一種光電觸發系統的研究

吳 莎，雷志勇

(西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安 710032)

自動檢測裝置在工業、航空航天、軍事、生物醫學、機器人控制、導彈制導以及核動力等高新技術領域中被廣泛應用。例如運動目標的實時捕獲，但對在線系統的觸發信號如不能達到相機的觸發脈寬，就不能對運動目標進行實時捕獲，或者觸發系統的時延過長就會給工業測量帶來很大誤差。為有效地減小觸發系統的時延誤差、滿足對相機的觸發功能，研究同步觸發裝置有著重要工程的意義。文中結合在線實時檢測的要求，從系統的工作原理分析了觸發系統的出射光路系統與反射光路系統的特性，建立了信號處理電路。

1 密封件觸發探測系統工作原理

在線自動檢測裝置由相機觸發裝置等處理軟件所組成，如圖1所示。使觸發裝置能夠保證整個系統工作在良好狀態下。在整個檢測系統中，由于觸發的同步時延過長會給測量參數的計算帶來一定的誤差，為嚴格控制工件與相機成像的同步性，需要對觸發裝置進行研究。

圖1 視覺測量系統的構成

通常來說，觸發裝置系統由激勵光源、出射物鏡、接收物鏡、光電接收探測器、調理電路及信號處理等6部分來完成。觸發裝置系統的基本結構如框圖1所示。

圖2 觸發裝置系統原理框圖

光電探測系統就是以光波作為信息和能量的載體而實現傳感、傳輸、檢測等功能的測量系統。首先選用一定波長范圍的激勵光源，因此發射出一定的波長和功率的光信號，在經過出射物鏡，利用被檢物體對光的遮擋或反射，物鏡將進行反射光線匯聚到光學探測機構對光信號進行探測，再對經光學濾波到微弱反信號光電轉換后的微弱電信號進行放大、濾波、整形等處理。通過整形電路得到一個脈沖信號控制后續電路的觸發。

2 觸發系統的光電探測性分析

光電探測系統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，選用單色光源作為出射激勵器件的來源;為消除外界干擾，便于光路調節，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，光電探測器型號的選擇在在線檢測中起著重要作用。結合在線系統的測量要求，文中采用出射激光波長為650 nm的可見光和同波長的J8M－D1NK接收光電探測器件。

2.1 出射和反射光學光路分析

要實現系統的實時觸發功能，就要對系統的光學部分進行相應的光學系統設計，系統利用密封件對光的遮擋吸收和光線的直線傳播原理，來提高探測系統的靈敏度。入射光路系統，光通過孔徑越大，收集反射光越強;光透孔徑越小，收集反射光越弱，將得到更小的反射信號。對于出射光路系統，其激勵光源為點光源，點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。在反射光路系統中，文中為測量密封件的存在，由于受到密封件本身材質的影響出射的光線都被密封件所吸收，所以采用了擋光板，進行光信號的反射，反射光經過光學物鏡將光束聚焦為探測器點元的大小，為更好地檢測反射光信號，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計總的光學系統，提高探測器的靈敏度，就要保證接收部分能夠接收到足夠多的反射光能，應用光學透鏡匯聚光能的特性，當檢測目標處于出射光區和反射光區的公共區域時，即運動目標處于有效探測區時才能更好地檢測運動目標。

2.2 遮擋面積對探測性能的影響

在檢測系統中，光通量的變化量是通過密封件經過時的遮光面積變化而改變的，如圖4所示。當密封件的長度m＞a時，密封件經過探測區域遮擋面積可表示為

圖4 密封件在探測區域中對光通量的影響

根據光電探測系統的工作原理，為提高光電探測的靈敏度，從文獻［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，總之當密封件經過探測區域時，擋光面積變化是又與光通量變化密切相關，經過的面積越大則擋光面積就越大，擋光通量也越大，那么光電轉換后直流電平就越高，相應地運動物體產生的模擬信號幅值也越高，探測靈敏度就會提高。

