ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
The authors have considered requirements to photo receiving devices (PhRD) of optical systems on the laser rangefinder basis for measurement of the linear displacements of the diffuse reflecting objects. They investigated the scheme of PhRD on the avalanche photo diode basis and carried out light an...
Saved in:
| Date: | 2016 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/869 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Technical Electrodynamics |
| Download file: |
|
Institution
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870202610547425280 |
|---|---|
| author | Брагинец, И.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. |
| author_facet | Брагинец, И.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "И.А. Брагинец",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
},
{
"author": "А.Г. Кононенко",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
},
{
"author": "Ю.А. Масюренко",
"institution": "Інститут електродинаміки НАН України, пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна"
}
] |
| author_sort | Брагинец, И.А. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2022-12-23T21:43:43Z |
| description | The authors have considered requirements to photo receiving devices (PhRD) of optical systems on the laser rangefinder basis for measurement of the linear displacements of the diffuse reflecting objects. They investigated the scheme of PhRD on the avalanche photo diode basis and carried out light and energetic calculation. They determined of a signal to noise relation at the exit of PhRD by analytical and the experimental way and also estimated potential measurement accuracy of the linear displacements. Application of the received results will give the chance to increase accuracy of non-contact measurement of movements and vibrations of the diffuse reflecting objects at small basic distances. References 8, tables 2, figures 4. |
| doi_str_mv | 10.15407/techned2016.06.069 |
| first_indexed | 2026-06-16T01:13:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 69
УДК 621.317
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
И.А. Брагинец, канд.техн.наук, А.Г. Кононенко, канд.техн.наук, Ю.А. Масюренко, канд.техн.наук
Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев-57, 03680, Украина.
e-mail: masjuriy@ied.org.ua
Рассмотрены требования к фотоприемным устройствам (ФПУ) оптических систем на базе лазерных даль-
номеров для измерения линейных перемещений диффузно-отражающих объектов. Исследована схема ФПУ на
основе лавинного фотодиода, проведен его светоэнергетический расчет. Аналитическим и эксперименталь-
ным путями определено отношение сигнал–шум на выходе ФПУ, а также оценена потенциальная точность
измерения линейных перемещений. Применение полученных результатов даст возможность повысить точ-
ность бесконтактного измерения перемещений и вибраций диффузно-отражающих объектов на небольших
базовых расстояниях. Библ. 8, табл. 2, рис. 4.
Ключевые слова: диффузно-отражающая поверхность, лавинный фотодиод, отношение сигнал-шум, фазовый
дальномер, перемещение, точность.
Мониторинг состояния ряда специальных объектов предполагает бесконтактное измерение их
линейных перемещений и вибраций на базовом расстоянии до 100 м с погрешностью в интервале
0,1…1,0 мм. Как показывает практика, перспективным в данном случае является использование ла-
зерных дальномеров. Среди последних наиболее точными являются фазовые дальномеры. В таких
приборах излучается гармонически модулируемый высокой частотой световой поток, а расстояние Lx
определяется путем измерения сдвига фаз xϕ огибающих излучаемого и отраженного от контроли-
руемого объекта световых потоков по формуле / 4x x мL c fϕ π= ⋅ , где с – скорость света; мf – частота
модуляции. В фазовых дальномерных системах перемещение объекта определяется по изменению
расстояния относительно его базового значения. Вибрации объекта вызывают фазовую модуляцию
огибающей отраженного оптического сигнала. Если из исследуемого сигнала выделить периодиче-
скую составляющую, вызываемую фазовой модуляцией, то, определив ее спектр, можно оценить ам-
плитуду и частоту вибраций контролируемого объекта.
Однако следует отметить, что достижение указанной выше точности измерения перемещений
и вибраций даже с помощью фазовых лазерных дальномеров представляет собой сложную научно-
техническую задачу. Это объясняется тем, что выходной электрический сигнал фотоприемного уст-
ройства (ФПУ) дальномера, получаемый путем преобразования отраженного от контролируемого
объекта светового потока малой интенсивности, имеет достаточно слабый уровень. Если контролиру-
ется объект, например, с диффузно-отражающей поверхностью, то он может составлять единицы
микровольт. Отсюда возникает низкое отношение сигнал-помеха на выходе ФПУ, обусловленное как
внешними факторами (фоновая подсветка, электромагнитные наводки), так и внутренними шумами
фотодетектора и усилителя, включенного на его выходе. Поэтому для достижения заданной точности
измерения требуется достаточно сложная измерительная обработка выходного сигнала фотодетекто-
ра ФПУ, а также применение определенных конструктивных мер. Повышение интенсивности отра-
женного светового потока за счет увеличения выходной оптической мощности лазера при высокой
частоте модуляции (десятки и сотни мегагерц) может привести к снижению точности измерения из-за
наличия электромагнитных наводок из передающего канала в приемный. Кроме того, существуют
ограничительные санитарные нормы при работе с приборами с непрерывным лазерным излучением.
