高级检索

ISSN1001-3806CN51-1125/TN 网站地图

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于相敏检波和位置探测器的位移检测系统

黄沛 陈博 李岩

引用本文:
Citation:

基于相敏检波和位置探测器的位移检测系统

    作者简介: 黄沛(1989-), 男, 博士研究生, 现主要从事精密计量与测试的研究.
    通讯作者: 李岩, liyan@mail.tsingLua.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重大科技专项课题资助项目 2012ZX04003071

  • 中图分类号: TN247;TL814

Displacement measurement system based on phase-sensitive detection and position sensitive detector

    Corresponding author: LI Yan, liyan@mail.tsingLua.edu.cn
  • CLC number: TN247;TL814

  • 摘要: 为了实现对微小位移的测量,研制了一套基于单模光纤输出半导体激光器和2维位置敏感探测器的位移检测系统,可以有效地抑制环境光噪声。对半导体激光器的注入电流进行1kHz的调制,实现输出光功率的调制。在信号处理电路中,采用相敏检波技术,解调探测器的输出交流信号,得出光斑能量中心位置,消除外界干扰。结果表明,测量精度优于1μm。这一结果对于多自由度误差检测是有帮助的。
  • Figure 1.  Principle diagram of 2-D PSD

    Figure 2.  Driving circuit diagram of semiconductor laser

    Figure 3.  Schematic circuit diagram of slow start power

    Figure 4.  Schematic circuit diagram of bias current

    Figure 5.  Schematic circuit diagram of alternating current modulation

    Figure 6.  Principle diagram of signal processing

    Figure 7.  Schematic circuit diagram of phase-sensitive detection

    Figure 8.  Principle diagram of phase sensitive detection

    Figure 9.  Relationship between displacement and time

    a—x direction  b—y direction

    Figure 10.  Effect of background lights on measurement result

  • [1]

    DUAN J, SUN X, CAI J H, et al. Applications research to PSD in the laser displacement detecting system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(s1):281-284(in Chinese). 
    [2]

    LIU J Y, YANG J Q, DONG D F. Application and research of laser tracker's optoelectronic aiming technology based on PSD[J]. Instrument Technique and Sensor, 2015(7):98-100(in Chinese). 
    [3]

    YU L, WANG F M. One dimension PSD and applications to precision measurement[J]. Modern Electronics Technique, 2007, 30(7):143-144(in Chinese). 
    [4]

    YANG S L, SU Y B, HE J T, et al. Study of measurement accuracy of position sensitive detectors[J]. Laser Technology, 2014, 38(6):830-834(in Chinese). 
    [5]

    SONG D Y, LIU T G, DING X K, et al. Precise PSD micro-displacement online measurement system[J]. Journal of Tianjin University, 2013, 46(2):168-173(in Chinese). 
    [6]

    CHEN J H, ZHANG J M, LÜ Y P. Design of position detector for alignment laser line based on the PSD[J]. Measurement & Control Technology, 2012, 31(10):8-11(in Chinese). 
    [7]

    LIU C Q, SONG Q, SUN Z W, et al. A new PSD-based method for measuring four-degree-of-freedom of long linear guide rails[J]. Optical Instruments, 2013, 35(6):26-30(in Chinese). 
    [8]

    YUAN H X, LÜ A M, HE A Zh. Position error analysis of PSD irradiated under steady background light[J]. Journal of Transducer Technology, 1998, 17(5):33-36(in Chinese). 
    [9]

    LÜ A M, YUAN H X, HE A Zh. Experimental study of the effect of light source on position precision of PSD[J]. Laser Technology, 2000, 24(3):192-194(in Chinese). 
    [10]

    FAN Z G, ZHANG F S, ZUO B J, et al. Effect of noise ray on properties of position sensitive detector[J]. Laser Technology, 2004, 28(4):442-444(in Chinese). 
    [11]

    WANG G Zh, DING H S, DING H. Light disturbance to position sensitive detectors-pattern and methods to overcome it[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology Edition), 1997, 37(1):61-64(in Chinese). 
    [12]

    LI L, MU X Y. A novel method to eliminate the disturbance of background light for PSD[J]. Transducer and Microsystem Techno-logies, 2006, 25(9):15-19(in Chinese). 
    [13]