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換因子。

光電探測系統一定的情況下其內阻假設為一定值R，所以輸出電壓Us=IsR。圖5為輸出信號與當光通量的關系。

圖5 輸出信號與當光通量的關系

2.3 靈敏度與距離的關系

光在傳播的過程中會因為探測距離遠近影響到其探測性能，光功率反射到探測器件光敏面上的回波能量換算功率為

式中，τt為發射光學機構的透過率;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;R為目標距光發射點處的距離;As為目標面積;θ為被照射部分平均表面法線與入射角的夾角。ρ為目標漫反射系數;Ar為接收系統的有效接收面積;τr接收機構的透過率。從式中可以看出，目標離探測器越遠其接收的光信號能量就越小，探測靈敏度就越低。并由文獻［9］可知，目標與背景在探測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，與之結論相符。

2.4 背景噪聲對探測性能影響分析

光電探測器中存在的噪聲主要是傳感器電路的內噪聲。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1.38×10－23J/K;Δk為測量電路的頻帶寬;R為器件的電阻，所以根據歐姆定律，可以得到噪聲電流的均方值為

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

實際電路的帶寬較窄，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

故光電轉換電路的信噪比(SNR)為

3 信號檢測電路設計

在觸發裝置光電探測的光學系統，出射光經反射的過程中，由于部分光能被物體吸收和散射，反射光的能量很弱，因此光電轉換后的信號也比較弱，無法直接驅動工程控制設備，要實現各種檢測的目的，得到近似理想信號，在光信號經過光電探測器轉換成電信號后，則要進行必要的信號放大、整形等信號處理環節。如圖6所示為微弱信號檢測放大電路的原理圖。

圖6 檢測放大電路的原理圖結構

在檢測系統的觸發裝置中，主要由目標的反射特性來進行檢測與分析，為盡可能多地獲取反射激光的光波信號，接收系統的接收部分要選擇相對較大的孔徑的光學物鏡。往往反射激光比較弱，僅依靠選擇相對較大孔徑的物鏡不能滿足系統的檢測要求。所以就需要采用高靈敏度的光電器件，用光電探測器來接收光波信號，然而光電檢測到的回波信號比較弱，需要對回波產生的電信號進行放大處理。由于電路系統自身與外來干擾的存在，不可避免地帶來不利的噪聲信號，噪聲主要來源兩個方面:首先，電阻與IC器件的熱噪聲、散粒噪聲，與系統的帶寬、增益和工作溫度相關。基于這些噪聲現象具有隨機過程的特征，根據其統計規律，可以通過器件的篩選、系統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，對前者可通過低溫度漂移的器件選擇與工作環境的溫度控制以減小，后者可以通過優化SMT工藝設計、選取絕緣性能良好的器件以減小線路泄露電流。為此需要對接收系統的信號進行相應的放大與處理。一個線性度好，穩定度高的光電轉換與信號放大電路，對該測試系統至關重要，它直接影響整個系統的測量精度、重復精度、穩定性等指標。同時，系統探測靈敏度與接收到的微弱信號分子的數量有關，設計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/電壓轉換電路。(2)采用儀表放大電路和T型負反饋電阻網絡的放大電路。(3)放大后的信號的整形電路。

圖7 信號調理電路

要實現后續電路的控制，就必須對傳感器輸出的電流進行電流/電壓的轉換，圖7中集成運放A1為電流/電壓的基本轉換電路，當接收到光信號時，其輸出的電流信號為Is，為不產生自激振蕩，需要C3這個去耦電容，u0為輸出的電壓信號。由于光電傳感器輸出信號經光電轉換后為微弱的電壓信號，不能直接進行相關的信號處理，所以必須對信號進行放大。因為在光電探測系統中，光電傳感器所獲得的信號常為差模小信號，并含有大量的共模部分，其數值有時遠大于差模信號，因此要求放大器具有較強的抑制共模信號的能力。所以選擇儀表放大電路和T型放大電路來進行信號的放大處理。圖中集成運放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構，有著很好的對稱性，可以通過改變外接電阻的大小改變放大倍數，這是微弱信號檢測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