Для указанного выше применения фазовых дальномеров их ФПУ целесообразно строить на
основе лавинных фотодиодов (ЛФД), поскольку последние за счет лавинного усиления обладают
максимальными чувствительностью к воздействию светового потока и быстродействием. Вместе с
тем, лавинные процессы, происходящие в ЛФД, неизбежно вносят дополнительный шум, влияние
которого на точность дальномера недостаточно исследовано.
© Брагинец И.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., 2016
70 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6
Построенные по классической схеме ФПУ содержат приемный объектив, лавинный фотоди-
од, широкополосный усилитель, смеситель, гетеродин, низкочастотный фильтр и усилитель низкой
частоты [3]. Гетеродинирование измерительного сигнала в этом случае происходит после фотодиода.
Наличие, кроме шумов ЛФД, собственных шумов высокочастотных звеньев (широкополосного уси-
лителя и смесителя) не позволяет реализовать потенциальную чувствительность ЛФД и необходимую
точность измерения.
Более приемлемой в рассматриваемом случае является схема ФПУ, в которой в качестве сме-
сителя используется непосредственно лавинный фотодиод, например, описанная в [3]. При этом от-
падает необходимость в высокочастотных звеньях – широкополосном усилителе, высокочастотном
входном фильтре и смесителе, а выходное напряжение ЛФД имеет низкую частоту. Единственным
высокочастотным узлом в ФПУ дальномера является лавинный фотодиод. Он обладает малой собст-
венной реактивностью, поэтому его влияние на фазовую нестабильность приемного канала несуще-
ственно. Кроме того, ЛФД за счет лавинного умножения обладает значительным усилением. Причем,
выбрав надлежащим образом значения постоянного напряжения смещения фотодиода и напряжения
гетеродина, можно за счет уменьшения полосы пропускания приемного тракта получить низкий уро-
вень шумов и достаточно большой коэффициент усиления. В описанном режиме гетеродинирования
возможно получение высокой чувствительности, что позволяет использовать лазерные излучатели
меньшей мощности. Это обстоятельство улучшает энергетическую характеристику прибора или при
той же мощности позволяет производить измерения на большем базовом расстоянии.
Дополнительным преимуществом использования ЛФД является возможность уменьшения
амплитудно-фазовой погрешности, возникающей при изменении выходного напряжения измеритель-
ного канала, поступающего на один из входов фазоизмерительного устройства. Это обусловлено как
изменением базового расстояния дальномера и, вследствие этого, интенсивности отраженного свето-
вого излучения, так и колебаниями температуры окружающей среды. Обычно для стабилизации вы-
ходного напряжения измерительного канала используются электромеханические аттенюаторы на ос-
нове оптических клиньев или электронные регулирующие устройства, включаемые в измерительный
канал. Подобного рода аттенюаторы не всегда обеспечивают необходимые точность измерения, бы-
стродействие и эксплуатационную надежность прибора. Применение ЛФД на входе измерительного
канала позволяет получить достаточно хорошую систему регулировки уровня его входного сигнала
[6]. В данном случае используется зависимость коэффициента умножения (коэффициента усиления)
ЛФД от значения напряжения смещения. При этом изменение фазового сдвига, вносимого ЛФД при
регулировке его коэффициента усиления, весьма незначительно.
В связи с вышеизложенным целью работы является исследование ФПУ с гетеродинным
включением лавинного фотодиода, используемого для бесконтактного измерения линейных переме-
щений и параметров вибраций объектов, в том числе объектов с диффузно-отражающей поверхно-
стью. При этом необходимо провести светоэнергетический расчет ФПУ с учетом выбранного источ-
ника излучения света, расчетным и экспериментальным путями определить отношение сигнал-шум
на выходе ФПУ, а также оценить потенциальную точность измерения линейных перемещений при
использовании разработанного ФПУ в составе фазового лазерного дальномера.
На рис. 1 представлена функциональная схема исследуемого ФПУ. Модулированное по ин-
тенсивности высокой частотой ω1 световое излу-
чение, отраженное от объекта, попадает на пло-
щадку лавинного фотодиода ЛФД. На катод фото-
диода подается напряжение смещения от высоко-
вольтного источника постоянного напряжения
ИПН с регулируемым выходом. В цепь анода ЛФД
включен резистор Rн, который является его на-
грузкой. Кроме того, на анод ЛФД через развязы-
вающий конденсатор С1 с выхода кварцевого ге-
нератора КГ подается высокочастотное напряже-
ние гетеродина с частотой ω2. Таким образом, на
ЛФД одновременно воздействуют напряжение,
создаваемое фототоком, и напряжение гетеродина.
