（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式的激光位移检测系统研究.pdf

摘要 当前检测技术正向高精度、高效率、小型化和智能化方向发展。距离的非接 触测量则是检测技术研究的重要内容之一。本文所提出的这项具有现实意义的检 测技术是采用光三角测量技术来研究位移测量，它与电子学、计算机技术相结合 构成了具有实际应用价值的自动检测系统。文中详细论述了系统的检测原理与方 法。 本论文在常用非接触测距方法研究基础上，采用光学三角法和p s d ( p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 的测量原理开发了嵌入式的激光位移检测系统：深入分析了 本检测系统的工作原理和p s d 的输出信号处理电路；并通过实验详细探讨了本 检测系统误差产生的原因。 本文叙述了该检测仪的组成部分：基于光三角原理的激光测头，单片机控制 系统和计算机进行数据处理和拟合，并对其进行了形位误差分析。 通过实验对检测系统的精度和可行性进行了验证，实验结果表明，本检测系 统利用了光三角检测技术，实现了对空间位置的测量，其误差可达o 0 0 5 r a m 。 关键词；位置敏感探测器( p s d ) 嵌入式的位移检测光电非接触测量光学三角法 信号处理电路 a b s t r c t a tp r e s e n t , i t l s p e c 6 0 nt e c h n o l o g yi sm o v i n gt oh i 曲p r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c y a n dm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z a t i o n t h en o n - c o n t o r td i s t a n c ef i n d i n gi so n eo ft h e i m p o r t a n tr e s e a c r h i n gt a s k so ft e s t i n ga n di n s p e c t i o nt e c h n o l o g y i nt h i st e x ta n i n s p e c t i n gt e c h n i q u ef o rh a v i n gr e a l i s t i cm e a n i n ga d o p tt h el a s e rp h o t o - t r i a n g u l a t i o n c o m b i n et o g e t h e rp h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s d u c e rt e c h n i q u et o s t u d yt h ed i s t a n c e ，i t c o m b i n e st o g e t h e rw i t he l e c t r o n i c s ，c a l c u l a t o rt e c h n i q u ea n dc 孤c o n s f i m t ea n a u t o m a t i ce x a m i n a t i o ns y s t e mt oh a v et h ea c t u a la p p l i e dw o r t h t h ei n s p e c t i n g p r i n c i p l ea n dm e t h o d sa l ed e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e b a s e do nt h es u r v e yo ft h en o n - c o n t a c ti n s p e c t i n gm e t h o d , t h er e s e a r c ho na i n s p e c t i n gs y s t e mo fe m b e d d e dl a s e rd i s p l a c e m e n t , i t sd e v e l o p m e n tt r e n d ，p r e s e n t d i s s e r t a t i o nd e v e l o p e dad i