吳 莎，雷志勇

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710032)

自動(dòng)檢測(cè)裝置在工業(yè)、航空航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及核動(dòng)力等高新技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。例如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)捕獲，但對(duì)在線系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)如不能達(dá)到相機(jī)的觸發(fā)脈寬，就不能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕獲，或者觸發(fā)系統(tǒng)的時(shí)延過長就會(huì)給工業(yè)測(cè)量帶來很大誤差。為有效地減小觸發(fā)系統(tǒng)的時(shí)延誤差、滿足對(duì)相機(jī)的觸發(fā)功能，研究同步觸發(fā)裝置有著重要工程的意義。文中結(jié)合在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，從系統(tǒng)的工作原理分析了觸發(fā)系統(tǒng)的出射光路系統(tǒng)與反射光路系統(tǒng)的特性，建立了信號(hào)處理電路。

1 密封件觸發(fā)探測(cè)系統(tǒng)工作原理

在線自動(dòng)檢測(cè)裝置由相機(jī)觸發(fā)裝置等處理軟件所組成，如圖1所示。使觸發(fā)裝置能夠保證整個(gè)系統(tǒng)工作在良好狀態(tài)下。在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于觸發(fā)的同步時(shí)延過長會(huì)給測(cè)量參數(shù)的計(jì)算帶來一定的誤差，為嚴(yán)格控制工件與相機(jī)成像的同步性，需要對(duì)觸發(fā)裝置進(jìn)行研究。

圖1 視覺測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

通常來說，觸發(fā)裝置系統(tǒng)由激勵(lì)光源、出射物鏡、接收物鏡、光電接收探測(cè)器、調(diào)理電路及信號(hào)處理等6部分來完成。觸發(fā)裝置系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如框圖1所示。

圖2 觸發(fā)裝置系統(tǒng)原理框圖

光電探測(cè)系統(tǒng)就是以光波作為信息和能量的載體而實(shí)現(xiàn)傳感、傳輸、檢測(cè)等功能的測(cè)量系統(tǒng)。首先選用一定波長范圍的激勵(lì)光源，因此發(fā)射出一定的波長和功率的光信號(hào)，在經(jīng)過出射物鏡，利用被檢物體對(duì)光的遮擋或反射，物鏡將進(jìn)行反射光線匯聚到光學(xué)探測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，再對(duì)經(jīng)光學(xué)濾波到微弱反信號(hào)光電轉(zhuǎn)換后的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理。通過整形電路得到一個(gè)脈沖信號(hào)控制后續(xù)電路的觸發(fā)。

2 觸發(fā)系統(tǒng)的光電探測(cè)性分析

光電探測(cè)系統(tǒng)中光電器件由出射器件和接收器件兩部分組成。為滿足密封件的在線檢測(cè)，選用單色光源作為出射激勵(lì)器件的來源;為消除外界干擾，便于光路調(diào)節(jié)，可采用可見光波段的激光器件。為更好地獲取出射激光的反射光，光電探測(cè)器型號(hào)的選擇在在線檢測(cè)中起著重要作用。結(jié)合在線系統(tǒng)的測(cè)量要求，文中采用出射激光波長為650 nm的可見光和同波長的J8M－D1NK接收光電探測(cè)器件。

2.1 出射和反射光學(xué)光路分析

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)觸發(fā)功能，就要對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)部分進(jìn)行相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)利用密封件對(duì)光的遮擋吸收和光線的直線傳播原理，來提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。入射光路系統(tǒng)，光通過孔徑越大，收集反射光越強(qiáng);光透孔徑越小，收集反射光越弱，將得到更小的反射信號(hào)。對(duì)于出射光路系統(tǒng)，其激勵(lì)光源為點(diǎn)光源，點(diǎn)光源通過物鏡出射為一組平行光線，如圖3出射光路和反射光路一體化中出射光路圖部分。在反射光路系統(tǒng)中，文中為測(cè)量密封件的存在，由于受到密封件本身材質(zhì)的影響出射的光線都被密封件所吸收，所以采用了擋光板，進(jìn)行光信號(hào)的反射，反射光經(jīng)過光學(xué)物鏡將光束聚焦為探測(cè)器點(diǎn)元的大小，為更好地檢測(cè)反射光信號(hào)，傳感器一般放在物鏡的焦平面上，如圖3中所示的光路一體化。