В результате взаимодействия этих напряжений на
сопротивлении нагрузки Rн выделяются состав-
ИПН
КГ
МШУ
C1
C2
C3
Rн Др
ЛФД
Uвых
+
Рис. 1
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 71
ляющие напряжений разных комбинационных частот. Одна из составляющих напряжения разностной
частоты ωр = (ω1−ω2) выделяется фильтром нижних частот (ФНЧ), образованным дросселем Др и
конденсатором С2, и поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ) низкой частоты. Другие
высокочастотные составляющие в выходном спектре ЛФД отфильтровываются тем же ФНЧ. Необ-
ходимо отметить, что дроссель Др является заграждающим элементом от попадания напряжения ге-
теродина на вход МШУ. В данном случае фильтрация получается достаточно эффективной из-за
большой разности между высшими комбинационными составляющими частот ω1 и ω2 и их разност-
ной рабочей частотой ωр. Так, при выбранных нами значениях частоты модуляции и частоты гетеро-
дина порядка сотен мегагерц разностная частота измерительного сигнала может составлять десятки
килогерц. Таким образом, за счет уменьшения полосы пропускания приемного тракта можно полу-
чить низкий уровень шумов и достаточно большой коэффициент усиления. Кроме того, в измерительном
канале дальномера отсутствуют различного рода пассивные высокочастотные элементы типа фильтров,
контуров и т.п., что, наряду с малой реактивностью ЛФД, повышает его фазовую стабильность.
Проведем светоэнергетический расчет ФПУ для оценки отношения сигнал-шум на выходе
ФПУ при использовании его в составе лазерного дальномера для контроля объектов с диффузно от-
ражающей поверхностью. Для этого необходимо определить мощность отраженного оптического
сигнала Рс, несущего измерительную информацию и попадающего на площадку ЛФД. Значение Рс
может быть представлено выражением
c пер отр пр излP К К К Р= , (1)
где Кпер, Котр и Кпр – коэффициенты эффективности передающей оптической системы лазерного
дальномера, отражателя и приемной оптической системы дальномера соответственно; Ризл – мощ-
ность, излучаемая лазером.
При проведении расчета мы пользовались значениями Кпер и Кпр, оцененными эксперимен-
тально для конкретной приемо-передающей системы, у которой Кпер⋅Кпр ≈ 5,6·10-3. Значение Котр мож-
но определить, исходя из закона Ламберта для диффузно рассеивающей поверхности [4]
2
2
1
отр
DК
L
α
π
= ⋅ ⋅ , (2)
где D – диаметр объектива приемной оптики, примем D =50 мм; L – расстояние до контролируемого
объекта; α – коэффициент отражения, α=0,1…0,8. Тогда, например, при L=10 м и α=0,2 коэффици-
ент эффективности отражателя составляет
3 2
6
2
(50 10 ) 1 0,2 1,6 10
10 3,14отрК
−
−⋅
= ⋅ ⋅ ⋅ .
Примем, что в качестве излучателя света используется полупроводниковый диод SV5637-001
с типовой мощностью излучения Ризл = 1,25 мВт и длиной волны 0,85 мкм. В этом случае, с учетом
принятых значений Кпер, Котр и Кпр, в соответствии с (1) 3 6 3 125,6 10 1,6 10 1,25 10 11,2 10cP − − − −= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ Вт.
Фотодиод выбран с учетом его минимальных шумовых характеристик и необходимого спек-
трального диапазона. Среди таких ЛФД известны отечественные образцы ФДЛ-118 и ФД311Л, а из
зарубежных – VFI1-DAZA фирмы-изготовителя Voxtel. По шумовым характеристикам и чувстви-
тельности они примерно одинаковы. Нами для исследований взят ФД311Л, имеющий следующие ос-
новные технические характеристики: рабочее напряжение от 70 В до 400 В; максимум спектральной
характеристики от 0,8 до 0,9 мкм; токовая монохроматическая чувствительность S при температуре
20±5оС составляет 0,18 А/Вт. Значение тока фотодиода, возникающего под действием мощности от-
раженного оптического сигнала Рс, попадающего на площадку ЛФД, в режиме усиления определяет-
ся по формуле [1]
c сI S P M= ⋅ ⋅ , (3)
где М – коэффициент лавинного умножения, в данном случае оптимальное значение М = 90. Тогда
1218 11,2 10 90 0,018cI −= ⋅ ⋅ ⋅ мкА. Соответственно, напряжение на нагрузке Rн =5 кОм равно
6 30,018 10 5 10 90c c нU I R −= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ мкВ.
