正弦波光强调制式激光三角法高精度测距技术研究

发布时间：2017-07-05 19:15

  本文关键词：正弦波光强调制式激光三角法高精度测距技术研究

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【摘要】：激光三角法测距技术是一种重要的非接触式测距技术,在工业控制生产、工业自动化生产中都有着广阔的应用。本文基于传统的非接触式光三角法测量原理,利用PSD进行光电转换,通过电路处理,实现了正弦波光强调制式的高精度测距。 本文创新点在于:设计了一种高稳定的正弦波光强调制方案;建立了一种基于电路的误差补偿模型,对原理的非线性误差进行了校正;建立了电路噪声模型及温漂模型,并进行低噪寻优。最终研制出实验样机,通过双频激光干涉仪的比对实验,对非线性误差校正前后的数据进行端点连线平移直线拟合仿真,取得了良好的预期效果。实验结果表明:仪器±10mm测量范围内,分辨力不低于1um,误差校正后的非线性度提高近一个数量级,在1.4‰附近,验证了所选方案的可行性。 论文的主要工作包括以下几个方面: 1、基于光强随动原理,利用高精度的正弦波对激光调制,开发出高稳定的正弦波光强调制的半导体激光光源,有效地抑制了背景光、温漂等环境因素的干扰。其光强稳定,频率单一,谐波失真小,与方波光强调制相比,有用信号的能量非常集中,便于解调,可以达到很高的信噪比; 2、根据PSD的两路输出及AD534的特点,针对原理带来的非线性误差建立了数学补偿模型,开发了一种基于硬件电路的非线性误差校正技术,实时性好,可获得更高的控制精度; 3、基于运放实际模型和电阻噪声模型,建立电路的噪声模型及温漂模型,并进行低噪寻优,大大降低了系统噪声,提高了仪器分辨力; 4、建立各环节电路的数学模型,通过细致的参数计算、取系列化值和Matlab传递函数仿真,保证了电路的准确性和可靠性; 5、建立光学设计的数学模型,根据仪器测量范围及精度的要求,对光学参数进行优化设计,分析了接收光强、成像光斑对系统测量误差的影响; 6、基于EMC技术,根据电路模块传输信号类型和功耗的不同,从原理设计出发到PCB绘制、模块布局进行抗干扰设计,极大的抑制了低频噪声。
【关键词】：光三角法 位移测量 PSD 光强调制 误差校正 噪声模型 滤波器
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TH761.2
【目录】：

• 独创性声明和论文使用授权说明2-3
• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 课题背景8
• 1.2 激光三角法测距特点8-9
• 1.3 研究动态9-12
• 1.3.1 光强调制技术9
• 1.3.2 误差源研究9-12
• 1.3.3 仪器标定技术12
• 1.4 本文研究主要内容12-14
• 第二章 仪器原理及非线性误差分析14-35
• 2.1 光三角法测量原理14-16
• 2.2 三角法测距原理公式推导及分析16-17
• 2.3 PSD 工作原理及应用分析17-21
• 2.3.1 PSD 工作原理17-19
• 2.3.2 PSD 模型分析19-20
• 2.3.3 PSD 应用分析20-21
• 2.4 PSD 选型21-24
• 2.5 PSD 动态范围匹配24
• 2.6 接收光强计算24-26
• 2.7 像光斑大小计算26-28
• 2.8 非线性误差计算28-29
• 2.9 线性化寻优设计29-30
• 2.10 非线性误差校正30-35
• 2.10.1 校正方法一30-32
• 2.10.2 校正方法二32-33
• 2.10.3 校正方法三33-35
• 第三章 机械设计35-39
• 3.1 镜头接口设计35-36
• 3.2 激光器固定设计36-38
• 3.3 仪器实物38-39
• 第四章 电路设计及分析39-70
• 4.1 高精度正弦波光强调制设计39-42
• 4.1.1 高精度正弦波振荡器39-40
• 4.1.2 激光驱动电路40-42
• 4.2 前置放大电路设计42-47
• 4.2.1 电路原理设计42-43
• 4.2.2 运算放大器噪声模型及直流失调模型43-44
• 4.2.3 前置级噪声计算44-47
• 4.2.4 前置级电路板抗干扰设计47
• 4.3 高低通二阶有源滤波器分析47-50
• 4.3.1 低通滤波器48
• 4.3.2 高通滤波器48-50
• 4.4 全波整流、信号加/减及低通滤波50-52
• 4.5 陷波器分析52-54
• 4.6 模拟乘法器AD534 简介54-58
• 4.7 调零电路58-60
• 4.8 调相电路与相敏检波60-67
• 4.8.1 滞后型相位调整电路60-62
• 4.8.2 超前型相位调整电路62-64
• 4.8.3 直流失调对开关信号相位的影响64-65
• 4.8.4 相敏检波65-67
• 4.9 系统抗干扰布线设计67-70
• 第五章 系统调试及实验结果70-81
• 5.1 正弦波光强测试实验70-72
• 5.2 机械调试72-74
• 5.3 电路调试74-77
• 5.4 实验数据处理及分析77-81
• 全文总结与展望81-82
• 参考文献82-84
• 攻读硕士期间发表论文与参加科研情况84-85
• 致谢85-86
• 附录1 电路原理图86-87
• 附录2 未校正非线性误差的实测数据及其直线拟87-89
• 附件3 校正非线性误差后的实测数据及其直线拟89-92

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 任凯;塔式太阳能定日镜定日精度在线测量技术研究[D];北方工业大学;2010年

2 卢凤凰;激光三角测量光学系统设计及性能分析[D];西南交通大学;2011年

3 胡斯勒;管道内高速运动物体测速技术研究[D];天津大学;2010年

4 娄俊岭;一种三维视觉传感系统信息处理方法的软硬件实现[D];哈尔滨工业大学;2011年

5 严智文;PSD空间定位及抗干扰研究[D];南京理工大学;2007年

6 冯金城;高精度实时激光三角测距系统设计[D];南京理工大学;2008年

7 李冰;嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究[D];天津大学;2007年

8 何晓瑞;线径的激光投影成像差动测量方法与系统研究[D];湖北工业大学;2010年

9 李莉;基于双激光的水下目标深度测量[D];中国海洋大学;2012年

10 罗曾;管道内高速运动物体位置速度测量系统[D];天津大学;2011年

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本文编号：523255