一种光探测系统的制作方法

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种光探测系统。

背景技术：

随着我国城市化进程发展，地铁成为很多城市重要的交通工具之一。地铁是个独立的有轨交通系统，其不会受地面道路情况的影响，因而能够按照设计的能力正常运行，从而可以快速、安全、舒适地运送乘客。同时，地铁以其效率高、无污染，且能够满足诸多城市的大运量的要求等优点，已成为现代化城市的标志之一。

地铁在运营过程中，为保证运营的安全及智能化等方面的需求，通常需要设置相应的监测设备。目前，地铁中对大部分监测设备使用的探测器为照度探测器。但是现有的照度探测器的灵敏度一般比较低，导致监测结果的准确性也相应降低，故无法很好地满足地铁运营的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种光探测系统，从而可以有效提高针对地铁等场所进行精确有效的监测。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光探测系统，包括光电探测器、前置处理电路和非线性补偿电路，所述光电探测器将通过其光敏面采集的来自于待探测区域的光信号转换为电信号后传送至所述前置处理电路，所述前置处理电路将所述电信号进行前置放大处理后继续传送至所述非线性补偿电路，由所述非线性补偿电路对所述放大处理后的电信号进行非线性补偿处理后输出，所述非线性补偿处理后输出的信号用于分析确定待探测区域的参数信息。

所述前置处理电路包括：第一放大器和第二放大器，所述第一放大器和第二放大器的输入端分别与所述光电探测器的输出电流端连接，且所述第一放大器和第二放大器的输入端和输出端之间分别连接有电容和电阻，所述电容和电阻为并联。

所述非线性补偿电路包括：第三放大器和第四放大器，所述第三放大器和第四放大器的输入端分别与所述第一放大器和第二放大器的输出端连接，所述第三放大器和第四放大器的输出端还与乘法器连接，所述乘法器的输出端连接至所述第四放大器的输入端处，所述第四放大器的输出端输出所述非线性补偿处理后输出的信号。

所述第一放大器和第二放大器的输出端输出的信号为电压信号。

所述第一放大器和第二放大器采用型号为AD820的放大器。

所述第一放大器和第二放大器的电源采用的是基准电压源。

该系统还包括：激光器、聚光透镜和成像透镜，所述激光器发射的光穿过所述聚光透镜到达待探测区域后反射发出，所述待探测区域反射发出的光经过所述成像透镜到达所述光电探测器。

所述聚光透镜和成像透镜前还设置有同光源峰值波长相同的窄带滤光片。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的一种光探测系统采用了PSD(位置敏感探测器，或称位置传感器或光电探测器)技术，使得相应的光探测系统具有较高的灵敏度，从而可以准确地监测地铁等场所的光照度、人流等情况。对地铁运营自动化的发展过程起到了推动作用。而且，该光探测系统具有实现简单、体积小、重量轻等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供的测量系统的开环非线性补偿原理图；

图2为图1中的开环非线性补偿部分的电路图；

图3为本实用新型实施例提供的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

PSD横向光电效应是Schottky在1930年代发现的，但是当时并没有得到特别关注。1957年，Wallmark在圆形Ge-In P-N结上重新发现了横向光电效应。现象是当光斑在器件上移动时，光斑位移与在n型层面上的两个相距1毫米的点电极之间的电势差成比例。他对此现象做出了理论解释，并提出该理论可以用于检测光点位置。之后对PSD的研究真正开始了。PSD(位置敏感探测器，或称位置传感器或光电探测器)是一种基于非均匀半导体的横向光电效应，是一种对粒子位置或者入射光很敏感的光电器件。具有对光学系统以及光源的要求相对比较低并且响应速度较快，分辨率高，信号处理相对简单等特点。PSD适用于距离、位移、动态监测、角度以及位置等非接触高精度快速测量，广泛应用于监控、机器人传感、自动聚焦、工业检测等领域。