В фазовых дальномерах излучение лазера модулируется напряжением прямоугольной формы,
т. е. напряжение, выделяемое на нагрузке фотодиода, имеет форму меандра. Такую же форму имеет и
напряжение, поступающее от гетеродина КГ на анод ЛФД (рис. 1). Таким образом, амплитуда напря-
жения первой гармоники разностной частоты ωр, выделяемого фильтром нижних частот Др-С2, с
учетом коэффициента гетеродинного преобразования приблизительно равна ' 1 29с cU Uπ −= ⋅ мкВ.
72 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6
Если для передачи и приема оптического излучения в лазерном дальномере используются во-
локонные световоды, как, например, в [2], то величины в формуле (2) могут иметь значения: D = 50
мкм, L = 10 мм и α = 0,5. В этом случае
6 2
6
3 2
(50 10 ) 1 0,5 4 10
(10 10 ) 3,14отрК
−
−
−
⋅
= ⋅ ⋅ ⋅
⋅
. Тогда рассчитанные ана-
логичным образом для оптоволоконного лазерного дальномера Рс=28⋅10-12 Вт, Ic =0,045 мкА и
U′c=72,5 мкВ.
Для определения отношения сигнал-шум необходимо оценить суммарные шумы ФПУ. Сред-
неквадратическое значение (СКЗ) шумов ФПУ включает в себя СКЗ шумов фотодиода и СКЗ шумов
усилителя МШУ. В свою очередь, СКЗ шумов фотодиода определяется, в основном, дробовыми шу-
мами фотодиода и тепловыми шумами сопротивления нагрузки Rн. Среднеквадратическое значение
тока, обусловленное дробовым шумом, равно [1]
дш 0 ш2 пI e I M F f= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ Δ , (4)
где e – заряд электрона, e =1,6ּ10-19 Кл; 0I – начальный (темновой) ток фотодиода, 0I =0,005 мкА;
шF – коэффициент шума, шF = xM , где x = 0,2…1,0 в зависимости от материала и типа носителей,
вызывающих лавину (в данном случае выбираем х = 0,4); ∆fn – полоса пропускания измерительного
канала, определяемая значением ωр, примем ∆fn= 10 кГц. После подстановки в (4) значений входящих
в него величин имеем 19 9 0,4 4 11
дш 2 1,6 10 5 10 90 90 10 23 10I − − −= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ А. Тогда СКЗ напряжения
дробовых шумов на выходе фотодиода 11 3
дш дш н 23 10 5 10 1,15U I R −= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = мкВ.
Среднеквадратическое значение напряжения тепловых шумов в полосе частот ∆fn определяет-
ся по формуле [4] тш н4 пU kT f R= Δ , (5)
где k – постоянная Больцмана, k =1,38ּ10-23 Дж/К; Т – температура резистора Rн, принимаем Т=296 К.
После подстановки в (5) численных значений получим Uтш = 0,9 мкВ. Результирующее СКЗ напряже-
ния шумов фотодиода 2 2
ш дш тш 1,46
ФД
U U U= + = мкВ.
Среднеквадратическое значение шумов МШУ, приведенное к его входу, оценено эксперимен-
тально и составляет шМШУ
U =1,3 мкВ. Тогда суммарное СКЗ напряжения шумов ФПУ определяется
выражением 2 2
ш ш ш 1,95
ФД МШУ
U U U
∑
= + = мкВ.
На основании вычисленных значений U′c и шU
Σ
по формуле '
шcU Uρ
Σ
= находим отношение
сигнал-шум на выходе фотодиода, которое для фазовых дальномеров составляет примерно 15, а для
оптоволоконных – 37. Случайная погрешность одного измерения расстояния (перемещения), обу-
словленная действием шумов на выходе описанного ФПУ, определяется выражением
2
L λ
π ρ
Δ =
⋅
, (6)
где λ – эквивалентная длина волны огибающей модулированного лазерного излучения. Поскольку
λ=с/2fм, где с = 3ּ108 м/с, а fм = 100 МГц, то λ =1500 мм. Если произвести 1000 независимых
измерений, тогда 2 1000L λ π ρΔ = ⋅ ⋅ . Для фазовых дальномеров эта погрешность составляет при-
мерно 0,48 мм, а для оптоволоконных – 0,2 мм.
Для оценки экспериментальным путем отношения сигнал-шум на выходе ФПУ, а также для
определения потенциальной точности измерения линейных перемещений при использовании рас-
смотренного ФПУ в составе лазерного фазового дальномера была собрана установка, схема которой
приведена на рис. 2, где ППС – приемо-передающая система; КП – контролируемая поверхность; ИЛ
– измерительная линия Р1–17; Ш – шкала; ОС – оптическая скамья; В – вольтметр В3–38; ПФ1, ПФ2
– полосовые фильтры; Ф – фазометр Ф2–34.
