一种分体式激光相位测距仪的制作方法

1.本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种分体式激光相位测距仪。


背景技术：

2.相位式激光测距仪是通过测量连续的调制光波往返距离产生的相位延迟，间接的测定光在空气中往返与待测目标间的飞行时间，从而计算出被测距离。完整的相位式激光测距仪还包含按键功能、屏幕显示功能、语音播报功能、电子角度等功能。
3.现有方案的相位式激光测距仪各个功能集成设置，而各个功能模块电路在工作时会相互串扰，从而引起测距精度差。而且处理各个功能模块的指令是按顺序执行的，在执行测距功能时是不能同时处理电子角度信息和语音播报信息，而测距时间通常在0.2秒到1秒之间，在该时间段测距仪是不能播报语音和刷新屏幕信息的，所以测距仪响应速度慢。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种分体式激光相位测距仪，以克服现有的相位式激光测距仪的测距精度差及响应速度慢的缺陷。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种分体式激光相位测距仪，包括独立执行的测距模块和全功能模块；
7.所述测距模块与所述全功能模块连接，所述测距模块用于进行激光相位测数据，获得测距结果；所述全功能模块用于进行所述测距结果的输出。
8.可选的，所述测距模块包括：第一mcu、测尺电路和电压源电路；
9.所述第一mcu与测尺电路连接，所述电压源电路的控制端与所述第一mcu连接，所述电压源电路的电源输出端与所述测尺电路的雪崩光电二极管连接；
10.所述第一mcu还与所述全功能模块连接。
11.可选的，所述测尺电路包括：数字频率发生器、第一信号处理电路、第二信号处理电路、第三信号处理电路、模拟开关、第一激光二极管、第二激光二极管和雪崩光电二极管；
12.所述第一mcu与所述数字频率发生器连接，所述第一mcu用于控制所述数字频率发生器产生第一正弦波信号、第二正弦波信号和第三正弦波信号，其中，所述第三正弦波信号的频率为所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的频率差的n倍；
13.所述数字频率发生器的第一输出端通过第一信号处理电路与所述模拟开关的输入端连接，数字频率发生器的第一输出端用于输出第一正弦波信号；
14.所述模拟开关的第一输出端与所述第一激光二极管连接，所述第一激光二极管用于发射激光至被测目标；所述模拟开关的第二输出端与所述第二激光二极管连接，所述第二激光二极管用于发射激光至参考点；所述模拟开关的控制端与所述第一mcu连接，所述第一mcu还用于控制所述模拟开关的开关状态；所述被测目标反射的激光和所述参考点反射的激光均照射到所述雪崩光电二极管上；
15.所述数字频率发生器的第二输出端通过第二信号处理电路与所述雪崩光电二极管连接，数字频率发生器的第二输出端用于输出第二正弦波信号；所述电压源电路与所述雪崩光电二极管连接，用于为所述雪崩光电二极管提供反向工作电压；所述雪崩光电二极管通过所述第三信号处理电路与所述第一mcu连接；
16.所述数字频率发生器的第三输出端通过第三信号处理电路与所述第一mcu连接，数字频率发生器的第三输出端用于输出第三正弦波信号；
17.所述雪崩光电二极管用于将被测目标反射的激光，转换成第一反射电信号，将所述第一反射电信号与所述第二正弦波信号进行混频，获得第一混频信号，将参考点反射的激光，转换成第二反射电信号，将所述第二反射电信号与所述第二正弦波信号进行混频，获得第二混频信号；
18.所述第三信号处理电路用于对所述第一混频信号进行处理，获得第一测量信号，对所述第二混频信号进行处理，获得第二测量信号；
19.所述第一mcu还用于基于所述第三正弦波信号对所述第一测量信号进行傅里叶计算，获得第一测量信号的相位值，基于所述第三正弦波信号对所述第二测量信号进行傅里叶计算，获得第二测量信号的相位值，并基于第一测量信号的相位值和第二测量信号的相位值，计算被测目标与参考点的距离。
20.可选的，所述测距模块设置在第一电路板上。
21.可选的，所述测尺电路的数量为多个。
