本發(fā)明屬于精密自動(dòng)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種位移傳感器系統(tǒng)，可用于非接觸式測量。

背景技術(shù)：

激光位移傳感器以其卓越的測量性能，實(shí)現(xiàn)非接觸在線測量位移，動(dòng)態(tài)監(jiān)測重要構(gòu)件在承載時(shí)發(fā)生微量變形。近幾年，特別是隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的不斷發(fā)展，激光位移傳感器逐漸成為非接觸檢測產(chǎn)品的主流，在國外已較為普遍使用非接觸式的測量方法進(jìn)行高精度的檢測。

目前激光位移傳感器使用的光電器件主要有位置敏感探測器PSD、電荷耦合元件CCD。采用滿足Scheimpflug條件的直射式或斜射式三角測量法為測量依據(jù)，通過FPGA實(shí)現(xiàn)對光電器件的時(shí)序控制和半導(dǎo)體激光電路的控制以及數(shù)字信號(hào)的采集，通過A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對光電器件模擬輸出信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，通過DSP與FPGA的交互實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號(hào)的處理及輸出。這種傳感器由于采用PSD或CCD作為傳感器光電器件，不僅測量精度不高，而且外圍電路和時(shí)序控制都比較復(fù)雜，同時(shí)由于使用DSP+FPGA雙芯片完成時(shí)序控制、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)采集及處理功能，使得激光位移傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路都會(huì)更加復(fù)雜，體積增大，造價(jià)很高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統(tǒng)，以簡化外圍電路，提高測量精度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于CMOS的高精度激光位移傳感器系統(tǒng)，包括電源模塊、半導(dǎo)體激光二極管模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、圖像傳感模塊、直射式三角測量模塊和差分式減法電路，其特征在于：

所述圖像傳感模塊，采用CMOS圖像傳感器作為光電器件，用以實(shí)現(xiàn)光斑感知和模擬信號(hào)輸出；

所述數(shù)字信號(hào)處理模塊，采用DSP芯片作為主控芯片，其包括：

加電控制子模塊，用于為半導(dǎo)體激光二極管模塊提供加電控制；

時(shí)序控制子模塊，用于為圖像傳感模塊提供時(shí)序控制；

AD采集子模塊，用于對圖像傳感模塊的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行AD采集；

運(yùn)算輸出子模塊，用于對AD采集模塊采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理和處理結(jié)果數(shù)字化輸出。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明由于采用CMOS圖像傳感器作為光電器件，不僅提高了測量精度和穩(wěn)定性，而且簡化了外圍電路；

2、本發(fā)明由于采用DSP芯片作為主控芯片，不僅簡化了機(jī)械和電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)減小了系統(tǒng)體積，降低了成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體框圖；

圖2為本發(fā)明中的數(shù)字信號(hào)處理模塊框圖；

圖3為本發(fā)明中的直射式三角測量模塊原理圖；

圖4為本發(fā)明中的半導(dǎo)體激光二極管模塊驅(qū)動(dòng)電路圖；

圖5為本發(fā)明中的差分式減法電路原理圖。

具體實(shí)施方式

參照圖1，本發(fā)明系統(tǒng)包括電源模塊1、半導(dǎo)體激光二極管模塊2、數(shù)字信號(hào)處理模塊3、圖像傳感模塊4、直射式三角測量模塊5和差分式減法電路6。其中：

電源模塊1，采用DCDC電源芯片為系統(tǒng)供電，電源芯片選用型號(hào)為MP2565，輸入電壓為12～24V，輸出電壓為5V，最大輸出電流為2.5A，用于完成系統(tǒng)上電，即對半導(dǎo)體激光二極管模塊2、數(shù)字信號(hào)處理模塊3和圖像傳感模塊4的工作提供電源；

半導(dǎo)體激光二極管模塊2，用于為直射式三角測量模塊5提供激光源；

數(shù)字信號(hào)處理模塊3，選用但不限于TMS320系列的DSP芯片，并采用PGF薄型四方扁平封裝，用于分別為半導(dǎo)體激光二極管模塊2和圖像傳感模塊4提供加電控制和時(shí)序控制，同時(shí)對圖像傳感模塊4的模擬輸出信號(hào)進(jìn)行AD采集，運(yùn)算處理和處理結(jié)果數(shù)字化輸出；

圖像傳感模塊4，用于完成光斑感知和模擬信號(hào)輸出，接收半導(dǎo)體激光二極管模塊2經(jīng)過直射式三角測量模塊5的紅外激光，該圖像傳感模塊采用但不限于型號(hào)為ELIS-1024A系列的高速線陣CMOS圖像傳感器，該CMOS圖像傳感器采用DC5V供電，其中有128、256、512、1024四種像素點(diǎn)模式可供選擇，該CMOS圖像傳感器有全相框和動(dòng)態(tài)像素兩種輸出模式；

直射式三角測量模塊5，用于實(shí)現(xiàn)滿足cheimpflug條件的直射式三角測量法的激光三角測量結(jié)構(gòu)，為圖像傳感模塊4提供光學(xué)環(huán)境。