s t a n c ei n s p e c t i n gs y s t e mo nt h eb a s eo f t h ec o m p r e h e n s i v e k n o w l e d g eo fo p t i c a lt r i a n g l em e t h o da n dp s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) s o p e r a t i n gp r i n c i p l e ；t h ei n s p e c t i n g p r i n c i p l e a n dt h e s i n g a lp r o c e s s i n g e l e c t r o c i r c u i to ft h ep s d so u t p u ts i g n a la r et h r o u g h l ys t u d i e d ；a tl a s tt h er e a s o n sf o r c a u s i n ge t r o ra b o u tt h ep e r s e n ts y s t e ma l ea n a l y s e dw i t he x p e r i m e n ti nd e t a i l s t h i st e x td e s c r i b e dt h ea p p a r a t u sc o n s t i t u e n tp a r t ：a c c o r d i n gt ot h el a s e ri n s p e c t e d h e a do fp h o t o t r i a n g u l a t i o np r i n c i p l e ，t h es i n g l ec h i pc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e ma n d d a t ap r o c e s s i n ga n di m i t a t e t h ew i t hc o m p u t e r ，a n da n a l y s ei t sf o r ma n dp o s i t i o ne r r o r m e a s u r e m e n t t h ea c c u r a c yo fi n s p e c t i n gs y s t e mi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt e x tm a k eu s eo f t h ep h o t o t r i a n g u l a t i o nt e c h n i q u e ，a n dr e a l i z e t ot h ei n s p e c to f t h es p a c ep o s i t i o n 。i t se r r o n c o h sc a na t t a i no 0 0 5 m m k e w y o r d s ：p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ( p s d )e m b e d d e dd i s t a n c e i n s p e c t i n g n o n c o n t a c ti n s p e c t i o n o p t i c a lt r i a n g l em e t h o ds i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t 2 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，嵌入式的激光位移检测系统研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 ， 作者签名：盘冀丛竺揖上月兰日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 j 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：盔重塑塑年月上日 指导导师签名：! 韭! 