專利名稱：一種直線運動激光導(dǎo)航測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光導(dǎo)航測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種直線運動激光導(dǎo)航測 量裝置。
背景技術(shù)：
運動導(dǎo)引系統(tǒng)廣泛存在于有確定性運動需要的系統(tǒng)中。導(dǎo)引系統(tǒng)中常用 的導(dǎo)向方式是機械導(dǎo)軌式，這種導(dǎo)向方式的優(yōu)點是精度易于保證，并且隨著 導(dǎo)軌加工裝配精度的不同，可以滿足不同運動精度的需求；其缺點是不宜挪 動，并且加工裝配成本隨著運動范圍的擴大而提高。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展， 新的導(dǎo)向方式不斷出現(xiàn)，如電磁感應(yīng)導(dǎo)向、慣性導(dǎo)向、紅外線導(dǎo)向、激光導(dǎo) 向、光學(xué)導(dǎo)向、示教型導(dǎo)向等，這些導(dǎo)向方式的優(yōu)點是可實現(xiàn)非接觸自動導(dǎo) 向功能，廣泛應(yīng)用于物流配送等行業(yè)的自動導(dǎo)向小車的導(dǎo)向系統(tǒng)中。
隨著人們對遙測和非接觸式位置測量的旺盛需求，促進了 PSD技術(shù)的 發(fā)展。PSD如今已滲透到現(xiàn)代科技的方方面面，例如集成電路生產(chǎn)中的步長 控制儀、導(dǎo)彈的精密制導(dǎo)、形狀檢測等。隨著它理論的成熟和產(chǎn)品的多樣化， 在其所具有的非接觸性的基礎(chǔ)上也在向著小型化、集成化、數(shù)字化、智能化 等方面發(fā)展，它必將以其優(yōu)異的性能在測量技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。PSD 測量系統(tǒng)的發(fā)展方向主要在兩個方面， 一是PSD器件性能的提高，近年來 PSD器件的研究已有進展，分辨力大大提高，已有分辨力高達0.2 ，的PSD， 線性度和穩(wěn)定度也有改善。二是計算機及新的信號處理技術(shù)的研究與應(yīng)用， 利用微機可簡化電路設(shè)計，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活，且可實現(xiàn)各種非理想因素(如非線性)的補償，大大提高測量精度，使各種信號處理算法容易實現(xiàn)，信號 采集速度高，可大大提高測量速度。
現(xiàn)有的光電感光器件用于做非接觸測量，PSD接收光源的光信號而輸出 的電流信號很微弱，并且背景光的存在也對有用信號造成干擾，影響了測量 精度，整個測量裝置的線性度和穩(wěn)定度還不夠。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，解決了現(xiàn)有
技術(shù)中存在的PSD接收光源的光信號而輸出的電流信號很微弱，并且背景 光的存在也對有用信號造成干擾，整個測量裝置的測量精度、線性度和穩(wěn)定 度還不夠的問題。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是， 一種直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，包 括激光光源，激光光源的發(fā)射端連接有光學(xué)準直系統(tǒng)，光學(xué)準直系統(tǒng)的照射 區(qū)設(shè)置有二維PSD， 二維PSD安裝在控制電機驅(qū)動的工作臺上，工作臺安裝 在小車上，二維PSD與信號調(diào)理電路連接，信號調(diào)理電路通過A/D轉(zhuǎn)換器 與單片機連接，單片機再與控制電機連接，控制電機安裝在工作臺上。
信號調(diào)理電路包括電流/電壓放大器、差動放大器、采樣/保持器依次 連接。
A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0809。 激光光源選用氦氖激光器。
本實用新型的有益效果是，解決了 PSD接收光源的光信號而輸出的電 流信號很微弱，并且背景光的存在也對有用信號造成干擾的問題，整個測量 裝置的測量精度、線性度和穩(wěn)定度都明顯提高，并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便， 制作成本降低。

圖1是本實用新型的工作原理示意圖2是本實用新型的一個實施例示意圖3是圖2實施例的電流/電壓放大器原理圖4是圖2實施例的差動放大器電路圖。
