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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾仕傑
論文名稱:光電調制技術於距離量測之研究
論文名稱(外文):Research on Distance Ranger with Electroptical Modulation
指導教授:沈志雄沈志雄引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:位置感測元件光電調制技術
外文關鍵詞:PSD(Position Sensitive Detector)Distance Ranger with Electroptical Modulation
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本論文中,我們使用了位置感測元件PSD(Position Sensitive Detector),加上雷射三角測距法來進行量測。當被測物之位移造成光強度的變化,經感測元件之量測進而產生電子類比訊號。我們利用位置感測元件PSD(Position Sensitive Detector)將接收到的光訊號,經過轉阻放大器(TIA:Transimpedance amplifier)轉變為電壓,並加以分析與運算。
為了提升位移量測之準確性與減少雜訊的干擾,研究中採用了光調制技術的量測方法。這是一個創新的量測方法,特別的是可以做鎖頻的控制,最主要的目的在於彌補光在雜訊較多的環境下無法進行量測的弱點,可以有效的消除雜訊,雜訊比有優於傳統的量測。

Abstract
In this thesis, we propose a new PLL technique by using a position sensitive detector (PSD) and laser-triangle-projected measurement to evaluate the distance. The different positions of the sensing object induce the variation of the transmission intensity which are detected by sensors and is transferred to the corresponding analog signal. We utilize a position sensitive detector (PSD) in the receiving circuits to produce photocurrent and then transform photocurrent to voltage by a trans-impedance amplifier.
To increase the accuracy and reduce the interference of the noise, the differential measurement method uses the electroptical modulation for the laser driving. The new measuring technique is an innovative measurement method that can be done by phase-lock loop measurement. The main purpose is to reduce noise, light environment interference and enhances the measured signal level, which can effectively eliminate noise and improve noise ratio with better than traditional measurements.

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機 1
1-3 論文架構 3
第二章 文獻回顧 5
2-1感測系統簡介 5
2-2非接觸量測系統簡介 6
2-2-1電容式位移感測器 6
2-2-2電感式位移感測器 7
2-2-3無線電波式測距感測器 8
2-2-4光電式位移感測器 9
2-3雷射測距方式 9
2-3-1干涉式雷射測距 9
2-3-2相位式雷射測距 10
2-3-3脈衝回波式雷射測距 11
2-3-4三角量測式雷射測距 12
第三章 光電位置感測器結構與原理介紹 15
3-1 PSD簡介 15
3-2 PSD基本原理 16
3-3 PSD量測誤差 18
3-3-1入射光影響 18
3-3-2溫度特性 20
3-4 電路分析與設計 21
3-4-1 OP放大電路 21
3-4-2差動式光電電路分析與設計 22
3-5 鎖相迴路放大器 24
第四章 研究設計與實驗方法 27
4-1 實驗目的 27
4-2實驗計畫 27
4-3 研究流程 27
4-4 系統架構 28
4-5 實驗裝置規劃 29
4-6 實驗原理 29
4-7 實驗儀器 33
4-8電路設計與製作 35
4-9 直流光電訊號量測 36
4-10 雷射交流調制與PLL鎖相輸出 43
4-10-1雷射交流調制 43
4-10-2鎖相放大器的原理與應用 44
第五章 結論與未來發展方向 51
5-1 結論 51
5-2 未來發展方向 52
參考文獻 54

表 目 錄
表2.1 各式雷射測距技術之比較 14
表3.1 各式的鎖相迴路之比較表 26
表4.1 PSD電流值與距離的對照表 36
表4.2 PSD電流值與PSD入射點離中心點的位置的對照表 37
表4.3 (V2-V1)/(V1+V2)與距離的對照表 40
表4.4 Vout1/Vout2與物距對照表 41
表4.5  PLL鎖相放大器實測值(一) 47
表4.6  PLL鎖相放大器實測值(二) 49