垒坐窆年三月三日 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理和技术的提高，光电检测技 术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已经成为现代信息科学的一 个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽和信 息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出的特点，发展十分迅速并推动 着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农 业、家庭、医学、军事和空l b j 科学等领域。在这些应用领域中，几乎都涉及到将光辐 射信息转换为电信息检测问题，展现出了独特的优势。光电检测技术是光电技术的核 心，已成为信息技术中最活跃的高新技术之一。 自2 0 世纪6 0 年代激光器诞生以来，光电检测技术在理论及应用方面都取得了巨 大的进展，光电检测技术与微电子技术相互结合，相互交叉、相互渗透，形成了光电 检测信息技术。通信中使用了光纤技术，促进了光技术的发展；激光器的发明使光波 的调制与解调成为可能，进而使电子检测技术的各种基本知识，如放大与振荡、调制 与解调等概念几乎都移植到了光频段。电子学与光子学之i 日j 的鸿沟在概念上讵在逐渐 消失，进而产生了光频段的光电检测技术。这一先进技术使人类能更有效地扩展自身 的视觉能力，使视觉的长波延伸到亚毫米波，短波延伸到紫外、x 射线，并可在超快 速条件下检测诸如核反应、航空器发射等变化过程。光电检测技术是一个具有非常光 明发展前途的宽广领域，已经渗透了许多科学领域。 光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测 物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等 检测电路提取有用信息，再经模数转换接口输入计算机运算处理，最后显示输出所需 要的检测物理量等参数。 本文是基于嵌入式的激光位移检测系统，核心是嵌入式微控制器。嵌入式微控制 器义称单片机，它足将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器般以某 种微处理器为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时 计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输：l 、a d 、d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 臀栉种必要功能和外设。为适应不同的应川需求， 般个系列的单片机j 彳丁多种行j 乍j 一。5 ，每种衍，! 产一门处理器内核都足。样的，f i | i i ：j 的足存储器丽l 外改的配7 4 - 及封 装。这样“，以使f 1 - ”机戤人毗嫂地和应j f j 需求十u e 眦，j 力能4 i 多小少，从i m 减少功耗 _ i 成术。 本文以激光) 匕i f n 测艟原理为j 占础，综合_ f 激光、j 匕。、 衔机械、t u ，产、光 l i i7 蹙拽f 膳押i 计1 7 机7 ，彩。；jf ： 技术，激光f 0 侈 各测系统i 婴1 1jj j | i 川j f 4 、炎每什，、j 高度、宽度、圆度、长度、位置、距离、位移和某些行为误差等参数检测，这种检测 系统具有高速度、高精度、非接触在线测量特点，既可作为独立的激光几何尺寸测量 仪使用，也可作为一种通用的激光测头与其他不同机构或系统组成具有多功能的测量 仪器使用，实现对零件的多部位、多尺寸或形位误差等参数的自动测量。 1 2 本课题来源与研究目的及意义 1 2 1 课题来源 本课题来自激光位移检测技术及系统的产品开发。 1 2 2 研究目的及意义 本文的研究目的是采用小型微机系统对激光位移检测系统进行设计，降低成本， 使其更具有实际应用价值。 先进制造技术的内涵，主要体现在“加工技术和检测技术”两方面。目前，我国 各企业生产单位的“检测技术”非常落后，尤其是适于生产环境下的零件检测多数还 停留在传统的通用量检具上，采用接触式方式进行测量，对于形状复杂的位移测试更 是无法解决，严重影响了产品的质量和性能，为此必须采用激光新技术研究能解决工 业生产，尤其是国防工业生产中复杂形状零件检测的理论和技术，以适应现代生产发 展的需要。