22.可选的，所述全功能模块包括：第二mcu、电源电路、按键电路、屏幕显示电路、语音播报电路和电子角度电路；
23.所述按键电路和所述电子角度电路均与所述第二mcu的信号输入端连接，所述第二mcu的信号输出端分别与所述屏幕显示电路和所述语音播报电路连接，所述屏幕显示电路和所述语音播报电路用于输出所述测距结果；
24.所述电源电路与所述第二mcu连接；
25.所述电源电路还与按键电路、屏幕显示电路、语音播报电路、电子角度电路和测距模块连接；
26.所述第二mcu还与所述测距模块连接。
27.可选的，所述全功能模块设置在第二电路板上。
28.可选的，所述测距模块与所述全功能模块通过fpc排线连接。
29.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
30.本发明实施例提供一种分体式激光相位测距仪，包括独立执行的测距模块和全功能模块；所述测距模块与所述全功能模块连接，所述测距模块用于进行激光相位测数据，获得测距结果；所述全功能模块用于进行所述测距结果的输出。本发明将测距功能与其他的功能拆分，避免各功能模块集成工作引起的测距精度差的缺陷，本发明中测距模块和全功能模块完全独立执行，不局限于按顺序执行的方式，提高了激光相位测距仪的响应速度。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例提供的一种分体式激光相位测距仪的结构示意图；
33.图2为本发明实施例提供的数字频率发生器的电路原理图；
34.图3为本发明实施例提供的第一信号处理电路的电路原理图；
35.图4为本发明实施例提供的第二信号处理电路的电路原理图；
36.图5为本发明实施例提供的模拟开关电路的电路原理图；
37.图6为本发明实施例提供的第三信号处理电路的电路原理图；
38.图7为本发明实施例提供的电压源电路的电路原理图；
39.图8为本发明实施例提供的电源电路的电路原理图；
40.图9为本发明实施例提供的按键电路的电路原理图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明的目的是提供一种分体式激光相位测距仪，以克服现有的相位式激光测距仪的测距精度差及响应速度慢的缺陷。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.实施例1
45.本发明实施例提供一种分体式激光相位测距仪，包括独立执行的测距模块和全功能模块；所述测距模块与所述全功能模块连接，所述测距模块用于进行激光相位测数据，获得测距结果；所述全功能模块用于进行所述测距结果的输出。本发明实施例中，测距模块设置在第一电路板上，全功能模块设置在第二电路板上，测距模块与全功能模块采用fpc排线连接。
46.具体的，如图1所示，所述测距模块包括：第一mcu、测尺电路和电压源电路，所述测尺电路包括：数字频率发生器、第一信号处理电路、第二信号处理电路、第三信号处理电路、模拟开关、第一激光二极管、第二激光二极管和雪崩光电二极管；所述第一mcu与所述数字频率发生器连接，所述第一mcu用于控制所述数字频率发生器产生第一正弦波信号、第二正弦波信号和第三正弦波信号，其中，所述第三正弦波信号的频率为所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的频率差的n倍；所述数字频率发生器的第一输出端通过第一信号处理电路与所述模拟开关的输入端连接，数字频率发生器的第一输出端用于输出第一正弦波信号；所述模拟开关的第一输出端与所述第一激光二极管连接，所述第一激光二极管用于发射激光至被测目标；所述模拟开关的第二输出端与所述第二激光二极管连接，所述第二激光二极管用于发射激光至参考点；所述模拟开关的控制端与所述第一mcu连接，所述第一mcu还用于控制所述模拟开关的开关状态；所述被测目标反射的激光和所述参考点反射的激光均照射到所述雪崩光电二极管上；所述数字频率发生器的第二输出端通过第二信号处