Предварительно рассмотрим упрощенную схему ППС, которая представлена на рис. 3. Свето-
вой поток от лазерного излучателя ЛИ, модулированный по интенсивности напряжением высокочас-
тотного генератора Г1 с частотой f1 = 100 МГц, с помощью зеркал З1 и З2 направляется на контроли-
руемый объект. Отразившись от диффузно-рассеивающей поверхности объекта, световое излучение,
сфокусированное объективом Об, попадает на ФПУ (рис. 1).
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 73
Рис. 2
При этом на анод фотодиода ФПУ поступает высокочастотное напряжение от генератора Г2
(гетеродина) с частотой f2 = 100,010 МГц. Выходной электрический сигнал ФПУ разностной частоты
fр = f2 - f1 = 10 кГц после усиления усилителем У использу-
ется в качестве измерительного сигнала Uизм фазометра.
Опорный сигнал Uоп частоты fр для фазометра формирует-
ся с помощью смесителя См и пары генераторов Г1 и Г2.
При проведении экспериментальных исследований
в качестве диффузно рассеивающей поверхности КП ис-
пользовался ватман, наклеенный на твердую основу, за-
крепленную на движущейся части измерительной линии
ИЛ. Последняя установлена на оптической скамье ОС.
Измерительная линия ИЛ позволяет изменять положение
КП относительно базовой точки в диапазоне ± 250 мм с
разрешающей способностью 0,05 мм. Расстояние от ППС
до КП составляет 5 метров.
Для повышения помехоустойчивости дальномера в состав экспериментальной установки в из-
мерительный и опорный каналы включены собранные по одной и той же схеме активные двухзвенные
полосовые фильтры ПФ1 и ПФ2. Принципиальная электрическая схема фильтра показана на рис. 4.
R1
220
VT1
KT368
+
-
+
-
+
- +
-
+
+
+
+12V
12
13
14
3
2
1
5
6
7
10
9
8
DA1.4
DA1.1
DA1.2
DA1.3
R2
100k
R4
85
R3
100k
C1
C2
R5
93k
R6
93k
R7
98
C3
C4
R8
2k
R9
20k
R10
47
R11
20k
R12
20k R14
1k
R13
100
C5
C6
C7
C8
C9Uвх.
Uвых.
4.7 nF
4.7 nF
4.7 nF
4.7 nF
1 F
10 nF
10 F
10 F
10 F
Рис. 4
Каждое звено фильтра построено на основе операционного усилителя типа TL074CN со
сложной обратной связью (микросхемы DA1.2 и DA1.3). С целью обеспечения более плоской ампли-
тудно-частотной характеристики фильтра с крутым спадом за полосой пропускания в каждом из по-
следовательно соединенных звеньев фильтра частоты резонанса смещены в разные стороны относи-
тельно заданной резонансной частоты фильтра в целом. Характеристики фильтра: резонансная часто-
та 10 кГц, полоса пропускания – 0,8 кГц.
Методика проведения экспериментальных исследований рассматриваемого ФПУ заключается
в следующем. Вначале КП устанавливается на выбранной базовой точке ИЛ и фиксируется ее поло-
жение по шкале Ш. Далее от ППС на КП направляется световое излучение. Отраженный световой
поток попадает на площадку фотодиода ФПУ и преобразуется в электрический сигнал Uизм. С помо-
щью регулирующих элементов ФПУ по шкале вольтметра В, подключенного к выходу ППС, уста-
навливается Uизм = 200 мВ. Затем перекрывается объектив ФПУ, и посредством вольтметра измеряет-
ся напряжение на выходе Uизм, которое в данном случае составляет 10 мВ. Отсюда отношение сигнал-
шум равно ρ = 200/10=20.