本文所提出的这项具有现实意义的检测技术是采用半导体激光技术与激光 扫描和光三角测量相结合的光电传感技术来研究位移检测理论，此项理论的应用将形 成一种在线非接触检测技术，它与电子学、计算机技术相结合构成具有实际应用价值 的自动检测系统。必将对工业的发展起到推动作用。 随着科学技术的发展，具有非接触、高速度、高精度，便于数字化，易于和计算 机相结合，易于自动化，适于在线检测等特点的激光位移检测技术在自动检测、机器 人视觉、实物仿形、医学诊断、计算机辅助设计计算机辅助制造等领域必将得到广泛 的应用。能够适应现代化生产的需要，具有广阔的应用i j i 景。 1 。3 激光位移光三角检测技术的发展研究 目前，国内外的光电尺寸检测主要还是采用扫描法、光栅法、光三角法和成像法 等方法。位移尺寸一般采用光三角检测技术来完成。由于其高速、高精度、非接触等 检测特点，应用到加工行业及生产、科研部门，其测量方法和手段已成为加工、生产 部门的行业标准，并形成了一个新兴的高科技产业。随着加工技术的发展和现代化生 产节拍要求，对检测技术又有许多新的要求，其表现在：第一，检测速度要求不断提 2 高。从尺寸与位移检测要求上，在满足静态、动态检测基础上，已提出了快速变形、 瞬变量的检测需求：第二，尺寸检测精度要求不断提高。由于人类研究领域不断扩大 和加工设备不断的发展，零件加工精度不断提高，一些微小的形变量、尺寸及形位误 差都提出了检测要求；第三，检测仪器向小型化、工程化及多功能化发展。随着生产 条件，并能有多种自主检测设备与专用检测设备并存。 1 3 1 国外研究进展与现状 日本的k e y e n c e 公司采用准直激光照射到较粗糙表面的漫反射方式，入射光垂直 于被测量表面在一定角度方向进行接收的测量方法，用p s d 作为光电传感器件，研制 出l c 系列超高精度激光位移计，用于宽度、高度、厚度和三维空间轮廓测量。1 ；采用 激光扫描检测技术、线阵c c d 器件、d s p 技术和计算机技术研制了v g 系列c c d 激 光微测计分别可对被测对象的位移与外尺寸进行高速度、高精度、非接触测量，其测 量精度达到了微米级，测量速度每秒达5 0 0 次以上；国外有文献报道，利用1 4 种不同 的光电检测技术，解决了4 0 余项检测问题。日本的k e y e n c e 公司生产“v g ”系列 “c c d 激光微测计”，用于外径、问隙及边缘的测量，“l k 、l c ”系列“位移计”，采 用c c d 和p s d 作为光电传感器件实现位移、厚度、高度、跳动等参数的测量。美国 特斯( t s i ) 公司，生产的测试仪器与传感器，其h o l i x 直径检测仪表，已用于金属 线材、光纤、光缆、电缆和管材的直径在线监测。 1 3 2 国内研究进展与现状 迄今为止，一批新研制的光电尺寸检测仪器已进入了实用阶段，其中有相当数量 的产品已达到了国际先进水平。北京理工大学和北京机械工业大学采用激光准直技术 与c c d 传感器，研制了二维几何尺寸的光电非接触测量方法。1 ，前者针对二维位相板 衍射图像的特点，提出了种处理衍射图像处理新方法正交投影法。后者采用r o b e r t 边缘检测算子处理后的图像给出一种二维尺寸的平均数据处理方法，此法有效的消除 了拾取边界点带来的误差；天津师范大学设计了基于f r a u n h o f c r 衍射和b a b i n e t 原理实 现细丝直径非接触测量方法“3 ，其测量精度达0 1 1 m ：天津大学采用线阵c c d 拼接技 术实现材料拉伸过程中的变形量非接触测量，此测量方法比常规引伸计更客观，其测 量精度达到1 m ，测量范围为8 0 r a m ；东北大学研制了位移检测系统配合精密轴系回 转机构。1 ，实现了大型工件圆度、轴线直线度、径向全跳动及径向圆跳动和端面圆度跳 动等误差测量；长春理工大学采用激光扫描检测技术研制了系列激光扫描检测系统”， 其测量范围从f 0 5 m m f 3 1 8 m m ，采样速度每秒1 0 0 8 0 0 次，测量精度达微米级。研 制了通用激光测量仪用于位移量、厚度及跳动量的测量，重复性精度达1 m ，测量范 围在_ + 2 r a m + _ 5 m m 。并利用上述系统与精密机械及伺服控制系统配合，设计了多种综合 3 光电检测仪器，用于复杂零件的多部位尺寸与形位误差的测量。如西安交通大学研制 的基于p s d 的微轮廓测量仪”1 ，用于微小位移量的测量，其精度可达微米级；武汉工 业大学研制的光纤位移传感器，提出了一种通过时间来测量位移方法和原理，试验证 明此类传感器精度高、稳定性好，重复性和长期性能好，非常适用于位移量的在线监 测；武汉汽车工业大学研制了基于锥镜的非接触光学位移测量系统嘲，可用于精密表面 和超精密表厩的位移测量。