圖屮，1、激光光源，2、光學(xué)準直系統(tǒng)，3、 二維PSD， 4、工作臺，5、 單片機，6、控制電機，7、信號調(diào)理電路，8、 A/D轉(zhuǎn)換器。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型進行詳細說明。 激光導(dǎo)航系統(tǒng)利用激光準直原理進行定向控制，當(dāng)需定向的小車裝有光 電接收器時，通過自動控制系統(tǒng)控制電機對二維工作臺進行調(diào)整，以滿足小 車直線運動的需要。依據(jù)這一測量要求，利用PSD的光斑定位原理進行二維 位置檢測。激光光束作為測量基準，由激光器發(fā)出后，通過光學(xué)準直系統(tǒng)， 在PSD光敏面上形成光斑。PSD將光斑的位置信息轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，但 電流信號很微弱且伴有噪聲，需經(jīng)過信號調(diào)理電路進行信號處理。A/D轉(zhuǎn)換 器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便計算機對數(shù)據(jù)進行進一步的運算，計算 出小車偏離激光光束的位置。然后，計算機向小車發(fā)出偏差信號，以使小車 回到光束中心。
本實用新型包括激光光源1，激光光源1的發(fā)射端連接有光學(xué)準直系統(tǒng) 2，光學(xué)準直系統(tǒng)2的照射區(qū)設(shè)置有二維PSD3， 二維PSD3安裝在控制電機驅(qū) 動的工作臺上，工作臺安裝在小車上，二維PSD3與信號調(diào)理電路7連接， 信號調(diào)理電路7與A/D轉(zhuǎn)換器8連接，A/D轉(zhuǎn)換器8與單片機5連接，單 片機5再與控制電機6連接，控制電機6安裝在工作臺4上。信號調(diào)理電路7包括電流/電壓放大器、差動放大器、采樣/保持器依 次連接。
如圖1所示，本實用新型的工作過程是，激光光源l發(fā)出的光束經(jīng)過光
學(xué)準直系統(tǒng)2的準直，照射到二維PSD3上，小車帶著工作臺向前運動，工 作臺上的二維PSD3將得到的光電信號輸入信號調(diào)理電路7，再經(jīng)過A / D轉(zhuǎn) 換器8的進一步處理后輸入單片機5，單片機5再根據(jù)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果向控 制電機發(fā)出指令，控制電機工作，將工作臺修正到正確的軸線上，保證工作 臺的直線運動。
PSD接收光源的光信號而輸出的電流信號很微弱，并且背景光的存在也 對有用信號造成干擾，所以由信號調(diào)理電路進行信號處理，使輸出信號能夠 精確地反映被測對象的位置信息。根據(jù)PSD的位置解算公式進一步進行除法 運算，得到小車的位置參數(shù)，以便進行自動控制。
PSD工作原理基于橫向光點效應(yīng)。PSD屬于大面積的PN結(jié)敏感器，在PN 結(jié)的四周設(shè)有電極，當(dāng)PSD的敏感面受到光斑局部非均勻照射時，在其敏感 面上將建立與光斑位置相關(guān)的平行于敏感面的橫向電動勢，如果光斑持續(xù)照 射，并在PSD的電極上接有外電路，則將形成向四周電極流動的電流，電流 的大小與光斑的位置有關(guān)，從而根據(jù)電流的大小可計算出光斑的位置，這就 是PSD的光斑定位機理的簡單描述。
要獲得隨動點的位置信息，必須對PSD的各信號電極輸出的電流信號進 行處理。根據(jù)PSD原理及光點位置(x， y)的表達式，轉(zhuǎn)換電路首先應(yīng)對PSD 輸出的光電流進行電流一電壓轉(zhuǎn)換并放大，再按轉(zhuǎn)換公式的要求，通過加、 減運算放大器進行預(yù)置相加和相減運算，最后通過模擬除法器相除，得到與 光能大小無關(guān)的位置信號。因此每個電路都主要包括電流/電壓放大器、加法器、減法器、除法器 等幾個部分。其中對于兩面分流型二維PSD，由于沒有公共電極引出，反偏 電壓是通過底面信號電極加上去的。同時，由于其暗電流較大，故在處理電 路中加入了調(diào)零電路。
如圖2所示，是本實用新型的一個實施例示意圖，激光光源l選用氦氖
激光器，氦氖激光器是放電激勵的具有連續(xù)輸出特性的原子氣體激光器，它
在可見和紅外波段可產(chǎn)生多條激光譜線，其中最強的是632.8,、 u^附和
3-39戶三條譜線，632.8"附(紅光)譜線應(yīng)用最多。這種激光器的輸出只有毫
瓦級，1 2m長的放電管可到幾十毫瓦，最大可達1瓦。光束質(zhì)量好，發(fā)散
角小(1 2mrad)，單色性好，加之有可見光輸出，當(dāng)輸出為基(橫)模(^M。。) 時其光強按高斯曲線分布有利于提高測量靈敏度等原因，在激光準直應(yīng)用中 普遍采用這種激光管。利用激光方向性好的特點，將激光束通過望遠鏡系統(tǒng) 射出，在需要準直的點上用光電探測器接受。'
