。

参照图3，本发明中的直射式三角测量模块5包括半导体激光二极管51、准直透镜52、滤光片53和成像透镜54。其中半导体激光二极管51的波长λ＝650nm，出瞳功率为0.8～1mW，工作电压为2.8～3V，光束发散角＜0.3mrad，用于发射红外激光；准直透镜52，选用焦距为7.8～8mm的非球面塑胶镜片，用于实现半导体激光二极管51发射激光的准直；滤光片53的中心波长λ＝650nm，光谱宽度为624.5nm～697.5nm，峰值透过率≥85％，用于滤除照射在被测物上的激光反射回来的杂光；成像透镜54，选用焦距为8～10mm的非球面透镜，用于将经过滤光片53的激光照射在CMOS图像传感器上形成清晰的光斑。

该直射式三角测量模块5中的各器件位置必须满足cheimpflug条件的三角测量法特征才能使图像传感模块4接收到正确的光斑。满足cheimpflug条件的三角测量法特征在于使半导体激光二极管51发射光轴、成像透镜54延长轴和CMOS图像传感器延长轴汇集到一个点上，同时准直透镜52和滤光片53都与发射光轴垂直。其满足关系式如下：

式中，a为成像透镜54与被测物的物距，b为成像透镜54距CMOS图像传感器的相距，α为成像透镜54法线与被测物的夹角，β为成像透镜54法线与CMOS图像传感器的夹角，x为CMOS图像传感器上光斑移动距离，y为被测物的实际位移。当取成像透镜54焦距为10mm时，a＝40mm，b＝13.33mm，α＝45°，β＝71.56°，当被测物沿半导体激光二极管51发射光轴方向移动时，CMOS图像传感器上光斑移动距离为x，推算出被测物的实际位移为y。

参照图4，本发明中的半导体激光二极管模块2包括恒流源电路21，慢启动电路22和保护电路23。其中：

恒流源电路21，用于通过三端稳压集成块LM317为半导体激光二极管模块2提供电流为20mA的恒流源；

慢启动电路22，用于通过RC电路为半导体激光二极管模块2提供一个延时启动时间，防止电流尖峰浪涌对激光二极管的损坏；

保护电路23，由一个稳压二极管和三个正向二极管组成，为半导体激光二极管模块2因为电压过大而击穿提供保护。

参照图5，本发明中的差分式减法电路满足关系式如下：

式中，R1，R2，R3和Rf为参数电阻，v1为图像传感模块4的模拟输出电压值，v0为参考电压值，v2为输出给AD采集子模块33的模拟电压值。取v0＝2V，R1＝R2＝R3＝Rf＝1kΩ，由于图像传感模块4输出的模拟电压v1在2～5V范围内，即可推出传输给AD采集子模块33的模拟电压v2在0～3V范围内。

本发明的工作原理如下：

电源模块1为半导体激光二极管模块2、数字信号处理模块3和图像传感模块4供电。加电控制子模块31为半导体激光二极管模块2提供加电控制，半导体激光二极管模块2为直射式三角测量模块5提供激光源，直射式三角测量模块5为图像传感模块4提供光学环境，时序控制子模块32为图像传感模块4提供时序控制。半导体激光二极管模块2经过直射式三角测量模块5的红外激光照射在图像传感模块4上，图像传感模块4完成光斑感知并将光信号转换为2～5V的模拟电信号并输出。图像传感模块4输出的模拟电信号通过差分式减法电路6使其控制在0～3V范围内并输出给AD采集子模块33进行AD采集，并将采集的数字信号输出给运算输出子模块34，运算输出子模块34对该数字信号进行运算处理，输出数字化的实际位移量。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和更正，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。