其特点是量程大，分辨率高( 最小可至0 1 t i m ) ，该方法可 允许被测表面有小角度的倾斜，且不受被测表面之间的孔径光阑的影响；北京理工大 学利用线阵c c d 根据边缘检测法和中心检测法研制了位移测量系统“”，根据不同的测 量精度要求进行位移测量；清华大学采用新型激光光纤传感器实现复杂轮廓表面的非 接触数字化检测方法“，并通过测量几何模型反求技术进行了航空航天用m j 螺纹表面 数字化及三维重构；在此基础上研究一种可达到高精度的在线检测理论。以激光扫描 检测技术、激光三角检测技术、自动控制技术、精密机械和计算机技术研究开发的多 种尺寸、形状和形位误差测量的综合测量机及专用设备，已在机械制造、电线电缆、 石英管、航天材料、国防等多个生产和研究部门进行了有效的应用。随着科学技术的 进一步发展，更高性能的光电检测仪器必将取代传统的检测手段而成为我国检测仪器 的主要发展趋势。 1 4 主要研究的内容和研究方法 1 4 1 主要研究的内容 根据非回转体类零件的结构特点，研制嵌入式激光位移检测系统，主要研究内容 如下： ( 1 ) 根据光三角测量系统的工作原理，建立本检测的数学模型； ( 2 ) 探讨光电尺寸的激光非接触测量方法； ( 3 ) 位移检测计算机控制与数据处理软、硬件设计； ( 4 ) 检测系统测量误差分析，对影响系统的误差来源进行讨论，提出改善检测精 度的方法。 1 4 2 主要研究的方法 根据被测工件的高度、宽度、长度、位移等参数和测量仪器的工程化、实用化的 要求，在分析被测量参数特点及精度指标基础上，提出测量原理与方法。根据测量原 理完成各单元系统，形成用于嵌入式激光位移检测系统。 在研究的过程中，通过实验对仪器的技术指标进行验证，并对实验的结果与零件 标定值进行比较，对影响测量结果的因素进行分析，找出误差原因，并对整体系统的 电子学设计部分进行反复实验，最后完成相关的调试。 4 1 4 3 主要技术指标 工作距离：5 8 m m 测量范围：士2 m m 精度：o 0 0 5 m m 5 第二章总体设计方案 这一章主要介绍了嵌入式的激光位移检测系统的总体框架，以及几个主要组成部 分的设计及实现。同时也介绍了主要需要解决的问题。 2 1 总体设计思想 对于非回转体类零件，由于其形状不规则，要对高度、宽度、长度、位移和某些 形位误差等参数检测，这种检测系统要具有高速、高精度、非接触在线测量的特点。 故激光位移检测系统提出了集光、机、电、算于一体化的综合检测技术来解决这个问 题。本文将激光位移光三角检测系统安装在精密机械主机系统上，由计算机和单片机 系统进行多级控制，对非回转体类零件的各个参数进行测量，经单片机和计算机控制 系统实现测量数据实时处理、测量结果数字图形显示、打印输出及存储。从嵌入式方 面来实现激光位移检测系统的小型化，智能化设计。 根据对于非回转体类零件，由于其形状不规则，针对检测存在的问题，本系统的 总体设计思想是： ( 1 ) 在该系统设计时，应对系统稳定性和可靠性进行考虑，使其能在生产现场环 境中实际应用，以不受现场各种干扰的影响。 ( 2 ) 主要解决比较困难的对箱体类零件的形状、位移、高度等参数的激光非接触 检测问题。 ( 3 ) 检测系统的精度要高，重复性要好，操作要方便。 ( 4 ) 考虑检测系统的通用性。即通过简译的改造或增加辅助机构就可用于同类和 类似工件的检测。 2 2 总体结构布局和系统的组成 2 2 1 总体结构布局 在总体设计时主要考虑了以下几点： ( 1 ) 本项技术为不同尺寸、不砌形状，尤其是复杂形状的非酮转体类零件各个参 数的j f ：接触测髓提供了榆测理论和疗法。 大l 此，本测爷方法具有一定的通用性。 ( 2 ) 本文卜要从嵌入式方面使测f 孟办i ：最人的发挥光 u 榆测坎术的先进性，使得 测h 办法巫合用! 、测 t 下段蜓先进、洲：毒纪粜l 卫叫。信。 本测 i 系统总体纠i 构确j 。6 如俐2 1 行1 i ： 作架 幽2 1 测谴机的总体结构示意 p c 机 厂_ t 一j i j 。 i i 控制耩li f1 f 一 ；- 幽 测量系统是采用了微位移滑动机构，其主要由精密螺旋机构、丝杠、楔形滑块导 轨等部分组成。测量系统的工作过程为：滚动丝杠带动的工作台进行直线运动( 即带 动工件运动) ，并反馈给计算机系统，计算机根据预置位置控制工作台到达指定位胃， 然后控制激光位移检测系统进行检测，所得数据存入计算机存储单元中。