    MO Ch T, CHEN C Z, ZHANG L L, et al. Study on background light compensation of photo-electric position sensitive detector[J]. Chinese Journal of Lasers, 2004, 31(4):427-431(in Chinese). 
    [14]

    LI J L, LAN X Y, CHEN H Y, et al. Design of current supply for high power laser diode[J]. Laser & Infrared, 2014, 44(3):309-312(in Chinese). 
    [15]

    LIBBRECHT K G, HALL J L. A low-noise high-speed diode laser current controller[J]. Review of Scientific Instruments, 1993, 64(8):2133-2135. doi: 10.1063/1.1143949
    [16]

    ERICKSON C J, ZIJLL M V, DOERMANN G, et al. An ultrahigh stability, low-noise laser current driver with digital control[J]. Review of Scientific Instruments, 2008, 79(7):073107. doi: 10.1063/1.2953597
  • [1] 蒋晓东于纪言朱立坤 . 基于位置敏感探测器的组合导航技术研究. 激光技术, 2019, 43(3): 335-340. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.03.009
    [2] 刘子英张靖邓芳明 . 基于位置敏感探测器的轨距在线监测系统研究. 激光技术, 2020, 44(2): 183-189. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2020.02.008
    [3] 赵铭军周彬胡永钊曾晓东 . 数字正交检波技术在主动探测中的应用研究. 激光技术, 2006, 30(2): 212-214,224.
    [4] 张秋慧王平秋韩宗强 . 激光聚焦位置对金纳米颗粒光致超声信号的影响. 激光技术, 2019, 43(3): 417-420. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2019.03.024
    [5] 林伟豪高致慧杨勇黄必昌贺威 . 基于激光光谱差分法检测NO2. 激光技术, 2014, 38(6): 835-838. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.06.024
    [6] 杨勇高致慧曹志杨锦辉林怀钦陈子聪 . 基于激光NO2气体检测研究. 激光技术, 2012, 36(2): 198-199,207. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2012.02.013
    [7] 韦俊尤胡晓冬姚建华 . 激光熔覆沸腾式送粉器气固两相流数值模拟研究. 激光技术, 2012, 36(6): 719-723. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2012.06.002
    [8] 郭红王新兵左都罗陈宝锭 . 基于可调谐CO2激光器的SF6差分光声检测研究. 激光技术, 2018, 42(5): 593-598. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.05.003
    [9] 雷剑波杨洗陈陈娟王云山 . CO2激光熔凝中熔池冷却过程检测研究. 激光技术, 2008, 32(2): 191-193.
    [10] 潘艺升闫召爱郭文杰徐轻尘胡雄 . 脉冲激光器种子注入状态检测装置与实验研究. 激光技术, 2016, 40(2): 153-156. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2016.02.001
    [11] 王春明胡伦骥胡席远 . 激光焊接过程多传感器在线检测系统的设计. 激光技术, 2007, 31(5): 503-506.
    [12] 李策赵培娥彭涛冯力天周杰罗雄周鼎富 . 3维激光测风雷达技术研究. 激光技术, 2017, 41(5): 703-707. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.05.017
    [13] 黄河朱晓朱长虹朱广志李跃松张沛万承华 . 激光化学气相沉积技术在掩模版修复中的应用. 激光技术, 2007, 31(3): 330-332.
    [14] 尹国福鲁建存刘彦义贺爱峰曹椿强 . 激光起爆系统光路完整性检测技术研究. 激光技术, 2011, 35(4): 554-558. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2011.04.028
    [15] 董吉辉胡企铨 . 空间碎片的激光雷达探测. 激光技术, 2007, 31(2): 185-187,191.
    [16] 田国周欧群飞钟鸣叶大华吕百达 . 2kJ高能量钕玻璃激光器的热管理技术分析. 激光技术, 2007, 31(3): 253-256.
    [17] 梁巍巍黄振宇张文攀殷瑞光刘艳芳 . 激光导引头四象限探测器偏差信号特性研究. 激光技术, 2014, 38(4): 569-573. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.04.027
    [18] 张宇赵远吴晓敏陈钟贤孙秀冬 . 多光谱探测与激光多光谱探测技术的进展. 激光技术, 2007, 31(2): 188-191.
    [19] 叶昌庚闫平欧攀巩马理 . 基于CO2激光的双包层光纤端帽熔接实验研究. 激光技术, 2007, 31(5): 456-458.
    [20] 刘兵陶炜柯尊贵冯力天袁菲李晓峰 . 相干激光雷达平衡式相干探测技术研究. 激光技术, 2015, 39(1): 46-49. doi: 10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.01.009
  • 加载中
图(10)
计量
  • 文章访问数:  3620
  • HTML全文浏览量:  1846
  • PDF下载量:  327
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-25
  • 录用日期:  2016-05-26
  • 刊出日期:  2017-03-25

