一种自动测相装置的制作方法

本发明属于线性尺寸测量技术领域，具体涉及一种激光自动测相装置，用于目标物体到测量装置之间的绝对距离的测量。

背景技术：

相位法激光测距技术是通过测量调制激光在待测距离间飞行引起的相位变化来测量距离的。测距系统通过检测发射信号的初相位和接收信号的初相位进行比较，然后得到被测目标与测距系统之间的距离值。电磁波测距的基本原理是利用电磁波在空气中传播的速度为已知这一特性，测定电磁波在被测距离上往返传播的时间来求得距离值。

如图1所示，置于A点的仪器，发射出电磁波，被B点的反射器返回并为A点的仪器接收。设电磁波在AB距离上往返传播的时间为t_2D，则距离D可写为：

式中，c为电磁波在空气中的传播速度，约为3×10⁸m/s。只要能精确的求出电磁波往返传播时间t_2D，则可按式(1)求出距离D,设频率f为的调制光波，在待测距离AB上往返传播的时间为t_2D，其相移为Φ，图2为其波形展开图。设在起始时刻t₁发射的调制光光强为

I₁＝Asin(ωt₁+φ₀)

接收时刻调制光强为

则接收与发射时刻的相位差

将式(2)代入式(1)则得：

式(3)为相位法测距的基本公式。

相位法测距原理如图9所示，相位法测距系统中将正弦信号一个周期Φ称为一把测尺，测尺长度记为L。假定f＝15MHz，则对应的测尺长度为L＝10m。此时，对测尺长度进行m份细分，将得到测距信号的分辨率。例如对10m测尺进行10000份(m＝10000)的细分，将得到测距分辨率为1mm。

相位法测距系统将发射信号e_r作为参考信号，与测距返回的接收信号e_m(以下称为测距信号)进行相位比较得到相位差△φ＝e_r-e_m，在这个相位差中用时基脉冲进行填充脉冲计数，计数值为n，得到的数值即可以换算成距离值。换算公式为：

例如，测尺长度为L＝10m，测距信号一个周期被降频到1.5KHz，时基脉冲信号为15MHz，对测距信号细分为10000分频，即m＝10000，则测距分辨率为1mm。假设填充脉冲个数计数值n＝200，则此时对应的相位差△φ＝e_r-e_m＝7.2°，换算成距离值为D＝200mm。

现有技术采用发射信号与接收信号相位直接比对的方法，在自动数字测相过程中，由于相位计的分辨率有一定的限度，以及电路噪声、背景噪声的影响等，当距离差接近0°(小角度)或360°(大角度)时，可能出现错误测相。其表现形式，或是偏离正确值或是显示数字乱跳，离散很大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种自动测相装置，以解决现有技术在测量相位差时由于出现相位差较大(大角度)或较小(小角度)时，会出现的测相错误，或者测相不准确的问题。

出现错误测相的原因分析：

1、检相计分辨率有限引起的错误检相

图3为小角度测量情况，有参考信号e_r和测距信号e_m的下降沿检相可得到但由于相位计本身分辨率有限，如RS触发器有一定的工作速度，当e_r下降沿2使相位计输出为“1”的刹那，e_m的下降沿2又到来了，相位计应翻1转“0”，但RS触发器来不及复位，信号就过去了，从而相位计仍为“1”，当e_r下降沿3来到时才触发，相位计变为“0”，即出现图3中的情况，小相位角变成了大相位角还有另一种情况，如图6－4中E处，e_r下降沿4还来不及让相位计置位(置“1”)，e_m信号4就来了，这是就可能丢一个相位方波，产生错误，造成测相误差。

图4为大角度测量情况。正常情况检出相位方波而P处情况则不然，当e_m下降沿3使相位计为“0”，e_r下降沿3立即来到，相位计来不及变“1”，仍保持“0”，从而就丢失了一个相位方波。图中E处的情况则是：e_m的下降沿5来不及使相位计变“0”，e_r的下降沿5就使相位计为“1”，测出的相位从而多次出现错误测相。