理电路与所述雪崩光电二极管连接，数字频率发生器的第二输出端用于输出第二正弦波信号；所述电压源电路与所述雪崩光电二极管连接，用于为所述雪崩光电二极管提供反向工作电压；所述雪崩光电二极管通过所述第三信号处理电路与所述第一mcu连接；所述数字频率发生器的第三输出端通过第三信号处理电路与所述第一mcu连接，数字频率发生器的第三输出端用于输出第三正弦波信号；所述雪崩光电二极管用于将被测目标反射的激光，转换成第一反射电信号，将所述第一反射电信号与所述第二正弦波信号进行混频，获得第一混频信号，将参考点反射的激光，转换成第二反射电信号，将所述第二反射电信号与所述第二正弦波信号进行混频，获得第二混频信号；所述第三信号处理电路用于对所述第一混频信号进行处理，获得第一测量信号，对所述第二混频信号进行处理，获得第二测量信号；所述第一mcu还用于基于所述第三正弦波信号对所述第一测量信号进行傅里叶计算，获得第一测量信号的相位值，基于所述第三正弦波信号对所述第二测量信号进行傅里叶计算，获得第二测量信号的相位值，并基于第一测量信号的相位值和第二测量信号的相位值，计算被测目标与参考点的距离。
47.如图1所示，本发明实施例中的全功能模块包括：第二mcu、电源电路、按键电路、屏幕显示电路、语音播报电路和电子角度电路；所述按键电路和所述电子角度电路均与所述第二mcu的信号输入端连接，所述第二mcu的信号输出端分别与所述屏幕显示电路和所述语音播报电路连接，所述屏幕显示电路和所述语音播报电路用于输出所述测距结果；所述电源电路与所述第二mcu连接；所述电源电路还与按键电路、屏幕显示电路、语音播报电路、电子角度电路和测距模块连接；所述第二mcu还与所述测距模块连接。
48.本发明的分体式激光相位测距仪的工作原理为：
49.分体式激光相位测距仪采用2个独立的mcu，分别为第一mcu和第二mcu。第一mcu单独处理测距功能并将测距相关的电路设计在一块独立的电路板(第一电路板)上，组成一个测距模块。第二mcu控制按键、电源输出、屏幕显示、电子角度等功能，并将这些功能相关的电路设计在另一块独立的电路板(第二电路板)上，组成全功能模块。两个模块之间通过fpc排线连接。各部分的电路图，如图2-图9所示，图9中的开机按键按下，图8中的开机信号为高电平，使电源电路输出电源电压vcc。第二mcu上电后控制图8中的电源保持信号输出高电平，使电源电路保持电源输出vcc给整个系统供电。如图2所示，第一mcu输出控制信号sck和sda，控制数字频率发生器产生频率f1，f2与f3的第一正弦波信号、第二正弦波信号和第三正弦波信号。第一正弦波信号、第二正弦波信号为高频信号，其频率为150m左右，且f1-f2＝f0，其中f0值为1～50khz。f3＝n*f0，其中n为大于0的整数。
50.第一正弦波信号经过第一信号处理电路放大后，进入模拟开关输入通道(图5中u3的4脚)，模拟开关输出两个通道(图5中u3的1脚和3脚)分别连接到第一激光二极管和第二激光二极管上。第二正弦波信号经过第二信号处理电路后调制在雪崩光电二极管上，第一mcu输出图7中的高压控制信号使电压源电路产生一个合适的高压值hv加载到雪崩光电二极管上，使雪崩光电二极管能正常工作。第三正弦波信号输入到第一mcu用于同步测量信号。其中，如图3和图4所示，第一信号处理电路采用三极管q5进行信号放大，第二信号处理电路采用三极管q2进行信号放大。
51.测距时，第一mcu先控制图5中的sw信号为高电平，控制模拟开关将第一正弦波信号调制在第一激光二极管上，同时将第一正弦波信号从第二激光二极管断开。使第一激光
二极管发射出的激光光束1产生明暗变化，变化频率与f1一致。
52.激光光束1照射到被测物体后，经被测物体表面反射，反射光经过接收透镜被雪崩光电二极管接收，雪崩光电二极管将光信号转化为电信号，此电信号频率为f1。同时耦合到雪崩光电二极管的频率为f2的第二正弦波信号与频率为f1的电信号在雪崩光电二极管内部混频产生第一混频信号：f1-f2(其中f1》f2)。雪崩光电二极管将第一混频信号输出的给第三信号处理电路处理，获得第一测量信号。第一mcu将第三正弦波信号进行n分频，使得f3/n＝f1-f2。第一mcu在同步信号(f3/n)的上跳沿对第一测量信号进行采样，对采样到的信号进行傅里叶计算得到第一测量信号的相位值p1(p1激光束1传输产生的相位差p1与电路及激光器相位延迟p1'之和，p1代表的距离即信号激光束1传播的距离)。同理第一mcu控制模拟开关将第一正弦波信号从第一激光二极管断开，将第一正弦波信号调制到第二激光二极管上。激光束2照射到测距仪内部腔体(参考点)，经反射后被雪崩光电二极管接收，同理可以得到第二测量信号的相位p1'(p1'激光束2传输产生的相位差p1”与电路及激光器相位延迟p1”'之和)。