基于相敏检波和位置探测器的位移检测系统

    通讯作者: 李岩, liyan@mail.tsingLua.edu.cn
    作者简介: 黄沛(1989-), 男, 博士研究生, 现主要从事精密计量与测试的研究
  • 1. 清华大学 精密仪器系, 北京 100084
  • 2. 北京理工大学 附属中学, 北京 100081
基金项目:  国家重大科技专项课题资助项目 2012ZX04003071

摘要: 为了实现对微小位移的测量,研制了一套基于单模光纤输出半导体激光器和2维位置敏感探测器的位移检测系统,可以有效地抑制环境光噪声。对半导体激光器的注入电流进行1kHz的调制,实现输出光功率的调制。在信号处理电路中,采用相敏检波技术,解调探测器的输出交流信号,得出光斑能量中心位置,消除外界干扰。结果表明,测量精度优于1μm。这一结果对于多自由度误差检测是有帮助的。

English Abstract

    • 2维位置敏感探测器(position sensitive detector, PSD)是一种新型的半导体位置信息连续输出探测器,目前被广泛用来探测位置的变化和微小角度变化[1-4]。首先其对待测光斑的形状没有要求;其次,PSD具有光敏面无分割,能够进行连续测量,有响应速度快、中心区域线性度好的优点;同时,PSD具有电路设计简单、分辨率高、响应速度快的特点, 在位移检测系统[5]、长导轨直线度测量方向[6-7]得到广泛的应用。在实际使用中,PSD的光敏面极有可能会曝露在光照环境中,因此与其它光电检测方法一样,PSD工作时会受到除了准直光源以外的环境光干扰[8-10],影响测量的精度和可靠性。为此,如何克服杂光作用的干扰是很多研究者关心的问题。分析了杂光在PSD上的作用模式,研究了杂光下的输出信号与杂光的非线性关系,推导出存在杂光干扰时PSD输出信号与杂光的关系以及位置误差方程。WANG[11]等人给出了光学滤波、测量本底噪声以及锁相的实用方法。LI[12]等人提出采用比例-积分-微分(proportion-integral-differential, PID)控制激光二极管的驱动电源来消除PSD背景光的补偿方法。MO[13]等人采用神经网络实现了PSD背景光的非线性补偿。

      本文中研制出一种基于相敏检波技术,采用调制的半导体激光器和2维PSD研制了一套位移检测系统。该系统通过调制半导体激光器的注入电流实现对输出光功率的调制,利用相敏检波技术只对驱动频率的信号进行解调,从而得到光斑位置变化值。采取调制解调的方法可以提高信噪比和抗干扰能力并且有效地消除背景光的干扰。

    • 目前用来探测光斑位置的光电探测器有3种[14]:电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)、四象限探测器(quadrant detector, QD)和2维PSD。QD线性度一般,而且存在死区,对光斑能量分布要求高。CCD线性度好,对光斑的要求也比较低,但是响应时间却在毫秒量级,对于需要快速反应的场合应用存在一定的限制。PSD可探测光斑能量中心的位置,因此对于光斑的形状和能量分布均没有太高的要求;PSD的光敏面无分割,能够进行连续测量,中心区域线性度好;与CCD相比,其响应速度快,响应时间是在微秒量级。图 1为2维PSD探测原理图,2维PSD有4个电流输出管脚。光束入射到PSD的光敏面时,PSD产生与入射光功率成比例的光生电荷,并形成电流流向PSD的管脚。