2、电路噪声和调制光在大气中传输受大气抖动的影响，将使测距信号发生抖动。当相位方波是大小角度时，这种抖动可能造成相位的大角度变成小角度，小角度变成大角度。分析方法同上，此处不再详述。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自动测相装置，包括扩角模块和检相模块，扩角模块的输出连接检相模块。

进一步的，所述扩角模块由D触发器构成，其脉冲信号输人端接收的是参考信号，输出端连接检相模块。

进一步的，所述扩角模块选择型号为74hc74的D触发器。

进一步的，所述检相模块包括第一D触发器、第二D触发器和一个带施密特特性的与非门，所述第一D触发器的脉冲信号输入端连接扩角模块D触发器的正相位输出端，所述第二D触发器的脉冲信号输入端接收测距信号，其R输入端连接所述第一D触发器的正相位输出端，第二D触发器的反相位输出端同时连接与非门的一个输入端和第一D触发器的R输入端；所述与非门的另一个输入端连接时标脉冲信号。

进一步的，所述第一D触发器和第二D触发器选择由双D触发器CD4013实现。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本申请提出扩角测相的解决方案，扩角检相将原来360°的检相周期扩展到720°，使原来在0°附近的小相位差加360°，就属于中等角度检相；而原来在360°附近的相角不变，也属中等角检相。因而从扩角后检相的效果来看，不论大小角都是在360°附近检相，对720°周期来说，都不属易于出错的大小角度检相，而是中等角检相。

(2)扩角测相的自动测相装置结构简答，设计合理，容易实现和推广应用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为测距示意图；

图2为相位法测距示意图；

图3为小角度测相情况；

图4为大角度测相情况；

图5为小角度时扩角检相；

图6为大角度时扩角检相；

图7为本发明实施例所述自动测相装置的电路图；

图8为本发明实施例所述自动测相装置的电路时序分析图；

图9为相位法测距原理框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例自动测相装置，如图7所示，包括扩角模块和检相模块，扩角模块的输出连接检相模块；

所述扩角模块由D触发器构成，其脉冲信号输人端接收的是参考信号，输出端连接检相模块，本实施例扩角模块选择型号为74hc74的D触发器；将发射信号或者接收信号频率降低一半，进行扩角检相；

所述检相模块包括第一D触发器、第二D触发器和一个带施密特特性的与非门，所述第一D触发器的脉冲信号输入端连接扩角模块D触发器的正相位输出端，所述第二D触发器的脉冲信号输入端接收测距信号，其R输入端连接所述第一D触发器的正相位输出端，第二D触发器的反相位输出端同时连接与非门的一个输入端和第一D触发器的R输入端；所述与非门的另一个输入端连接时标脉冲信号，所述与非门的输出端连接计数器；所述检相模块用于频率检相，通过连接的计数器自动填充脉冲计数。本实施例所述第一D触发器和第二D触发器选择由双D触发器CD4013实现。

本实施例的扩角检相将原来360°的检相周期扩展到720°，使原来在0°附近的小相位差加360°，就属于中等角度检相；而原来在360°附近的相角不变，也属中等角检相。因而从扩角后检相的效果来看，不论大小角都是在360°附近检相，对720°周期来说，都不属易于出错的大小角度检相，而是中等角检相。

图5为小角度情况，利用扩角模块的D触发器将参考信号e_r和测距信号e_m的周期扩大到720°(新360°)，即e′_r和e′_m。将e′_m倒相作为控制检相的测距信号由e′_r和比相得检相方波此180°的相位，计数时自动溢出，实得相差图6为大角度的情况，也是利用扩角后的e′_r与控制检相测距信号比相，直接得检相方波

由于扩角检相时扩展整个周期，倒相也是原来得360°周期，因而避免了波形占空比不等带来的检相误差，本实施例电路的时序分析图见图8。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。