基于PSD的上述特性，本实用新型提供的光探测系统即为基于PSD实现，从而可以满足更为精确的特定场所的监测需求。

本实用新型实施例提供了一种光探测系统，其具体实现结构如图1所示，可以包括光电探测器(即位置传感器，属于非线性环节，即输入信号X经光电探测器后输出为非线性信号)、前置处理电路和非线性补偿电路，所述光电探测器将通过其光敏面采集到的来自于待探测区域的光信号转换为电信号后传送至所述前置处理电路，所述前置处理电路将所述电信号进行前置放大处理后继续传送至所述非线性补偿电路，由所述非线性补偿电路对所述放大处理后的电信号进行非线性补偿处理后输出，所述非线性补偿处理后输出的信号用于分析确定待探测区域的参数信息。即基于该经过非线性补偿处理后输出的电压信号便可以分析确定待探测区域的参数信息，例如，人流情况或光照度情况等参数信息，之后，相应的参数信息既可以为其他智能自动化处理部分的参考数据，也可以直接输出给用户，便于用户获知待监测区域的情况。

在上述光探测系统中，所述前置处理电路如图2所示，可以包括：第一放大器OP1和第二放大器OP2，所述第一放大器OP1和第二放大器OP2的输入端分别与所述光电探测器的输出电流端I1、I2连接，且所述第一放大器OP1和第二放大器OP2的输入端和输出端之间分别连接有电容和电阻R1、R2，所述电容和电阻R1、R2为并联。通过所述第一放大器OP1和第二放大器OP2可以对微弱的电流信号进行前置放大处理，便于后续的处理过程中对电流信号的处理分析。

在上述光探测系统，所述非线性补偿电路仍参照图2所示，可以包括：第三放大器OP3和第四放大器OP4，所述第三放大器OP3和第四放大器OP4的输入端分别与所述第一放大器OP1和第二放大器OP2的输出端连接，所述第三放大器OP3和第四放大器OP4的输出端还与乘法器M连接，所述乘法器M的输出端连接至所述第四放大器OP4的输入端处，所述第四放大器OP4的输出端输出所述非线性补偿处理后输出的信号。

进一步地，上述光探测系统中，所述第一放大器OP1和第二放大器OP2的输出端输出的信号为电压信号V1、V2。且所述第一放大器OP1和第二放大器OP2可以采用型号为AD820的放大器。所述第一放大器OP1和第二放大器OP2的电源可以采用基准电压源。

具体地，本实用新型实施例提供的光探测系统如图3所示，还可以包括：激光器、聚光透镜和成像透镜，所述激光器发射的光穿过所述聚光透镜到达待探测区域后反射发出，所述待探测区域反射发出的光经过所述成像透镜到达所述光电探测器。

进一步地，在所述聚光透镜和成像透镜前还可以设置有同光源峰值波长相同的窄带滤光片。在发射透镜(聚光透镜)和接收透镜(成像透镜)前加上同光源峰值波长相同的窄带滤光片的目的是为了消除杂散光以及背景光的干扰。

在该光探测系统中，所述待探测区域反射发出的光经过所述成像透镜到达光电探测器后，要求所述光电探测器收到的光斑小于预定值，且所光斑的清晰度符合预定的要求。也就是说，该光探测系统要求所测量的距离(即图3中待探测区域中的距离Z，即ob)反应到PSD(光电探测器)的光斑(图3中的o’b’)尽可能的小，并且要求光斑是清晰的，即满足清晰度的要求。

本实实用新型实施例提供的光探测系统是一种结合激光三角测量的原理设计出的合理的信号处理系统，可以用于位移(移动物体)、振动物理量的测量。由于激光三角法获得的测量结果是非线性的，为了便于进行测量和控制，本实用新型实施例中采用了相应的补偿处理，消除了激光三角法测量结果的非线性特性，提高了测量的可操作性。激光三角测量具体是根据漫反射光来实现测量的。本实用新型实施例中对微弱的电流信号处理，PCB板的设计以及放大器的选择等方面进行了较为新颖的设计，使得相应的光探测系统可以取得较佳的监测效果，进而使得该光探测系统能有效的检测到地铁中人流、照明、行车等情况，从而便于保证地铁运行安全。