      Figure 1.  Principle diagram of 2-D PSD

      光斑能量中心在PSD上的位置XY表示为:

      $ \left\{ \begin{array}{l} \frac{{2X}}{{{L_X}}}\frac{{\left( {A + C} \right)-\left( {B + D} \right)}}{{A + B + C + D}}\\ \frac{{2Y}}{{{L_Y}}} = \frac{{\left( {A + B} \right)-\left( {C + D} \right)}}{{A + B + C + D}} \end{array} \right. $

      (1)

      式中,A, B, CD是PSD 4个管脚的输出电流,LXLY是光敏面的长度。为了使用方便,一般采用可见光作为目标光源,2维PSD的光谱响应范围最好覆盖可见光波段。除此之外,光敏面积以及测量分辨率,分别对应于测量的量程与分辨率,是2维PSD选择的重要原则。当目标激光器与2维PSD相距较远时,激光器输出的光斑需要进行扩束,减小发散角,因此光敏面积势必要大于光斑大小。本文中设计的位移检测系统,期望能达到毫米量级量程以及微米量级的测量分辨率,因此选用日本滨松公司的S1880型2维位置敏感探测器。其具有12mm×12mm光敏面积,光斑位置分辨率达到1.5μm,光谱响应范围在320nm~1060nm之间,是一款合适的位置灵敏探测器。

    • 目前PSD的目标光源大多是半导体激光器或氦氖激光器,这些激光器大多使用的是恒定功率。所以在测量过程易受到杂散光或者背景光的干扰。本文中使用光纤输出的半导体激光器作为光源。半导体激光器具有体积小、功耗低、价格低廉、易于调制等优点。通过调制注入电流实现对输出光功率的调制。在激光器的阈值电流Ith以上,理论上输出功率与驱动电流呈线性关系。采用具有一定直流偏置的交流信号来驱动激光器,控制偏置电流以及交流调制深度,使得PSD工作在线性区。这样,PSD的A, B, C, D 4个管脚的输出均是交流电流信号。在信号处理电路中,采用相敏检波技术只对驱动频率的信号进行解调,得出光斑位置,可消除背景光干扰,从而提高信噪比和抗干扰能力。

      半导体激光器的P-N结易于损坏,静电、驱动电流大于阈值电流、瞬态尖峰电压都可能会导致激光器寿命减短甚至永久损坏[15-16]。因此,需要特殊设计半导体激光器的驱动电流源。驱动电路包括三部分,分别为缓启动,偏置电流以及交流调制,如图 2所示。

      Figure 2.  Driving circuit diagram of semiconductor laser

    • 图 3是电源缓启动电路原理图。其核心器件是可调三端稳压器LM317,输出电压可通过调整电阻R4改变。缓启动时间由电阻R3和电容C2组成的充放电电路决定。接通电源后,由于电容C2充电,三端稳压器两端的电压缓慢上升。相反,当断开电源时,电容C2放电,稳压器的输出电压缓慢下降。接通电源后通过半导体激光器的电流缓慢增加到设定值,断开电源时输出电压缓慢下降。

      Figure 3.  Schematic circuit diagram of slow start power

    • 为使半导体激光器正常工作,要为激光二极管提供大于阈值电流的偏置电流I0图 4是偏置电流产生原理图。精密电压芯片LM336产生的基准电压经分压后为U0。根据运算放大器的性质,流过三极管Q2发射级和集电极的电流为U0/R10。因此,只要U0/R10恒定,流过半导体激光器的电流恒定。注入电流的稳定性直接影响激光器的输出,使用低温漂电阻R10以保证偏置电流的稳定性。

      Figure 4.  Schematic circuit diagram of bias current

    • 图 5是调制电流产生电路原理图。图中所有电阻的阻值为R。输入端为交流电压Um,则调制电流为Im=Um/R。交流调制电路的输出端接到三极管的集电极。流过激光器的电流为直流偏置电流与调制电流之差I0-Im。输入电压Um使用有源晶振进行分频后得到,调制信号电压的频率为1kHz,远离背景光的频率,且作为后期解调电路的参考信号。同时需要注意的是,调制电流的大小不能超过激光器所能承受的最大电流。