Далее объектив ФПУ открывается. С помощью фазометра Ф фиксируется значение фазового
сдвига 0ϕ , соответствующее положению КП, установленной по шкале Ш на базовой точке ИЛ (пусть
условно это соответствует нулю мм). Затем КП с помощью винта перемещается вдоль ИЛ в диапазо-
не длин 0…100 мм через каждые 10 мм. В каждом из положений КП фиксируется показание ϕi фазо-
Рис. 3
Г1
См
ЛИ
ФПУУ
Г2
З1
З2
Об
Uоп
Uизм
ППС
В
Ф
U`изм
Uоп
L=5 м
L L
КП
ОС
ИЛ
Ш
ПФ1 ПФ2
Uизм
U`оп
74 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6
метра Ф, где i = 1…10. Время измерения фазометра выбрано равным 1 сек, погрешность измерения в
заданном частотном диапазоне не превышает 0,1 град. Кроме того, после каждого измерения ϕi КП
возвращается в нулевое положение и по фазометру уточняется значение ϕ0. По показаниям фазометра
в каждой i-ой точке определяется значение перемещения по формуле 360i iL ϕ λΔ = Δ ⋅ , где ∆ϕi=
=ϕi–ϕ0. Эквивалентная длина волны λ рассчитывается по формуле 2 мc fλ = , где уточненные зна-
чения с = 2,997027ּ108 м/с и fм=99,9946 МГц. Погрешность измерения перемещения определяется
выражением ИЛLi iL Lδ = Δ − Δ , где ∆LИЛ – перемещение, установленное по шкале измерительной ли-
нии ИЛ.
Измеренные значения фазовых сдвигов ϕ0 и ϕi, а также установленные значения ∆LИЛ и вы-
численные значения ∆Li и δL представлены в табл. 1.
Таблица 1
∆LИЛ, мм 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
ϕi, град 72,05 74,40 76,61 78,99 81,10 83,58 86,16 88,43 90,92 93,28
ϕ0, град 69,64 69,68 69,40 69,50 69,27 69,28 69,24 69,34 69,18 69,07
∆ϕi, град 2,41 4,72 7,21 9,49 11,83 14,3 16,92 19,09 21,74 24,21
∆Li, мм 10,03 19,65 30,01 39,5 49,24 59,52 70,43 79,46 90,49 100,77
δLi, мм 0,03 -0,35 0,01 -0,5 -0,76 -0,48 0,43 -0,54 0,49 0,77
На основании вычисленных значений δLi, представленных в табл. 1, находится среднее квад-
ратическое значение (СКЗ) погрешности измерения перемещения по формуле
10
2
1
( ) 10L Li
i
δ δ
=
= ∑ = 0,5 мм. (7)
С целью оценки потенциальной точности рассмотренного дальномера при измерении рас-
стояния с отражателем по описанной выше методике проведены аналогичные экспериментальные
исследования. В этом случае в качестве отражателя использовался катафот, контролируемая поверх-
ность КП (рис. 2) перемещалась в диапазоне длин 0…150 мм через каждые 10 мм, а значение 0ϕ бы-
ло измерено один раз в самом начале и составило 15,45 град. Измеренные значения ϕi и вычисленные
значения ∆ϕi, ∆Li и δLi приведены в табл. 2. По результатам этих данных, в соответствии с (7) найдено
СКЗ погрешности измерения перемещений при работе дальномера с отражателем 0,16Lδ = мм.
Таблица 2
∆LИЛ,
мм 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
ϕi, град 17,86 20,26 22,59 25,03 27,44 29,83 32,22 34,61 37,01 39,44 41,83 44,3 46,67 49,07 51,53
∆ϕi,
град 2,41 4,81 7,14 9,58 11,99 14,38 16,77 19,16 21,56 23,99 26,38 28,85 31,22 33,62 36,08
∆Li, мм 10,03 20,02 30,28 40,12 50,1 60,14 70,2 80,25 90,25 100,14 110,2 119,99 130,05 140,06 149,82
δLi, мм 0,03 0,02 0,28 0,12 0,1 0,14 0,2 0,25 0,25 0,14 0,2 -0,01 0,05 0,06 -0,18
При использовании в схеме установки (рис. 2) оптимального фазоизмерительного устройства,
реализующего алгоритм преобразования Гильберта [5], СКЗ погрешности измерения может быть
уменьшено до 0,2…0,3 мм при времени измерения 0,1 с, а с отражателем – до 0,1 мм.
Известны современные образцы лазерных дальномеров для измерения небольших расстоя-
ний, например, фирмы LEICA [7, 8] (Leica Disto D410, Leica Disto S910), у которых погрешность из-
мерения расстояния составляет ± 1 мм. При этом, к сожалению, в технических характеристиках на
эти приборы не указано время одного измерения. По нашим предположениям, оно составляет, как
минимум, несколько секунд. Это обстоятельство может ограничивать применение известных дально-
меров, например, для измерения вибраций объектов.
Выводы. Проведенный светоэнергетический расчет фотоприемного устройства позволяет оп-
ределить амплитудное значение сигнала на его выходе, а также оценить суммарные шумы. При ис-
пользовании ФПУ в составе фазового лазерного дальномера СКЗ погрешность измерения линейных
перемещений объекта с диффузно-отражающей поверхностью на ближних дистанциях не превышает
0,5 мм. Это подтверждают результаты аналитических расчетов и экспериментальных исследований.