A/D轉(zhuǎn)換器8選用ADC0809，與采樣一保持器的精度相匹配。ADC0809 的核心是一個逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換電路，能采集8路0 5V的電壓信號， 由逐次逼近邏輯將多路轉(zhuǎn)移器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號，8位模 擬量選通開關(guān)(即多路轉(zhuǎn)換器)的輸出接到該比較器的另一輸入端，兩者在 比較器中做比較。這種比較共進行8次，每次確定8位數(shù)字中的某一位為0， 還是l。每次比較需8個時鐘周期，則8次比較共需64個時鐘周期時間。由 于ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，故時鐘必須由外設(shè)提供，ADC0809的時鐘標 準頻率值為640kHz，將模擬信號轉(zhuǎn)換完成為數(shù)字信號共需IOO戸。由于 ADC0809帶有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，因此其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與8051 數(shù)據(jù)總線相連。地址線A、 B、 C分別與地址總線的低3位A0、 Al、 A2相連，以選通頂0 — IN7中的一個通道。在啟動A/D轉(zhuǎn)換時，8051的寫信號^和 P2. 7進行或非操作得到一個正脈沖，同時加到ADC0809的ALE和ATART引腳， 則ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動A/D轉(zhuǎn)換。在A/D轉(zhuǎn)換期間EOOO, A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC為高電瓶。EOC反相后加到8051的^作為中斷請求信 號。在^中斷服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，8051的讀信號^和P2.7或非后 產(chǎn)生一個正脈沖，作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。設(shè)8個模擬輸 入通道IN0 — IN7的地址分別為07F8H—07FFH。若對8路模擬輸入巡測一遍， 并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果依次存放在內(nèi)部RAM的30 — 37H單元中。
如圖3所示，為實施例的電流/電壓放大器電路原理圖。電流/電壓放大 器的作用在于，PSD輸出為微弱的電流信號，無法直接進行檢測，需要把它 轉(zhuǎn)換成更易處理的電壓信號，同時進行前置放大，以方便后面進行進一步的 信號處理。PSD的輸出相當(dāng)于一個電流源，當(dāng)它的負載阻抗為零時，它的輸 出特性最好。而理性的運放正、負輸入端正好有"虛短"(即兩輸入端之間 電壓差為零)的特性，因此，我們采用運放組成電流一電壓轉(zhuǎn)換電路，進行 PSD光生電流的檢測。實際的運放不可能做到絕對的零輸入阻抗，但要求電 流檢測器有盡可能小的輸入電阻。所以，在運放的選擇上要求有很高的開環(huán) 增益。
由圖3可知，該放大器的輸入電阻為R1/A,其中A是運放的開環(huán)增益， 即使R1很大，最終的出的運放輸入電阻相對于PSD的輸出電阻也是很小的， 可以視為短路輸出，因此，光生電流經(jīng)運放轉(zhuǎn)換后的輸出電壓與光生電流的 關(guān)系為
其中，；為PSD產(chǎn)生的光生電流，上式表明電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓與光生電流有著良好的線性關(guān)系。
由于運放的增益很大，Rl可以盡量選擇較大值的電阻。但隨著R1的增 大，因為存在運放輸入電流的溫度漂移系數(shù)，Rl會引起相當(dāng)大的直流電壓熱 漂移，為了補償這種誤差，在運放的同相端接入一個相同阻值的電阻R2。但 電阻R2會引入熱噪聲，所以在旁路加上電容q用來消除大部分的噪聲干擾，
同時給《并聯(lián)一個幾十^"的電容來降低高頻的噪聲干擾。
在本I / V轉(zhuǎn)換電路中的運放選用ADI公司的AD0P07。它有很高的開環(huán)