计算机根据 测得的数据进行数据处理，并将结果显示出来。这种测麓形式结构简单、紧凑，精度 高，集成性好，且采用了软件处理数据，增加了灵活性，只要改动内置软件及少量外 部装置，就可以完成其它测量功能，且整体采用了模块化的设计结构，易于维修和更 换，是一种先进的光电测蹙仪器。 2 2 2 系统的组成 根据非回转体类零件的形状各个参数、重量，被测点多，检测困难等特点和各测 量参数的检测要求。本系统主要由以下几个大部分组成： ( 1 ) 嵌入式的激光位移检测系统硬件设计 设计嵌入式的激光位移检测系统的硬件组成，在p s d 信号处理的基本电路的研究 基础上，设计p s d 信号处理电路”“。以及光电转换，a d 转换，显示等电路。 ( 2 ) 嵌入式的激光位移枪测系统软件设计 以k e i i # v i s i o n 3 作为丌发环境设计了测趴系统的软1 ，i ：。系统软件t 要实现系统午，j ： 定，数掘采集、显j 和居本数抓处理等工作。 ( 3 ) 嵌入武的激光位移榆测系统实验和淡篪分析 介2 “实验系统的组成羁i 环境。结合软艘仆的分析 眨系列实验研了c 。在实验数 捌分目i f nj 占 ：，探i f 影1 1 _ 系统删：i 精度的i 叫案 第三章位移检测原理研究 本文的位移检测系统主要采用光学三角法测量“”。光学三角法测量在光学测量技 术中具有重要的地位，常被应用于机器人视觉传感或三维坐标测量系统“”。在传统的 触觉式“机械”坐标测量技术越来越受到应用局限的今天，光学三角法测量技术提供 了一种简单实用的非接触式位置测量方法，该技术可对距离、位移、厚度、二维坐标、 三维坐标、几何体轮廓、振动、物体运动速度及加速度等参量进行非接触式测量”， 应用领域广泛。该方法是对被测物表面照射光，并用光电位置检测元件接收其散射光， 根据接收光的位置求出被测物的位置“。 该方法具有以下一些优点：与被测物只有很小的光点接触，因而对被测物无干扰， 且由于光点可以d , n1 0 0 u m 左右，因而可对轮廓，振动等进行很好的测量”“；适应面 广，由于是利用被测物表面漫反射光进行测量，除透明体及镜面外，只要能产生漫反 射的被测面皆可被精确测量“3 1 ；测量范围宽、分辨率高，随着测量范围从1 毫米到几 个厘米；测量分辨率可从零点几个微米到几十个微米；测量频率高，可达几千赫兹， 能满足在线测量的需要1 。此外还有重复性好、抗干扰能力强、体积小、安装方便等 优点。 3 1 光三角工作原理 测景系统的工作原理如图3 1 所示。半导体激光器1 发出的激光光束经反射镜2 、 辅助透镜3 和发射光学系统4 聚焦后，在被测工件5 的表面( 即目标面) 上形成一个 尺寸足够小的光点，目标面上的漫反射光经成像光学系统6 后，在p s d 上形成一个相 应的像点。当目标面变化时，p s d 上的像点也随之变化，根掘p s d 上的像点位置，就 可以得到位移尺寸h 。 ! c 车i3 1 九。珀删带系统if 1 】! j t p t ，h 衰。、 3 t 1 位置尺寸与光学系统参数之间的关系 设在某种情况下，入射光和接收光的光学系统的光轴与基准面法线央角分别为o 和a ，接收光学系统的垂轴放大率为f 。如图3 2 所示，系统6 是按基准面和p s d 像面 的物像共轭关系就不存在，即目标面上点就不可能成像在p s d 像面上，从而产尘较大 的测量误差。为使不同位置尺寸的目标面能在p s d 上精确成像，必须使p s d 与光轴成 一定角度b 。根据光学成像原理和光学符号规则“，即物点与像点的位置坐标与物方与 像方主点为原点算起，从左到右为正，反之为负：物高或像高在光轴上方为讵，下方 为负。 7 、 八m 娜崖豸j 厂 热 c 斌、叫羔一 - f = f 1 ： i ! e | 3 2 光二角成像光学系统成像原理图 可得击+ 专号 f 1 一f 由图3 2 可知，- a d ：一呈些，即 a do d 一砑s i n 卢聒+ 砑c o s f l 盎s i 巾删小芝万c o s 删 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 令c 么；s 带入式( 3 3 ) 并整理，得 h ； 些也笪! ! ! 皇 ，is i n ( a + 口j + s s i n ( a + 一+ 卢) ( 3 4 ) j t 一hn 分别为 收光。系统6 的物硼! 干【l 像距；s 为i | 钿；仃p s d 嗷! ：錾f ：j 戊像 的像，i f 节钟。