1. Гауэр Дж. Оптические системы связи. – М.: Радио и связь, 1989. – 504 с.
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 6 75
2. Зайцев Е.А., Кононенко А.Г., Масюренко Ю.А., Ниженский А.Д. Лазерный волоконно-оптический из-
меритель зазоров в гидрогенераторах // Технічна електродинаміка. – 2008. – № 2. – С. 51–58.
3. Михеечев В.С. Геодезические светодальномеры. – М.: Недра, 1979. – 222 с.
4. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. – М.: Машиностроение, 1989. – 360 с.
5. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. – М.: Радио и связь, 1993. – 184 с.
6. Patent EP 1006591 A2, IPC H 01 L 31/02; H 01 L 31/107; H 03 F 1/30; H 03 F 3/08; H 04 B 10/04. Circuit,
method and record medium for applying DC bias voltage to avalanche photodiode / Sunil, Priyadashi Minato-ku (JP);
NEC Corporation Tokyo (JP). – № 99123214.1; date of filing: 25.11.99; date of publication: 07.06.2000, Bulletin
2000/23.
7. http://lasers.leica-geosystems.com/disto/d410
8. http://lasers.leica-geosystems.com/disto/s910
УДК621.317
ДОСЛІДЖЕННЯ ВИСОКОЧУТЛИВОГО ФОТОПРИЙМАЛЬНОГО ПРИСТРОЮ НА ОСНОВІ
ЛАВИННОГО ФОТОДІОДА ДЛЯ ОПТОЕЛЕКТРОННИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ
І.О. Брагинець, О.Г. Кононенко, Ю.О. Масюренко
Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ-57, 03680, Україна, e-mail: masjuriy@ied.org.ua
Розглянуто вимоги до фотоприймальних пристроїв (ФПУ) оптичних систем на базі лазерних далекомірів для ви-
мірювання лінійних переміщень дифузно-відбиваючих об'єктів. Досліджено схему ФПУ на основі лавинного фото-
діода, проведено його світлоенергетичний розрахунок. Аналітичним і експериментальним шляхами визначено
відношення сигнал-шум на виході ФПУ, а також оцінено потенційну точність вимірювання лінійних переміщень.
Застосування отриманих результатів дасть можливість підвищити точність безконтактного вимірювання
переміщень і вібрацій дифузно-відбиваючих об'єктів на невеликих базових відстанях. Бібл. 8, табл. 2, рис. 4.
Ключові слова: дифузно-відбиваюча поверхня, лавинний фотодіод, відношення сигнал-шум, фазовий далеко-
мір, переміщення, точність.
INVESTIGATION HIGH SENSITIVE PHOTO DETECTOR DEVICE BASED ON THE
AVALANCHE PHOTODIODE FOR OPTOELECTRONIC MEASURING SYSTEMS
I.O. Bragynets, O.G. Kononenko, Yu.О. Masjurenko
Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
pr. Peremohy, 56, Kyiv-57, 03680, Ukraine. e-mail: masjuriy@ied.org.ua
The authors have considered requirements to photo receiving devices (PhRD) of optical systems on the laser range-
finder basis for measurement of the linear displacements of the diffuse reflecting objects. They investigated the scheme
of PhRD on the avalanche photo diode basis and carried out light and energetic calculation. They determined of a sig-
nal to noise relation at the exit of PhRD by analytical and the experimental way and also estimated potential measure-
ment accuracy of the linear displacements. Application of the received results will give the chance to increase accuracy
of non-contact measurement of movements and vibrations of the diffuse reflecting objects at small basic distances. Ref-
erences 8, tables 2, figures 4.
Key words: diffuse reflecting surface, avalanche photo diode, signal to noise relation, phasе rangefinder, displacement,
accuracy.
1. Gowar J. Optical communications systems. – Moskva: Radio i sviaz, 1989. – 504 p. (Rus)
2. Zaitsev E.A., Kononenko A.G., Masjurenko Yu.A., Nizhenskii A.D. Laser fiber optic measurer of hydrogenerators
clearances // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2008. – No 2. – Pp. 51-58. (Rus)
3. Mikheechev V.S. Ladn-surveying optical rangerfinders. – Moskva: Nedra, 1979. – 222 p. (Rus)
4. Yakushenkov Yu.G. Theory and calculation of optoelectronic devices. – Mоskva: Mashinostroenie, 1989. – 360 p. (Rus)
5. Chmykh M.K. Digital phase meter. – Mоskva: Radio i sviaz, 1993. – 184 p. (Rus)
6. Patent EP 1006591 A2, IPC H 01 L 31/02; H 01 L 31/107; H 03 F 1/30; H 03 F 3/08; H 04 B 10/04. Circuit, method and
record medium for applying DC bias voltage to avalanche photodiode / Sunil, Priyadashi Minato-ku (JP); NEC Corporation Tokyo
(JP). – № 99123214.1; date of filing 25.11.99; date of publication 07.06.2000, Bulletin 2000/23.