增益，低的輸入失調(diào)電壓和偏置電流，很低的噪聲，是本電路比較理想的運 放選擇。它的主要性能參數(shù)為開環(huán)增益200WwF，最大的輸入失調(diào)電壓 75-，最大偏置電流士0.4"，最大噪聲0.6/^'-。最小共模抑制比106必。 如圖4所示，為差動放大器電路圖。差動放大器的作用在于，電流/電 壓轉(zhuǎn)換對PSD的輸出電流信號進行I/V變換，送入主放大器的是電壓信號， 由于PSD內(nèi)阻的限制，^不能取得太大，主放大器的主要工作是將信號放大 到我們需要的幅度，并進行加減運算。
圖中^為電流/電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓，"。為電流/電壓轉(zhuǎn)換輸出電阻，數(shù) 值較小可忽略。電路輸出-
K 》
運算放大器存在偏置電流、失調(diào)電壓、失調(diào)電流等誤差，^-A〃A可 以消除偏置電流產(chǎn)生的誤差，而失調(diào)電壓、失調(diào)電流可以通過放大器外接調(diào) 零電阻來消除。
放大器的輸出電壓要被送到數(shù)據(jù)采集模塊進行A/D轉(zhuǎn)換，因此需要考慮 放大器的輸出電壓與數(shù)據(jù)采集模塊的模擬輸入電壓范圍的匹配問題。通過調(diào)
節(jié)放大倍數(shù)J。-A"'可以實現(xiàn)上述匹配，例如當(dāng)主放大器的輸入極值電壓為0力l"^，數(shù)據(jù)采集模塊的單極性輸入電壓0 ±2^則力。的取值在200左 右。同樣，四路放大電路的元件要進行認真的測量，保持一致。
本實用新型以激光光束為導(dǎo)引基準，利用光電傳感器對該基準做非接觸 測量，并通過信號調(diào)理電路7，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器8的進一步處理，再由單 片機進行數(shù)據(jù)處理，控制電機對二維工作臺進行調(diào)整，引導(dǎo)小車回到正確位 置。本實用新型實現(xiàn)了非接觸自動導(dǎo)向功能，廣泛應(yīng)用于物流配送等行業(yè)的 自動導(dǎo)向小車的導(dǎo)向系統(tǒng)中。
權(quán)利要求1、 一種直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，其特征在于，包括激光光源(1)，激光光源(1)的發(fā)射端連接有光學(xué)準直系統(tǒng)(2)，光學(xué)準直系統(tǒng)(2)的照 射區(qū)設(shè)置有二維PSD (3)， 二維PSD (3)安裝在控制電機驅(qū)動的工作臺上， 工作臺安裝在小車上，二維PSD (3)與信號調(diào)理電路(7)連接，信號調(diào)理 電路(7)通過A/D轉(zhuǎn)換器(8)與單片機(5)連接，單片機(5)再與控 制電機(6)連接，控制電機(6)安裝在工作臺(4)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，其特征在于， 所述的信號調(diào)理電路(7)包括電流/電壓放大器、差動放大器、采樣/保持 器依次連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，其特征在于， 所述的A/D轉(zhuǎn)換器(8)選用ADC0809。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，其特征在于， 所述的激光光源(1)選用氦氖激光器。
專利摘要本實用新型公開了一種直線運動激光導(dǎo)航測量裝置，包括激光光源，激光光源的發(fā)射端連接有光學(xué)準直系統(tǒng)，光學(xué)準直系統(tǒng)的照射區(qū)設(shè)置有二維PSD，二維PSD安裝在控制電機驅(qū)動的工作臺上，工作臺安裝在小車上，二維PSD與信號調(diào)理電路連接，信號調(diào)理電路與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器通過A/D轉(zhuǎn)換器與單片機連接，單片機再與控制電機連接。其中的信號調(diào)理電路又包括電流/電壓放大器、差動放大器、采樣/保持器依次連接。本實用新型以激光光束為導(dǎo)引基準，利用光電傳感器對該基準做非接觸測量，并通過單片機進行數(shù)據(jù)處理，控制電機引導(dǎo)小車回到正確位置。本實用新型實現(xiàn)了非接觸自動導(dǎo)向功能，廣泛應(yīng)用于物流配送等行業(yè)的自動導(dǎo)向小車的導(dǎo)向系統(tǒng)中。
文檔編號G01B11/00GK201156209SQ200820028079
公開日2008年11月26日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者喬衛(wèi)東, 于殿泓, 薇 馬 申請人:西安理工大學(xué)