本实用新型实施例提供的光探测系统具有响应速度较快、精度高等优点，能够保证测量的准确性。其具体可以但不限于应用于地铁照明监控系统中。通过该光探测系统可以对地铁中乘客的位置的光源的反射情况来判断地铁区域光照度是否满足规范的要求。当乘客接近部分地铁区域时，光照度偏低或者偏高时该光探测系统中的位敏探测器将通过软件硬件程序进行判断。当光照度过高或低时，可以发出指令从而控制光源。从而使得乘客在地铁区域活动时，保证光照度满足规范要求，并且能够达到很好的节能效果。进一步地，该光探测系统还可以应用于人流、行车等监控，以保证乘客以及行车的安全。当然，该光探测系统也可以应用于除地铁以外的其他类似场所中，以进行相应的监测。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图对本实用新型实施例的实现过程作进一步地详细描述。

本实用新型实施例中所采用的激光三角测量方法是一种非接触测量位移的方法，该方法可以广泛应用于三维物体的轮廓、厚度以及振动的测量。其原理是：激光束投射在被测物面(行人或车辆等)，会形成的漫反射光斑，将光斑作为位置传感器(即PSD)的输入信号，利用透镜成像原理收集漫反射光聚在位置传感器的聚焦平面的光接收器上因此形成像点，相应的聚焦平面也可以称为光敏面，光敏面的长度影响到PSD的接收性能，本实用新型实施例在具体实施过程中可以选择国内生产的PSD，其光敏面长度为8mm。当入射光斑随被测物移动时，像点会在光接收器上做相应的移动，根据像移大小以及系统结构的参数得出被测物(人员或行车等)的位移量，以及获取的被测物的某方面相关信息。为了保证反映出物面的位置变化，不受其表面质量粗糙度的影响，本实用新型实施例中具体可以选用激光束入射被测物面的三角测量方法。

本实用新型实施例中的激光三角测量过程原理如下：

参照图3所示，成像透镜L的焦距为F，d₀(即OM)为透镜光轴上物距，d_i(MO′)为像距，γ(∠boM)为透镜光轴上漫反射光与入射光的夹角，γ′(∠a′o′M)为CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)像面与透镜光轴的夹角，I为像方成像点位置的变化量，Z为物方纵向位置变化量(被测物由o移至b时)，由图3可知：

bo_b＝Zsinγ,b′o_b′＝Isinγ′；

即

根据上式化简处理后可知：

当被测物由o移至a时，可知：

综合上述两式可得：

通过上述激光三角测量过程得到的曲线为非线性曲线，故还需要非线性补偿措施来减小非线性测量误差。

如图2所示，在相应的非线性补偿措施中，先将电流I1和I2经第一放大器OP1和第二放大器OP2实现电流/电压转换，再由放大器OP3实现加法运算，以及由第四放大器OP4和乘法器M实现除法运算，以通过相应的开环式补偿方案进行补偿处理。具体地，图2中非线性补偿电路是通过加法器和乘法器使得电路系统输出的电压信号和被测物面位移的大小线性对应非线性关系转化为线性关系，实现相应的补偿处理。

由于被测物面光反射能力不同的，在PSD上的成像光斑的光强是不同的，导致PSD输出电流不同。为了能够测量光反射能力不同的被测物面，基于相应的的第一放大器OP1和第二放大器OP2，具体可以采用积分的方式进行电流/电压转换。并通过调节积分的时间来调节增益大小，从而使得输出电压在一个合理的范围(预定的范围)之内。

本实用新型实施例在具体实现过程中，具体可以根据综合考虑增益带宽，噪声，温漂等参数合理地进行图2中的放大器型号的选择。

下面将详细描述相应的放大器的选择过程：

在前置放大器的选择过程中，需要考虑精密放大器的以下几个重要参数：

(1)输入失调电压，由于运算放大器的差分输入不能达到完全对称，输入电压为零时，仍然存在少量的输出电压。将这个输出电压转换为理想运算放大器的输入电压即是这个放大器输入失调电压。输入失调电压是系统误差，因此补偿的方法有调零补偿以及系统校正技术。

(2)输入偏置电流指，是指在运放输出为零的时候，两个输入端的静态电流的平均值。偏置电流越小，信号源内阻变化引起输出电压的变化就越小。如果偏置流比输入电流还要大，那么系统将无法检测到输入信号。