7. http://lasers.leica-geosystems.com/disto/d410
8. http://lasers.leica-geosystems.com/disto/s910
Надійшла 16.05.2016
Остаточний варіант 21.06.2016
|
| id | techned_org_ua-article-869 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:13:40Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/20/8e27ba72721afce5b21afca30f88ef20.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-8692022-12-23T21:43:43Z INVESTIGATION HIGH SENSITIVE PHOTO DETECTOR DEVICE BASED ON THE AVALANCHE PHOTODIODE FOR OPTOELECTRONIC MEASURING SYSTEMS ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Брагинец, И.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. diffuse reflecting surface avalanche photo diode signal to noise relation phasе rangefinder displacement accuracy диффузно-отражающая поверхность лавинный фотодиод отношение сигнал-шум фазовый дальномер перемещение точность The authors have considered requirements to photo receiving devices (PhRD) of optical systems on the laser rangefinder basis for measurement of the linear displacements of the diffuse reflecting objects. They investigated the scheme of PhRD on the avalanche photo diode basis and carried out light and energetic calculation. They determined of a signal to noise relation at the exit of PhRD by analytical and the experimental way and also estimated potential measurement accuracy of the linear displacements. Application of the received results will give the chance to increase accuracy of non-contact measurement of movements and vibrations of the diffuse reflecting objects at small basic distances. References 8, tables 2, figures 4. Рассмотрены требования к фотоприемным устройствам (ФПУ) оптических систем на базе лазерных дальномеров для измерения линейных перемещений диффузно-отражающих объектов. Исследована схема ФПУ на основе лавинного фотодиода, проведен его светоэнергетический расчет. Аналитическим и экспериментальным путями определено отношение сигнал–шум на выходе ФПУ, а также оценена потенциальная точность измерения линейных перемещений. Применение полученных результатов даст возможность повысить точность бесконтактного измерения перемещений и вибраций диффузно-отражающих объектов на небольших базовых расстояниях. Библ. 8, табл. 2, рис. 4. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2016-10-06 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/869 10.15407/techned2016.06.069 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 6 (2016): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 069 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 6 (2016): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 069 2218-1903 1607-7970 10.15407/techned2016.06 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/869/746 Авторське право (c) 2022 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | диффузно-отражающая поверхность лавинный фотодиод отношение сигнал-шум фазовый дальномер перемещение точность Брагинец, И.А. Кононенко, А.Г. Масюренко, Ю.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ |
| title | ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ |
| title_alt | INVESTIGATION HIGH SENSITIVE PHOTO DETECTOR DEVICE BASED ON THE AVALANCHE PHOTODIODE FOR OPTOELECTRONIC MEASURING SYSTEMS |
| title_full | ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ |
| title_fullStr | ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ |
| title_full_unstemmed | ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ |
| title_short | ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ФОТОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ |
| title_sort | исследование высокочувствительного фотоприемного устройства на основе лавинного фотодиода для оптоэлектронных измерительных систем |
| topic | диффузно-отражающая поверхность лавинный фотодиод отношение сигнал-шум фазовый дальномер перемещение точность |
| topic_facet | diffuse reflecting surface avalanche photo diode signal to noise relation phasе rangefinder displacement accuracy диффузно-отражающая поверхность лавинный фотодиод отношение сигнал-шум фазовый дальномер перемещение точность |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/869 |
| work_keys_str_mv | AT braginecia investigationhighsensitivephotodetectordevicebasedontheavalanchephotodiodeforoptoelectronicmeasuringsystems AT kononenkoag investigationhighsensitivephotodetectordevicebasedontheavalanchephotodiodeforoptoelectronicmeasuringsystems AT masûrenkoûa investigationhighsensitivephotodetectordevicebasedontheavalanchephotodiodeforoptoelectronicmeasuringsystems AT braginecia issledovanievysokočuvstvitelʹnogofotopriemnogoustrojstvanaosnovelavinnogofotodiodadlâoptoélektronnyhizmeritelʹnyhsistem AT kononenkoag issledovanievysokočuvstvitelʹnogofotopriemnogoustrojstvanaosnovelavinnogofotodiodadlâoptoélektronnyhizmeritelʹnyhsistem AT masûrenkoûa issledovanievysokočuvstvitelʹnogofotopriemnogoustrojstvanaosnovelavinnogofotodiodadlâoptoélektronnyhizmeritelʹnyhsistem |