圖3 出射和反射光路一體化

從入射光和反射光的角度來設(shè)計(jì)總的光學(xué)系統(tǒng)，提高探測(cè)器的靈敏度，就要保證接收部分能夠接收到足夠多的反射光能，應(yīng)用光學(xué)透鏡匯聚光能的特性，當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)處于出射光區(qū)和反射光區(qū)的公共區(qū)域時(shí)，即運(yùn)動(dòng)目標(biāo)處于有效探測(cè)區(qū)時(shí)才能更好地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

2.2 遮擋面積對(duì)探測(cè)性能的影響

在檢測(cè)系統(tǒng)中，光通量的變化量是通過密封件經(jīng)過時(shí)的遮光面積變化而改變的，如圖4所示。當(dāng)密封件的長度m＞a時(shí)，密封件經(jīng)過探測(cè)區(qū)域遮擋面積可表示為

圖4 密封件在探測(cè)區(qū)域中對(duì)光通量的影響

根據(jù)光電探測(cè)系統(tǒng)的工作原理，為提高光電探測(cè)的靈敏度，從文獻(xiàn)［8］中可知，光電傳感器接收的光能越多其靈敏度越高。光電傳感器接收光能的多少也直接影響著傳感器的探測(cè)性能。光能的多少與光通量成正比，光通量越大，光能越多，總之當(dāng)密封件經(jīng)過探測(cè)區(qū)域時(shí)，擋光面積變化是又與光通量變化密切相關(guān)，經(jīng)過的面積越大則擋光面積就越大，擋光通量也越大，那么光電轉(zhuǎn)換后直流電平就越高，相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的模擬信號(hào)幅值也越高，探測(cè)靈敏度就會(huì)提高。

光電流Is與入射輻射的光通量p成正比，其公式表示為

其中，hv是光子能量;e是電荷電量;α=eη/hv是光輻射功率與光電流之間的轉(zhuǎn)換因子。

光電探測(cè)系統(tǒng)一定的情況下其內(nèi)阻假設(shè)為一定值R，所以輸出電壓Us=IsR。圖5為輸出信號(hào)與當(dāng)光通量的關(guān)系。

圖5 輸出信號(hào)與當(dāng)光通量的關(guān)系

2.3 靈敏度與距離的關(guān)系

光在傳播的過程中會(huì)因?yàn)樘綔y(cè)距離遠(yuǎn)近影響到其探測(cè)性能，光功率反射到探測(cè)器件光敏面上的回波能量換算功率為

式中，τt為發(fā)射光學(xué)機(jī)構(gòu)的透過率;θt為激光束散角;μα為激光能量通過大氣單位長度的衰減系數(shù);R為目標(biāo)距光發(fā)射點(diǎn)處的距離;As為目標(biāo)面積;θ為被照射部分平均表面法線與入射角的夾角。ρ為目標(biāo)漫反射系數(shù);Ar為接收系統(tǒng)的有效接收面積;τr接收機(jī)構(gòu)的透過率。從式中可以看出，目標(biāo)離探測(cè)器越遠(yuǎn)其接收的光信號(hào)能量就越小，探測(cè)靈敏度就越低。并由文獻(xiàn)［9］可知，目標(biāo)與背景在探測(cè)器面上的信噪比與作用距離的平方成反比，隨作用距離的逐漸增大，信噪比下降，與之結(jié)論相符。

2.4 背景噪聲對(duì)探測(cè)性能影響分析

光電探測(cè)器中存在的噪聲主要是傳感器電路的內(nèi)噪聲。主要來源于熱噪聲和散粒噪聲。熱噪聲電壓均方值為

其中，K是波爾茲曼常數(shù)1.38×10－23J/K;Δk為測(cè)量電路的頻帶寬;R為器件的電阻，所以根據(jù)歐姆定律，可以得到噪聲電流的均方值為

在室溫(300 K)下，R取500 Ω，如果轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)為1，通頻帶5 MHz，輸出的熱噪聲電流為