(3)输入失调电流，是指运放输出为零时输入端静态电流的差值。由于信号源存在内阻，放大器输出电压不为零，会导致输入电压放大器不平衡。采用的方法是通过平衡电阻来消除。

(4)温漂，是指输入失调电流漂移以及输入失调电压漂移。

(5)将一个频率可变的恒幅正弦小信号输入到运放器的输入端，单位增益带宽运放的闭环增益为1倍，随着输入信号频率的增加，输出信号增益将持续减小，在闭环电压增益下，运放输出端测得的信号相当于运放输入信号的0.707时，对应的信号频率乘以闭环放大倍数1得到了增益带宽积。

(6)开环增益精密运算放大器的直流开环增益应当很高。

相应的增益计算公式为：A_v为实际增益，A为开环增益，为设计增益由下表1可知使用开环增益误差较小。

相应的增益误差表如下表1所示：

表1

以下表2中是部分型号放大器的技术参数指标：

表2

通过上述表2中各型号放大器的技术指标情况，本实用新型实施例中可以采用放大器AD820作为图2中的放大器OP1和OP2。

进一步地，放大器AD820的更多的技术指标参数如下：

失调电压漂移：最大为2μV/℃；

电压噪声：100Hz时21n V/rt Hz；

输入偏流：在25℃时最大为25p A；

增益带宽乘积为1.9MHZ；

电流噪声：1k Hz时为0.8f A/rt Hz；

当电压为±15V时1.6W。

综上技术指标可以看出，相应的放大器AD820可以作为本实用新型实施例图2中的放大器OP1和OP2。

本实用新型实施例中还需要对图2中的PSD信号检测电路引起的误差进行补偿，其中，PSD信号检测电路引起的误差可以包括：前置运算放大器输入偏置电流引起的误差、反馈电阻温漂等噪声引起的误差，以及PSD两路信号放大倍数不一致引起的误差，等等。为进行相应的前置放大电路补偿处理，在设计电路时，可以采用以下补偿措施：

(1)采用高精度的精密电阻(图2中的R1和R2)和低输入偏置电流的运放；

(2)合理布置印刷电路板上面的元件，合理接地；

(3)PSD工作时需要反偏电压提高响应速度和灵敏度，因而会产生暗电流及产生噪声电流；为了降低或者消除相应产生的电流误差，可以对电路进行电流补偿，即通过图2中的电压V1和V2之前的电路结构进行电流补偿；以及令图2中的第一放大器OP1和第二放大器OP2的补偿电流的电源采用基准电压源来产生，在光照射在量程范围外的物体上或者激光器关闭时，使得第一放大器OP1和第二放大器OP2的前置放大输出电压(V₁,V₂)为零，以消除暗电流及背景光产生电流的影响。

本实用新型实施例在实施过程中还需要考虑采取相应的电路抗干扰措施，以增加电路的抗干扰性能。

电路中形成干扰的主要因素通过包括：干扰源，传播途径和受干扰设备。模拟电路而言干扰很多是电源引起的。优质的线性电源能够减少这种干扰。且进入电路前滤除纹波电压也可以减少开关电源的干扰。

同时，还需要提高PCB板的抗干扰性，注意PCB板的抗干扰的措施，即：优化PCB板电子元件的布局；在重要的部位配置旁路电容(图2中的电容的设置)；以及合理布置电源线和接地等均可以增强PCB板的抗干扰性能。

本实用新型实施例提供的光探测系统在具体应用过程中，相应的测量值与真实值之间的误差如下表3所示，由表3可见，该光探测系统的测量准确性较高，可以很好地满足针对移动物体等测量的准确性要求。

表3

总之，本实用新型实施例中根据PSD的工作原理，对测量误差来源进行补偿，根据相关的理论分析，考虑到光电测距的简单、重量轻、体积小，并且具有高测量的精准度以及数据连接。将该系统应用于地铁运营管理中，可以有效提高探测系统对地铁运行的监控准确度。对地铁中光照度的监控，实时调整，节约了能源。对人流的监控有效的预防了地铁站内人流过度拥挤的现象。

综上所述，本实用新型实施例提供的光探测系统在地铁中应用的发展前景还是很乐观的，且将会有很大的发展空间。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。