High-precision displacement measurement method based on laser modulation
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摘要: 激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用，其核心器件是位置敏感探测器，环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素。针对以上问题，提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法。将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出，优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统，通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等，对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析，并对比了位移测量的稳定性。实验结果表明:其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm，验证了基于激光调制方法的有效性，可以通过滤波更加有效地消除噪声，测量精度提高至3 μm以内。Abstract: The displacement measurement system based on laser collimation technology has been used in many fields. The core device of measurement system is the position sensitive detector. Such as stray light, power fluctuation and noise of photoelectric signal processing circuit, these factors can affect the measurement accuracy. To solve these problems, a high-precision displacement measurement method based on laser modulation was presented. Laser was operated in a modulation mode, instead of continuous laser mode. A photoelectric signal processing circuit was designed and optimized, and a program based on Labview was designed to implement the functions such as spectrum analysis, bandpass filtering and mean processing. Through the experiments and analysis, the measurement stability of two methods was compared. The experimental results show that the fluctuation of measurement results decreases from 7 μm to 2.6 μm, The effectiveness of laser modulation was verified, which can reduce the noise effectively by filtering and improve the measurement accuracy within 3 μm.
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引言
位移测量作为最基本的参量测量，被众多应用领域所需求。基于激光准直技术的测量方法，由于其具有非接触、快速、准确等优点，被越来越多地采用。在实现位移测量的光电检测系统[1-4]中，作为核心器件的位置敏感探测器[5-6]，是一种基于光生伏特效应的光电传感器，其输出的是多路很微弱的光电流信号，通过对其进行采集并计算后，可确定出光斑中心在探测器感光面上的位置坐标。微弱光电信号的采集与处理[7-8]是高精度光电检测应用中的一个关键问题。目前大多数此类光电检测系统采用直流驱动的连续激光，优点是系统结构简单，但容易受到例如环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等因素的影响[9-12]，导致测量精度较低。本文采用交流驱动对激光调制[13-15]，以四象限探测器(QD)作为位置敏感探测器，优化设计了微弱光电信号调理与采集电路，通过编写Labview软件对信号进行带通滤波、均值处理等，更加有效地消除了噪声，提高了测量精度。
1 测量原理与系统
基于激光准直技术的位移测量原理如图 1所示。准直激光束入射到作为位移测量敏感单元的角锥棱镜(RR)上，当RR发生垂直于光束方向的位移时，由RR返回的光束在四象限探测器(QD)上的光斑位置将发生相应的变化，通过对QD输出信号进行处理即可获得待测位移信息。
如图 2所示，QD相当于4个性能参数相同的光电二极管组合在一起。当有光斑照射在QD感光面时，对应于四象限的4个光电二极管输出的是微弱光电流IA，IB，IC，ID，为了便于检测，一般需要对其放大并转换为电压UA，UB，UC，UD，则光斑中心相对于QD感光面中心的位置坐标可分别表示为ΔX和ΔY：
$$ \Delta X = \frac{{\left( {{U_A} + {U_B}} \right) - \left( {{U_C} + {U_D}} \right)}}{{{U_A} + {U_B} + {U_C} + {U_D}}} $$ (1) $$ \Delta Y = \frac{{\left( {{U_A} + {U_D}} \right) - \left( {{U_B} + {U_C}} \right)}}{{{U_A} + {U_B} + {U_C} + {U_D}}} $$ (2) 目前，大多数基于激光准直技术的光电检测系统采用的是连续激光作为光源，经RR返回的激光束入射到QD感光面，QD输出微弱光电流信号，经前置放大电路输出为放大的电压信号，然后通过数据采集卡等AD模块转换为数字信号，输入到上位机进行数据的分析处理和运算。本文所提方法采用调制激光作为光源，后续采用带通滤波进行信号处理，以实现提高信噪比，提高测量精度的目的。为了对本方法与传统方法进行比较，设计了如图 3和图 4所示2个方案，以验证本方法的有效性。
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图 3 激光连续输出模式的信号采集与处理系统Figure 3. Acquisition and processing system of laser continuous output mode![]()
图 4 激光调制模式的信号采集与处理系统Figure 4. Acquisition and processing system of laser modulation mode以上2种方案的上位机软件均基于Labview软件平台，位移计算前的信号数据处理分别采用均值处理和带通滤波。
2 实验与分析
基于以上2种方案，在实验室条件下，进行了相应的检测实验。实验中，QD探测器选用的是美国OSI公司的SPOT 9DMI型号，激光器选择的是635 nm的单模耦合半导体激光器，其输出模式为连续/调制可选。除了激光器输出模式不同，以及上位机Labview中数据处理方法不同以外，2个实验中其他部分完全相同。
由于实验的主要目的是比较2种方案中的信噪比，因此位移测量标定实验不再赘述，在完成标定的基础上直接对2种方案进行稳定性测试。
2.1 标定实验
测量光束光斑的位置变化是由四象限位置探测器QD测得的，其精度直接影响整个检测系统最终的测量精度。采用LG-60型光栅测长仪对四象限位置探测器QD进行标定，因为系统只针对棱镜塔差进行测量，因此只进行了Y轴方向的标定，后续实验均如此。LG-60型光栅测长仪在60 mm量程范围内的位移测量分辨率为0.05 μm，精度为±0.1 μm，标定结果如图 5所示。在±200 μm标定范围内，线性度大于99.9%，四象限位置探测器QD位移测量分辨率约为0.11 μm。
2.2 连续激光方案测试实验