實(shí)際電路的帶寬較窄，熱噪聲更小。散粒噪聲的均方值I2

s為

式中，q是電子電荷，q=1.59×10－19C;Ip為光電流的平均值;Δf為測(cè)量電路的頻帶寬。這里光電流約為10 μA，散粒噪聲電流為

則總的噪聲輸出電流為

故光電轉(zhuǎn)換電路的信噪比(SNR)為

3 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在觸發(fā)裝置光電探測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)，出射光經(jīng)反射的過程中，由于部分光能被物體吸收和散射，反射光的能量很弱，因此光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)也比較弱，無法直接驅(qū)動(dòng)工程控制設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)的目的，得到近似理想信號(hào)，在光信號(hào)經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，則要進(jìn)行必要的信號(hào)放大、整形等信號(hào)處理環(huán)節(jié)。如圖6所示為微弱信號(hào)檢測(cè)放大電路的原理圖。

圖6 檢測(cè)放大電路的原理圖結(jié)構(gòu)

在檢測(cè)系統(tǒng)的觸發(fā)裝置中，主要由目標(biāo)的反射特性來進(jìn)行檢測(cè)與分析，為盡可能多地獲取反射激光的光波信號(hào)，接收系統(tǒng)的接收部分要選擇相對(duì)較大的孔徑的光學(xué)物鏡。往往反射激光比較弱，僅依靠選擇相對(duì)較大孔徑的物鏡不能滿足系統(tǒng)的檢測(cè)要求。所以就需要采用高靈敏度的光電器件，用光電探測(cè)器來接收光波信號(hào)，然而光電檢測(cè)到的回波信號(hào)比較弱，需要對(duì)回波產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行放大處理。由于電路系統(tǒng)自身與外來干擾的存在，不可避免地帶來不利的噪聲信號(hào)，噪聲主要來源兩個(gè)方面:首先，電阻與IC器件的熱噪聲、散粒噪聲，與系統(tǒng)的帶寬、增益和工作溫度相關(guān)?；谶@些噪聲現(xiàn)象具有隨機(jī)過程的特征，根據(jù)其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以通過器件的篩選、系統(tǒng)帶寬和增益的合理配置等措施來控制其影響程度，但不能夠完全消除;其次，集成放大器偏置電流的溫度漂移和電路板上的泄露電流通過公共阻抗引入的干擾噪聲信號(hào)，對(duì)前者可通過低溫度漂移的器件選擇與工作環(huán)境的溫度控制以減小，后者可以通過優(yōu)化SMT工藝設(shè)計(jì)、選取絕緣性能良好的器件以減小線路泄露電流。為此需要對(duì)接收系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的放大與處理。一個(gè)線性度好，穩(wěn)定度高的光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)放大電路，對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)至關(guān)重要，它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度、重復(fù)精度、穩(wěn)定性等指標(biāo)。同時(shí)，系統(tǒng)探測(cè)靈敏度與接收到的微弱信號(hào)分子的數(shù)量有關(guān)，設(shè)計(jì)的接收放大電路如圖7所示。

從圖7中可知電路由3部分組成:(1)接收傳感器輸出電流/電壓轉(zhuǎn)換電路。(2)采用儀表放大電路和T型負(fù)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的放大電路。(3)放大后的信號(hào)的整形電路。

圖7 信號(hào)調(diào)理電路

要實(shí)現(xiàn)后續(xù)電路的控制，就必須對(duì)傳感器輸出的電流進(jìn)行電流/電壓的轉(zhuǎn)換，圖7中集成運(yùn)放A1為電流/電壓的基本轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)接收到光信號(hào)時(shí)，其輸出的電流信號(hào)為Is，為不產(chǎn)生自激振蕩，需要C3這個(gè)去耦電容，u0為輸出的電壓信號(hào)。由于光電傳感器輸出信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后為微弱的電壓信號(hào)，不能直接進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)處理，所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。因?yàn)樵诠怆娞綔y(cè)系統(tǒng)中，光電傳感器所獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào)，并含有大量的共模部分，其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào)，因此要求放大器具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力。所以選擇儀表放大電路和T型放大電路來進(jìn)行信號(hào)的放大處理。圖中集成運(yùn)放A2，A3，A4是組成了儀表放大電路，其中R4=R10，R6=R8，R3=R9，U2=0。可以看出，儀表放大電路的主要結(jié)構(gòu)，有著很好的對(duì)稱性，可以通過改變外接電阻的大小改變放大倍數(shù)，這是微弱信號(hào)檢測(cè)前置放大電路的理想選擇。

從電路圖可得，儀表放大的輸出電壓

圖中集成運(yùn)放A5為T型負(fù)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)微弱信號(hào)的放大電路。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系