圖中集成運放A5為T型負反饋電阻網絡微弱信號的放大電路。輸出電壓和輸入電壓的關系

由式(8)可見，放大器的增益僅與外部T型電阻網絡有關，選擇不同的網絡電阻比值得到電阻比值精度高、穩定性好、閉環增益精度和穩定性也會提高。

在比較器的整形電路部分，將其轉變為微弱的電信號，經放大后，進入電壓比較器，當其幅值高于預定基準時，電壓比較器翻轉，產生觸發脈沖。由整形放大器將輸出的模擬信號轉換成二進制開關電信號，從而達到檢測的目的。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，所以物體在反光區的面積越大，傳感器接收的能量就越大，當到達某一閾值時，光電探測器就要檢測信號的輸出，那么被測物體越大越容易被檢測，反之，越不易檢測。要提高探測器的靈敏度，使它能探測到小物體的存在，就需要降低閾值，設置合適的閾值可以用來消除虛假的探測事件。如圖7所示，比較器電路設計中A6實現了光電探測系統的電平等級比較功能，為相機的成像提供了觸發脈沖。當輸入電壓U8大于閾值電壓時，輸出電壓U9為高電平，相機就開始采集圖片;當輸入電壓U8小于閾值電壓時，輸出電壓U9為低電平，相機處于不工作狀態。

4 實驗與分析

經試驗得到圖8(a)和圖8(b)在系統的同步時鐘觸發機制采集到的2個不同的模擬信號，圖中所示2個信號的特征不同，主要是因為目標反射特性不同而造成的。所以要選擇合適的閾值電壓來進行模擬信號到數字信號的轉換。

圖8 檢測信號

由于背景噪聲通常是＜300 mV的，為精確地提煉信號的出發的前邊緣，選擇略大于背景噪聲的門限電壓值，如圖中V'和V″所示，如果兩個值一樣當模擬信號不一致時，出發位置也不一樣，圖8(a)和圖8(b)對應的觸發時間值分別為t1和t2。對V'和V″的閾值來說，如果選擇的閾值過大，而模擬信號的邊緣變化比較緩慢，將會影響t1和t2之間的差值，引起時延誤差，不利于探測系統的測量，為此在本系統中要嚴格地選擇轉換觸發閾值V'和V″才能確保在線系統觸發機制的同步性，在本電路中背景噪聲為100 mV，所以選擇根據模擬信號選擇略大100 mV的閾值電壓，作為模數轉換電壓。由于模擬信號的不一致性，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－，不影響同步時間的由時間的上升沿確定。由圖中的凹陷處及輸出的脈沖寬度不同可知，在工件檢測過程中，會受工件本身因素、電路不穩定、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區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，當速度一定時，則取決于工件的大小。但當工件較小或速度較快時，輸出脈寬會太窄，則不能滿足相機的觸發，所以要對信號進行展寬。

5 結束語

根據在線檢測的光電觸發裝置的工作原理及電路的設計與分析方法，分析了滿足具體要求的光學電路與信號放大處理結構。設計方案滿足在線檢測機構的同步觸發要求，為工件檢測的同步觸發需求提供了保證，并且具有時間誤差小的特點。

［1］潘峰，張利霞，楊志成.自動檢定光電傳感器裝置［J］.儀表技術，2008(5):68－69.

［2］繆家鼎，徐文娟，牟同升.光電技術［M］.杭州:浙江大學出版社，1994.

［3］梁森.自動檢測技術［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［4］劉鐵跟.光電測量技術和系統［M］.北京:工業出版社，2005.

［5］劉文，唐輝，商洪濤.光電傳感器在脈搏采集中的研究［J］.中國醫學裝備，2005，23(9):22 －23.

［6］曾小青，李旭光，熊政剛，等.一種具有高信噪比的脈搏波光電傳感器的研制［J］.中國現代醫學雜志，2003，13(15):76－78.

［7］高愛華，劉衛國，吳威.基于光開關的光電探測器響應時間測量［J］.半導體光電，2008，29(5):188 －190.

［8］倪晉平，杜文斌，董濤.天幕靶靈敏度標定方法研究［J］.西安工業大學學報，2011，31(3):216 －220.

［9］李翰山，高俊釵，雷志勇，等.光電探測靶探測性能分析［J］.電光與控制，2008，15(7):71 －75.

［10］高旭.天幕靶靈敏度控制技術研究［D］.西安:西安工業大學，2010.

［11］MCCARTHY B D，RERAN B J.Position measuring apparatus and methed［P］.USA:US4885725，1989.

［12］李翰山.光電探測靶探測靈敏度的改善研究［D］.西安:西安工業學院，2004.

［13］韓軍，劉鈞.工程光學［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007.