53.作为一种具体的实施方式，本发明的技术方案可应用于单尺的测量，假设f1＝150mhz，f2＝150m-5khz,f3＝5khz，光速c＝3*108m/s；激光束1传播的距离为d1(d1≥20cm)，激光束2传播的距离为d(d≤10cm)；电路及激光二极管1对f1的相位延迟为p1”，电路及激光二极管2对f1的相位延迟为p1”'；
54.令λ1＝c/f1/2，λ1为150mhz频率对应测尺。
55.根据上述方法：
56.d1＝(p1/360)*λ1+(p1'/360)*2*λ1；
57.d＝(p1”/360)*2*λ1+(p1”'/360)*2*λ1；
58.双激光二极管测距系统中本发明实施例采用d1减d来消除温度对测距系统的影响，测距结果d＝(d1-d)＝(p1-2*p1”)/360*λ1+(p1'-p1”')/360*2*λ1
59.令l＝(p1-2*p1”)/360*λ1，s＝(p1'-p1”')/360*2*λ1，l表示激光束1与激光束2传播的差，s表示激光二极管1相关电路与激光二极管2相关电路产生相位延迟之差，则
60.d＝l+s
61.激光二极管型号不同时，p1”'与p1'不相等，s不等于0。当激光二极管型号相同时，p1”'与p1'相等，s＝0。设计选择相同型号的激光二极管，则
62.d＝l。
63.当使用单一测尺时，测距结果会受到测尺限制，当测尺频率越高时，精度越高，测尺越短，测距距离会受限；当测尺频率越低时，精度越低，测尺越长，测距精度会受限。作为另一种具体的实施方式，选3把或以上测尺，将测距结果进行衔接，以达到测距仪测距精度和测程要求。现在以测程为100米的测距仪为例，选取以下3把测尺：
64.测尺1：f1＝150mhz，f2＝150m-5khz,f3＝5khz，则λ1＝1m。
65.测尺2：f1'＝15mhz，f2'＝15m-5khz,f3'＝5khz，则λ2＝10m。
66.测尺3：f1”＝1.5mhz，f2”＝1.5m-5khz,f3”＝5khz，则λ3＝100m。
67.三把测尺测量同一距离得到的测距结果分别为d1，d2，d3
68.d1＝l1+s1；d2＝l2+s2；d3＝l3+s3
69.选择相同型号的激光二极管，s1＝s2＝s3＝0，d1，d2，d3进行衔接后得到最终的测
距结果d4。
70.第一mcu将最终的测距结果d4发送给第二mcu2，在第一mcu处理测距功能的同时，第二mcu2已经在处理语音播报功能和实时的在屏幕上显示电子角度信息，响应速度很快。
71.基于上述实施例本发明的技术方案的有益效果为：
72.使用2个mcu，分别为第一mcu和第二mcu，分别控制测距功能和其它功能，并将测距模块和全功能模块分开设计，从而避免了其它功能模块对测距模块的干扰，达到测距精度好的目的。测距模块在测距过程中，其它功能模块能同时进行语音播报和在屏幕上刷新电子角度等信息，所以测距仪响应速度快。
73.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
74.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种分体式激光相位测距仪，其特征在于，包括独立执行的测距模块和全功能模块；所述测距模块与所述全功能模块连接，所述测距模块用于进行激光相位测数据，获得测距结果；所述全功能模块用于进行所述测距结果的输出。2.根据权利要求1所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述测距模块包括：第一mcu、测尺电路和电压源电路；所述第一mcu与测尺电路连接，所述电压源电路的控制端与所述第一mcu连接，所述电压源电路的电源输出端与所述测尺电路的雪崩光电二极管连接；所述第一mcu还与所述全功能模块连接。3.