      Figure 5.  Schematic circuit diagram of alternating current modulation

    • 探测器PSD的输出不仅包括激光器产生的光电转换电流,还包括背景光的噪声电流以及PSD的暗电流。经放大后,输出电压包含交流信号电压和噪声电压。所以通过解调手段将交流信号从噪声电压中提取出来,从而提高信噪比以及测量系统的抗干扰能力。PSD信号处理电路中采用相敏检波技术解调信号。图 6是信号处理框图,包括I-V转换、二级放大、相敏检波以及坐标计算。

      Figure 6.  Principle diagram of signal processing

      其中电流转换电压电路和电压二级放大电路采用经典的运放电路就可以实现。但是需要通过一个基准电流,调整二级放大电路的放大倍数,使电路对PSD的4路输出电流放大倍数必须相等。相敏检波电路则是解调信号的核心电路,其电路框图如图 7所示。

      Figure 7.  Schematic circuit diagram of phase-sensitive detection

      S1S2为参考信号,控制模拟开关CD4066的开关,参考信号由半导体激光器调制电路提供。当参考信号是高电平时,模拟保持开关导通状态;当参考信号是低电平时,模拟开关保持截止状态。低通滤波提取输出电压U1的直流分量。相敏检波原理如图 8所示。当参考信号变为高电平时,输入电压U0通过模拟开关,模拟开关输出电压U1U0;参考信号变为低电平时,输入电压U0经反转后输出,模拟开关输出电压U1是-U0。参考信号和输入信号同向时,低通滤波后的电压U2正比于U0的幅值;当参考信号和输入信号相位差为90°,经低通滤波后电压U2=0V;当参考信号和输入信号相位差为180°,经低通滤波后电压U2正比于-U0的幅值。干扰信号经过检波电路后的输出电压关于横坐标轴对称,经低通滤波后的电压为0V。因此,通过相敏检波可有效减小背景光对测量的影响。

      Figure 8.  Principle diagram of phase sensitive detection

    • PSD 4路输出电流为A, B, C, D。根据PSD探测原理,需通过加减法运算以及除法电路计算光斑能量中心坐标。通过常规的加法和减法电路得到用于除法运算的分子(A+C)-(B+D), (A+B)-(C+D)和分母(A+B+C+D)。用模拟除法器AD538来完成位置探测方程中的实时除法运算,可消除测量靶镜在移动中光强衰减及激光器功率波动造成的误差。除法器电路在使用前需要经过调零和调整放大倍数。输出电压值通过A/D,采集成数字信号,换算成光斑能量中心在PSD上的位置。

      将PSD固定于精密六轴位移台(PI,P-562.6CD)上,其位移的闭环分辨率达到1nm,量程为200μm,线性误差为0.01%。足以满足本系统的标定和对比试验。半导体激光器的出射端固定,出射光经准直后被PSD接收。控制位移台以1μm的步进量分别在x方向和y方向进行移动并记录PSD的输出。图 9为测试结果,图 9ax方向的分辨率测试结果,图 9by方向的分辨率测试结果。由图可知,PSD能够清晰地分辨出1μm的位移,每层台阶的峰峰值小于1μm。

      Figure 9.  Relationship between displacement and time

      进一步验证系统的抗背景光干扰的特性,将激光器以及PSD固定不动,连续采集PSD的输出坐标值。一开始是在无背景光照射情况下测量,在持续了90s后,使用灯光照射在PSD的光敏面。这一过程的采集数据如图 10所示。由图可以看出, 90s前后没有明显的噪声变化,说明背景光并不影响测量结果。

      Figure 10.  Effect of background lights on measurement result

    • 基于相敏检波技术,本文中研制了一套位移检测系统。采用光纤半导体激光器作为目标光源,设计了带调制的驱动电路。PSD信号处理电路中采用相敏检波技术解调信号。通过对PSD的4路输出信号进行I-V转换、二级放大、相敏检波以及坐标计算的过程得到光斑能量中心的位置。实验结果表明,所设计的系统可以应用到微小位移的测量,同时背景光的照射对位移测量不会造成影响。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回