由式(8)可見，放大器的增益僅與外部T型電阻網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)電阻比值得到電阻比值精度高、穩(wěn)定性好、閉環(huán)增益精度和穩(wěn)定性也會(huì)提高。

在比較器的整形電路部分，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)，經(jīng)放大后，進(jìn)入電壓比較器，當(dāng)其幅值高于預(yù)定基準(zhǔn)時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。由整形放大器將輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制開關(guān)電信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。物體遮擋的面積越大，接收器接收到的反射光就越多，傳感器獲得的光能就越大，所以物體在反光區(qū)的面積越大，傳感器接收的能量就越大，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一閾值時(shí)，光電探測(cè)器就要檢測(cè)信號(hào)的輸出，那么被測(cè)物體越大越容易被檢測(cè)，反之，越不易檢測(cè)。要提高探測(cè)器的靈敏度，使它能探測(cè)到小物體的存在，就需要降低閾值，設(shè)置合適的閾值可以用來消除虛假的探測(cè)事件。如圖7所示，比較器電路設(shè)計(jì)中A6實(shí)現(xiàn)了光電探測(cè)系統(tǒng)的電平等級(jí)比較功能，為相機(jī)的成像提供了觸發(fā)脈沖。當(dāng)輸入電壓U8大于閾值電壓時(shí)，輸出電壓U9為高電平，相機(jī)就開始采集圖片;當(dāng)輸入電壓U8小于閾值電壓時(shí)，輸出電壓U9為低電平，相機(jī)處于不工作狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

經(jīng)試驗(yàn)得到圖8(a)和圖8(b)在系統(tǒng)的同步時(shí)鐘觸發(fā)機(jī)制采集到的2個(gè)不同的模擬信號(hào)，圖中所示2個(gè)信號(hào)的特征不同，主要是因?yàn)槟繕?biāo)反射特性不同而造成的。所以要選擇合適的閾值電壓來進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖8 檢測(cè)信號(hào)

由于背景噪聲通常是＜300 mV的，為精確地提煉信號(hào)的出發(fā)的前邊緣，選擇略大于背景噪聲的門限電壓值，如圖中V'和V″所示，如果兩個(gè)值一樣當(dāng)模擬信號(hào)不一致時(shí)，出發(fā)位置也不一樣，圖8(a)和圖8(b)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)時(shí)間值分別為t1和t2。對(duì)V'和V″的閾值來說，如果選擇的閾值過大，而模擬信號(hào)的邊緣變化比較緩慢，將會(huì)影響t1和t2之間的差值，引起時(shí)延誤差，不利于探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量，為此在本系統(tǒng)中要嚴(yán)格地選擇轉(zhuǎn)換觸發(fā)閾值V'和V″才能確保在線系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)制的同步性，在本電路中背景噪聲為100 mV，所以選擇根據(jù)模擬信號(hào)選擇略大100 mV的閾值電壓，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓。由于模擬信號(hào)的不一致性，輸出的脈寬也不一定，如圖8(c)中的脈寬為Δt1=t3－，圖8(d)中的脈寬為Δt1=t3－，不影響同步時(shí)間的由時(shí)間的上升沿確定。由圖中的凹陷處及輸出的脈沖寬度不同可知，在工件檢測(cè)過程中，會(huì)受工件本身因素、電路不穩(wěn)定、密封件大小、速度不同的影響。并且圖8(a)，圖8(b)的幅值都是隨工件在探測(cè)區(qū)域中的面積而改變的。從輸出波形可得其輸出的脈寬不相同，脈寬的寬度取決于物體的速度和大小，當(dāng)速度一定時(shí)，則取決于工件的大小。但當(dāng)工件較小或速度較快時(shí)，輸出脈寬會(huì)太窄，則不能滿足相機(jī)的觸發(fā)，所以要對(duì)信號(hào)進(jìn)行展寬。

5 結(jié)束語

根據(jù)在線檢測(cè)的光電觸發(fā)裝置的工作原理及電路的設(shè)計(jì)與分析方法，分析了滿足具體要求的光學(xué)電路與信號(hào)放大處理結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)方案滿足在線檢測(cè)機(jī)構(gòu)的同步觸發(fā)要求，為工件檢測(cè)的同步觸發(fā)需求提供了保證，并且具有時(shí)間誤差小的特點(diǎn)。

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