根据权利要求2所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述测尺电路包括：数字频率发生器、第一信号处理电路、第二信号处理电路、第三信号处理电路、模拟开关、第一激光二极管、第二激光二极管和雪崩光电二极管；所述第一mcu与所述数字频率发生器连接，所述第一mcu用于控制所述数字频率发生器产生第一正弦波信号、第二正弦波信号和第三正弦波信号，其中，所述第三正弦波信号的频率为所述第一正弦波信号和所述第二正弦波信号的频率差的n倍；所述数字频率发生器的第一输出端通过第一信号处理电路与所述模拟开关的输入端连接，数字频率发生器的第一输出端用于输出第一正弦波信号；所述模拟开关的第一输出端与所述第一激光二极管连接，所述第一激光二极管用于发射激光至被测目标；所述模拟开关的第二输出端与所述第二激光二极管连接，所述第二激光二极管用于发射激光至参考点；所述模拟开关的控制端与所述第一mcu连接，所述第一mcu还用于控制所述模拟开关的开关状态；所述被测目标反射的激光和所述参考点反射的激光均照射到所述雪崩光电二极管上；所述数字频率发生器的第二输出端通过第二信号处理电路与所述雪崩光电二极管连接，数字频率发生器的第二输出端用于输出第二正弦波信号；所述电压源电路与所述雪崩光电二极管连接，用于为所述雪崩光电二极管提供反向工作电压；所述雪崩光电二极管通过所述第三信号处理电路与所述第一mcu连接；所述数字频率发生器的第三输出端通过第三信号处理电路与所述第一mcu连接，数字频率发生器的第三输出端用于输出第三正弦波信号；所述雪崩光电二极管用于将被测目标反射的激光，转换成第一反射电信号，将所述第一反射电信号与所述第二正弦波信号进行混频，获得第一混频信号，将参考点反射的激光，转换成第二反射电信号，将所述第二反射电信号与所述第二正弦波信号进行混频，获得第二混频信号；所述第三信号处理电路用于对所述第一混频信号进行处理，获得第一测量信号，对所述第二混频信号进行处理，获得第二测量信号；所述第一mcu还用于基于所述第三正弦波信号对所述第一测量信号进行傅里叶计算，获得第一测量信号的相位值，基于所述第三正弦波信号对所述第二测量信号进行傅里叶计算，获得第二测量信号的相位值，并基于第一测量信号的相位值和第二测量信号的相位值，计算被测目标与参考点的距离。4.根据权利要求1-3任一项所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述测距模块设置在第一电路板上。
5.根据权利要求2-3任一项所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述测尺电路的数量为多个。6.根据权利要求1所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述全功能模块包括：第二mcu、电源电路、按键电路、屏幕显示电路、语音播报电路和电子角度电路；所述按键电路和所述电子角度电路均与所述第二mcu的信号输入端连接，所述第二mcu的信号输出端分别与所述屏幕显示电路和所述语音播报电路连接，所述屏幕显示电路和所述语音播报电路用于输出所述测距结果；所述电源电路与所述第二mcu连接；所述电源电路还与按键电路、屏幕显示电路、语音播报电路、电子角度电路和测距模块连接；所述第二mcu还与所述测距模块连接。7.根据权利要求1或6所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述全功能模块设置在第二电路板上。8.根据权利要求1所述的分体式激光相位测距仪，其特征在于，所述测距模块与所述全功能模块通过fpc排线连接。

技术总结
本发明公开一种分体式激光相位测距仪，包括独立执行的测距模块和全功能模块；所述测距模块与所述全功能模块连接，所述测距模块用于进行激光相位测数据，获得测距结果；所述全功能模块用于进行所述测距结果的输出。本发明将测距功能与其他的功能拆分，避免各功能模块集成工作引起的测距精度差的缺陷，本发明中测距模块和全功能模块完全独立执行，不局限于按顺序执行的方式，提高了激光相位测距仪的响应速度。度。度。


技术研发人员：董凯 龚志
受保护的技术使用者：杭州隆硕科技有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/19