l l i j ：改付l 根引0 、a 、一、1 ( ，、1 0 ? 、b 确定】光学系统的牛对天系。 j r 3 4 ) 川，戕拱，：sj f f ? k h ， 3 1 2p s d 上像点位置s 的确定 s 的探测原理是利用p s d 器件的横向光电效应来实现的。当一束光照射到p s d 的 有效敏感面上时，两个电极上就有不同的电信号输出，其差值是s 坐标的函数，p s d 的等效电路模型如图3 3 所示汹1 。 i 墼l3 3p s d 的等效电路模型 取两极中问位置为原点o ，则s 可确定为 s ；丝堡垫! ：墨 n + ，2 2 r 式中，l 为p s d 有效敏感面长度；r 为p s d 的总电阻； p s d 两极输出的光电流，若取r l = 0 ，则式( 3 5 ) 化为 s ；业兰 + j 2 2 3 1 3p s d 与光轴的夹角关系 ( 3 5 ) r l 为负载电阻；i l 、1 2 为 ( 3 6 ) 若接收光学系统6 的角放大率为1 ，则由图3 2 和角放大率公式可知 。：坐壁：二生二：三 t a n ( a + 口)f 7 妒 a l l 卢一半i a 咖卯) 上式说明，p s d1 j ) 匕轴的央角8 与0 、 殊情况如图3 4 所示，脱讨沦如卜”“： ( 3 7 ) a 、l o 和焦距f ，有关。在设计中还乍r 儿种特 i 一 一 一 、队 激光 “一8 j l、 t - - 一0 一 ：j f f ：f l a ? ，il ，p 。 ( b ) 广。 激光 p 一 ，一_ z 7 * 、i i “一。、j 一“1 争一一二7 幽3 4 光二角原理二种特殊测草情况 ( 1 ) 0 = 0 ，a 0 时，即激光光束垂直入射，接收光学系统6 斜反射接收的情况， 如图3 4 ( a ) 所示。此时式( 3 2 ) 和式( 3 5 ) 化为 何： 翌! 塑生 ( 3 8 ) s i n 口+ s s i n ( 口+ 卢) t a n 卢。生垡t a n 口 ( 3 9 ) 1 j ( 2 ) 当a = 0 ，o 知时，即激光光束斜入射，接收光学系统6 垂直反射接收的情况， 如图3 4 ( b ) 所示。此时式( 3 2 ) 和式( 3 5 ) 化为 h ： 坠墅壁! ! ! 旦 ( 3 1 0 ) “s i n 0 + s s i n ( 0 + 卢) t a n 肛竽佃p ( 3 1 1 ) ( 3 ) 当a = e = o o 时，即激光光束入射与接收光学系统6 接收为镜面反射的情况， 即符合反射定律。如图3 4 ( c ) 所示。此时式( 3 2 ) 和式( 3 5 ) 化为 何： 型! 墅! 壁! ! ! 鱼 s i n 2 0 0 + s s i n ( 2 0 0 + ) t a n 肛孚t a 喊 ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) t hl - 断的分析可知，测又r 分为“射和斜射式两类。商射式测头接受器什接受 的足激射及漫反射光，川j ：嵌相i 秘度f i k 尚的被! 物：i 酊斜射接受的i i 嗄足i l i 反射 光，川j ：农i f t i 十l l 褴度近似j 二镜i f l l 的做测物 蟛i ，i 。i i ij ：r f 射0 2 ：i 口t j 4 1 i 【l ) 匕j 4 幺，卜 f l l 见沦琊利测三l 矧；足采川光学i 加法测：症 光曲j 珥：| t ，f i 会l f f 感器j 傲删物体太 小i f m 扩人光照i f i fl ：f l q ，；0 所，肘j 。傲渊较槲秘处j ：振动年i i 倾斜f 二j t 的物体，受 芍 干扰引起的误差较小。另外，在结构上直射式的传感器易做到小而紧凑。因此，为了 准确反映物面位置变化时不受表面质量的影响，通常采用光源垂直入射被测物面的三 角测量方法。而斜射式主要优点是分辨率高，测量距离相对较短；入射光能量高于直 射式，所以信噪比较直射式高，测量精度高。 3 2 位置敏感器( p s d ) 的选择 3 2 1p s d 的性能参数分析 p s d 的主要性能参数有：受光面积、光谱响应范围、位置检测误差、位置分辨率、 线性度等。 ( 1 ) 受光面积 p s d 是检测受光面上点状光束的重心( 强度中心) 位置的光电检测元件，因此，通 常在p s o f i ；f 面设置聚光透镜，在受光面上得到光点，选择最适宜的受光面积的p s d ，确 保该光点进入受光面。对于测距系统，当被测物移动时，光点在p s d 上移动。