根据图 1及图 3所示方案，在实验室条件下，设置激光为连续输出模式，开机预热10 min，调整激光束使光斑位于QD感光面中心，既Labview软件显示光斑初始位置坐标在零点附近。然后进行稳定性测试实验，每秒采集80次，共采集30 min，并进行了均值处理(每40组数取平均)。实验结果如图 6和图 7所示，X轴方向上的数值波动范围在-15.5 μm~ -21.5 μm，最大偏差小于6 μm，Y轴方向上的数值波动范围在-55.5 μm~-62.5 μm，最大偏差小于7 μm。
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图 6 连续激光条件下的X轴方向稳定性Figure 6. X-axis direction stability with continuous laser condition![]()
图 7 连续激光条件下的Y轴方向稳定性Figure 7. Y-axis direction stability with continuous laser condition2.3 激光调制方案测试实验
根据图 1和图 4所示方案，在实验室条件下，设置激光为调制模式，设置调制频率为240 Hz，开机预热10 min，调整激光束使光斑位于QD感光面中心。然后进行稳定性测试实验，信号采样速率为24 kHz，共采集30 min。
对采集数据进行滤波前后的频谱分析，其中带通滤波参数设置为：低截止频率fL为239 Hz，高截止频率fH为241 Hz。滤波前、后的功率谱如图 8和图 9所示。可以发现，滤波前信号成分分布在0~750 Hz之间，以220 Hz以内的低频成分为主，滤波后信号成分主要集中在频率240 Hz附近。
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图 8 激光调制条件下滤波前光电信号的功率谱Figure 8. Power spectrum of photoelectric signal with laser modulation before filtering![]()
图 9 激光调制条件下滤波后光电信号的功率谱Figure 9. Power spectrum of photoelectric signal with laser modulation after filtering滤波后的位移测量稳定性实验结果如图 10和图 11所示，X轴方向上的数值波动范围在-8.1 μm~ -10.7 μm，最大偏差小于2.6 μm，Y轴方向上的数值波动范围在-28.2 μm~-29.7 μm，最大偏差小于1.5 μm。
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图 10 激光调制条件下滤波后X轴方向稳定性Figure 10. X-axis direction stability with laser modulation condition after filtering![]()
图 11 激光调制条件下滤波后Y轴方向稳定性Figure 11. Y-axis direction stability after filtering with laser modulation condition after filtering滤波后再次做均值处理(每40组数取平均)，稳定性实验结果如图 12和图 13所示。X轴方向上的数值波动范围在-8.2 μm ~ -10.7 μm，最大偏差小于2.5 μm；Y轴方向上的数值波动范围在-28.4 μm ~-29.5 μm，最大偏差小于1.1 μm。
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图 12 激光调制条件下滤波后均值X轴方向稳定性Figure 12. X-axis direction stability with laser modulation condition after filtering and mean![]()
图 13 激光调制条件下滤波后均值Y轴方向稳定性Figure 13. Y-axis direction stability with laser modulation conditions after filtering and mean2.4 实验结果分析
通过对以上实验结果进行分析，可以得出以下2点结论：
1) 连续激光结合均值处理的方法，其稳定性实验给出的波动值小于7 μm，激光调制结合带通滤波的方法，其稳定性实验给出的波动值小于2.6 μm，显然激光调制的方案可以获得更高的信噪比；
2) 通过滤波后均值处理实验结果可以看出，均值处理可以起到进一步减小波动值的作用，但是，对比均值处理前后的测量值波动曲线可以看出，过度的均值处理会导致真实待测信号失真。
综上所述，可以说明激光调制方案可以提高信噪比，减小有用信号失真，从而提高位移测量的精度。
3 结论
本文针对激光位移检测应用中环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等因素影响测量精度的问题，提出了一种基于激光调制的高精度位移测量方法。采用激光调制与带通滤波结合的方案，优化设计了光电探测器微弱光电信号调制与采集系统，基于Labview软件平台编写了相应的均值处理和带通滤波程序，通过实验验证了测量系统稳定性大幅度增强，信噪比提高1倍，有效地提高了系统测量精度。
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图 3 激光连续输出模式的信号采集与处理系统
Figure 3. Acquisition and processing system of laser continuous output mode
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图 4 激光调制模式的信号采集与处理系统
Figure 4. Acquisition and processing system of laser modulation mode
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图 6 连续激光条件下的X轴方向稳定性
Figure 6. X-axis direction stability with continuous laser condition
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图 7 连续激光条件下的Y轴方向稳定性
Figure 7. Y-axis direction stability with continuous laser condition
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图 8 激光调制条件下滤波前光电信号的功率谱
Figure 8. Power spectrum of photoelectric signal with laser modulation before filtering
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图 9 激光调制条件下滤波后光电信号的功率谱
Figure 9. Power spectrum of photoelectric signal with laser modulation after filtering
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图 10 激光调制条件下滤波后X轴方向稳定性
Figure 10. X-axis direction stability with laser modulation condition after filtering
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图 11 激光调制条件下滤波后Y轴方向稳定性
Figure 11. Y-axis direction stability after filtering with laser modulation condition after filtering
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图 12 激光调制条件下滤波后均值X轴方向稳定性
Figure 12. X-axis direction stability with laser modulation condition after filtering and mean
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