圖 目 錄
圖2.1人類與機器的相對應關係 5
圖2.2感測系統的基本架構 5
圖2.3電容式位移感測器構造示意圖 7
圖2.4電感式位移感測器構造示意圖 7
圖2.5雷達系統示意圖 8
圖2.6干涉式雷射測距示意圖 10
圖2.7相位式雷射測距 11
圖2.8相位式測距訊號相位差示意圖 11
圖2.9脈衝回波式雷射測距 12
圖2.10三角量測式雷射測距 13
圖3.1 PSD的斷面結構圖 16
圖3.2 PSD點位感測誤差 19
圖3.3 一維PSD(s4583-04)光電流輸出 19
圖3.4 一維PSD(s4583-04)點位誤差範例 20
圖3.5 溫度特性圖 20
圖3.6 OP放大器放大電路 21
圖3.7 差動式光電電路 24
圖4.1研究流程圖 28
圖4.2系統架構圖 28
圖4.3模擬量測架構圖 29
圖4.4 PSD三角測距示意圖 32
圖4.5使用儀器設備照片 33
圖4.6量測架構照片(一) 34
圖4.7量測架構照片(二) 34
圖4.8電路設計圖 35
圖4.9電路成品照片 35
圖4.10 PSD電流值與距離曲線圖 37
圖4.11 PSD電流值與入射點離中心點的位置曲線圖 38
圖4.12物距與入射點離中心點的位置曲線圖 39
圖4.13物距與Vout1/Vout2關係曲線圖 41
圖4.14雷射驅動電路圖 43
圖4.15雷射驅動相片圖 43
圖4.16訊號產生器(上)與PLL鎖相迴路器(下) 44
圖4.17 PLL鎖相迴路頻率圖 45
圖4.18 PLL鎖相放大器之接線關係圖 46
圖4.19 PLL鎖相放大器量測與電錶實測值曲線圖(一) 48
圖4.20 PLL鎖相放大器量測與電錶實測值曲線圖(二) 50
圖4.21 PLL鎖相放大器量測解析度 50


[1] 莊葆華,“非接觸雷射探頭研製” 精密量測專輯 一九九六年二月。
[2] 羅仁權,“感測器的原理與應用” 國立中正大學智慧型機器人產業發展推動計畫,中華民國九十六年。
[3] 黎萬正,“PSD與CCD 在結構變形量測之應用“ 國立中央大學土木工程所碩士論文,2005。
[4] 蕭永修、劉石麟、何翊、楊人豪、施驊庭,“汽車安全輔助系統研究” 交通部財團法人資訊工業策進會,中華民國九十一年。
[5] 張鈞傑,“任意頻率調變式雷射測距儀”國立中央大學光電科學研究所碩士論文,2006。
[6]陳龍昇、林馥慧、沈志雄,“雷射測距的雪崩型二極體接收混波電路之研究”第十四屆全國自動化科技研討會論文集,2006。
[7] 尤皓正,“飛時式雷射測距之計時器特性量測”國立中央大學光電科學研究所碩士論文,2000。
[8] 林馥慧,“新穎交換式電容架構之三角測距電路設計” 國立彰化師大機電系碩士論文 中華民國九十五年。
[9] 王崇飛,“位置感測器元件簡介” 元智大學最佳化設計實驗室課程教材,1999。
[10] 黃光裕,“光電式位移感測系統之設計開發” 行政院國家科學委員會研究計畫成果報告 中華民國九十二年。
[11] 李碩仁、鄭元進,“單點雷射多探測器量測系統研製” 機械月刊第二十五卷第十二期。
[12] 鄭振東,“感測器電路設計手冊” 初版 全華科技圖書,pp173-180,1993。
[13] 黃文甫,“精密反射式三角雷射探頭之設計與製作研究” 國立台北科技大學機械工程研究所碩士論文,2006。
[14] 林正道、胡錦標,“雷射光電系統設計及應用”初版 全華科技圖書,pp.75-93,2000。
[15] 蘇奕肇,“感測器應用電路精選”初版 全華科技圖書,pp.1-58,1993。
[16] 魏毅光,“雷射測距儀” 國立台灣大學電機工程所碩士論文,1996。

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