差分式減法電路6，用于將圖像傳感模塊4輸出的2～5V模擬信號(hào)控制在0～3V范圍內(nèi)，并將其輸出給數(shù)字信號(hào)處理模塊3。

參照圖2，所述的數(shù)字信號(hào)處理模塊3，其包括加電控制子模塊31、時(shí)序控制子模塊32、AD采集子模塊33和運(yùn)算輸出子模塊34。該加電控制子模塊31，通過輸出IO信號(hào)實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體激光二極管模塊2的加電控制；該時(shí)序控制子模塊32，為圖像傳感模塊4提供所需的時(shí)序，使CMOS圖像傳感器正常工作；該AD采集子模塊33，與圖像傳感模塊4電連接，用于采集圖像傳感模塊4輸出的2～5V范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，并通過差分式減法電路6使模擬輸出信號(hào)控制在0～3V范圍內(nèi)；該運(yùn)算輸出子模塊34，用于對AD采集子模塊33采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理和處理結(jié)果的數(shù)字化輸出。

參照圖3，本發(fā)明中的直射式三角測量模塊5包括半導(dǎo)體激光二極管51、準(zhǔn)直透鏡52、濾光片53和成像透鏡54。其中半導(dǎo)體激光二極管51的波長λ＝650nm，出瞳功率為0.8～1mW，工作電壓為2.8～3V，光束發(fā)散角＜0.3mrad，用于發(fā)射紅外激光；準(zhǔn)直透鏡52，選用焦距為7.8～8mm的非球面塑膠鏡片，用于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光二極管51發(fā)射激光的準(zhǔn)直；濾光片53的中心波長λ＝650nm，光譜寬度為624.5nm～697.5nm，峰值透過率≥85％，用于濾除照射在被測物上的激光反射回來的雜光；成像透鏡54，選用焦距為8～10mm的非球面透鏡，用于將經(jīng)過濾光片53的激光照射在CMOS圖像傳感器上形成清晰的光斑。

該直射式三角測量模塊5中的各器件位置必須滿足cheimpflug條件的三角測量法特征才能使圖像傳感模塊4接收到正確的光斑。滿足cheimpflug條件的三角測量法特征在于使半導(dǎo)體激光二極管51發(fā)射光軸、成像透鏡54延長軸和CMOS圖像傳感器延長軸匯集到一個(gè)點(diǎn)上，同時(shí)準(zhǔn)直透鏡52和濾光片53都與發(fā)射光軸垂直。其滿足關(guān)系式如下：

式中，a為成像透鏡54與被測物的物距，b為成像透鏡54距CMOS圖像傳感器的相距，α為成像透鏡54法線與被測物的夾角，β為成像透鏡54法線與CMOS圖像傳感器的夾角，x為CMOS圖像傳感器上光斑移動(dòng)距離，y為被測物的實(shí)際位移。當(dāng)取成像透鏡54焦距為10mm時(shí)，a＝40mm，b＝13.33mm，α＝45°，β＝71.56°，當(dāng)被測物沿半導(dǎo)體激光二極管51發(fā)射光軸方向移動(dòng)時(shí)，CMOS圖像傳感器上光斑移動(dòng)距離為x，推算出被測物的實(shí)際位移為y。

參照圖4，本發(fā)明中的半導(dǎo)體激光二極管模塊2包括恒流源電路21，慢啟動(dòng)電路22和保護(hù)電路23。其中：

恒流源電路21，用于通過三端穩(wěn)壓集成塊LM317為半導(dǎo)體激光二極管模塊2提供電流為20mA的恒流源；

慢啟動(dòng)電路22，用于通過RC電路為半導(dǎo)體激光二極管模塊2提供一個(gè)延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間，防止電流尖峰浪涌對激光二極管的損壞；

保護(hù)電路23，由一個(gè)穩(wěn)壓二極管和三個(gè)正向二極管組成，為半導(dǎo)體激光二極管模塊2因?yàn)殡妷哼^大而擊穿提供保護(hù)。

參照圖5，本發(fā)明中的差分式減法電路滿足關(guān)系式如下：

式中，R1，R2，R3和Rf為參數(shù)電阻，v1為圖像傳感模塊4的模擬輸出電壓值，v0為參考電壓值，v2為輸出給AD采集子模塊33的模擬電壓值。取v0＝2V，R1＝R2＝R3＝Rf＝1kΩ，由于圖像傳感模塊4輸出的模擬電壓v1在2～5V范圍內(nèi)，即可推出傳輸給AD采集子模塊33的模擬電壓v2在0～3V范圍內(nèi)。

本發(fā)明的工作原理如下：

電源模塊1為半導(dǎo)體激光二極管模塊2、數(shù)字信號(hào)處理模塊3和圖像傳感模塊4供電。加電控制子模塊31為半導(dǎo)體激光二極管模塊2提供加電控制，半導(dǎo)體激光二極管模塊2為直射式三角測量模塊5提供激光源，直射式三角測量模塊5為圖像傳感模塊4提供光學(xué)環(huán)境，時(shí)序控制子模塊32為圖像傳感模塊4提供時(shí)序控制。半導(dǎo)體激光二極管模塊2經(jīng)過直射式三角測量模塊5的紅外激光照射在圖像傳感模塊4上，圖像傳感模塊4完成光斑感知并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為2～5V的模擬電信號(hào)并輸出。圖像傳感模塊4輸出的模擬電信號(hào)通過差分式減法電路6使其控制在0～3V范圍內(nèi)并輸出給AD采集子模塊33進(jìn)行AD采集，并將采集的數(shù)字信號(hào)輸出給運(yùn)算輸出子模塊34，運(yùn)算輸出子模塊34對該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，輸出數(shù)字化的實(shí)際位移量。

以上描述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例，顯然對于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修改和更正，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。