所以传 感器的测距范围与p s d 的长度密切相关。 ( 2 ) 光谱响应范围 在单位光功率的单色光照射下，p s d 的输出电流随波长变化而变化的关系称为光 谱响应范围1 ，不同的波长光源照射，p s d 输出的电流大小不同。设计时为了达到最 佳效果，通常选用峰值响应最高的光源。作为被测量对像、光源及p s d 在外部有遮挡 的情况下，由于周围的光不能进入p s d ，在某敏感波长范围内采用任何光源都不会出 问题。然而，对于有其它混合光源的场合，通常如：白炽光、荧光、水银光、太阳光 等入射至j j p s d 上，则来自信号光源的光被淹没了。这时，p s d 的窗口材料要采用可见光 截止型的。 ( 3 ) 位置检测误差 位置检测误差是指光点的实际移动髓与用光点位置得到的电流进行计算的移动量 问之差值，即实际的光点位置与检测的光点位置的差值，最大约为全受光 的 2 3 l 。p s d 位置的检测精发也就相当r 此较! 度，若要求更高的检测精度时，使用 奄表补偿或调经增益。一维p s d 的位霄测鞋误差a s ；i s s 。l ( s 是理论值rs 。足测鲢 值) 。如果足二维p s d ，分为x 方向洪蔗a x 、y 方向误差a y 和总位置误差， a r = 醚：+ a y ：。 ( 4 ) 化胃分辨率 化胃分沩率魁指n ：p s d 受j 匕j f j jj ：能伶洲的越小也 ，川受光嘶i ：的f lr 离辰j ：。i jj 口i化公f 3 5 ) ，f 、! ，：诺1 汁竹为： 12 二生一兰竺一s 。鼢 1 2 + ，l 俾+ 2 r t 弘 由微小变化a x 引起的位置计算的变化量为 a ( 生量) 。坐2 二尘一堡岱 、，2 + j l 7 ，2 + ，i ( r + 2 r ) 所以： a s ；堡燮丝( ，：一1 1 ) 2 r i 。 、7 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 若电流差为无限小，则电流1 1 和1 2 中含有的噪声电流分量决定了位置分辨率。电路 中含有的噪声电流分量主要有三种，即电流中含有的散粒噪声电流、电极间电阻产生 的热噪声电流和运放的输入换算噪声电压除以电极问电阻的电流等。 由上式可知，器件尺寸越大，即【j 魄大，p s d 的位置分辨率越高。现实中为了提高 p s d 的位置分辨率，就必须增大p s d 的分流层电阻，减小暗电流，此外还需选择低噪声 的运算放大器以及分辨率足够高的测试仪表。 ( 5 ) 线性度 p s d 的线性度是指输出电信号与实际位置之| h j 的线性关系程度，即p s d 测量位置与 实际位置之间的线性关系程度，街量线性度一般用均方根非线性误差柬表示。 均方根非线性误差为：6 l 1 0 0 式中均方根位置误差：6 = 3 2 2p s d 测量的影响因素 丽 ( 3 1 7 ) 测量的影响因素有： ( 1 ) p s d 的温度特性 位置敏感器件p s d 肘温度较敏感。环境温度的改变会影响器件的灵敏度和暗电流。 p s d 的暗电流随着温度的上升而扳指数规律增加，图3 5 址p s d 的灵敏度! j 温度的芙系 m l 线。从图中可看出，当入射光波长小于9 5 0 n m l b j _ ，温度变化对灵敏度展奉冗影响，但 。1 波段犬于9 5 0 n m 时其灵敏度随温度变化较人。此外，p s d 输出出会随环境温度的变化 砌变化，为此需对p s d 的澍澡进行定髓计价。 p 隶 辍 蹒 霉 蔽 趔 嘻 | ，0 1 i 自 f y 竣聚f n m ) 图3 5 光谱响应的温度特性 ( 2 ) 背景光对p s d 定位特性的影响 p s d 定位特性受背景光的影响。，从反偏状态n ”下处于反向饱和的p s d 在稳念非均 匀背景光照射下的位置响应特性出发，导出了信号光与背景光同时存在的定位关系。 背景光作用于p s d ，其形式与信号光并无多大差别，此时的背景可以看作覆盖整 个p s d 敏感面的均匀大光斑。故当信号光与背景光同时作用于p s d 时，可得到： z 。了i tx 。- x m 。- 8 ， 其中，式中1 ，为信号光光电流，。为背景光光电流，= 1 ，+ ，6 。x 。为等效坐标， x 。为信号光等效坐标，x 。为背景光等效坐标。若设七一，l ，即为信噪比，则上 式变为： x 。学x g 一吾x ( 3 1 9 ) 从而位置误差为： 鲥= 1 x 。一x 小；i x 。一x 。一 ( 3 2 0 ) 上式给出了信号光与背景光同时存在的定位关系。 实断、过程中背景相：复杂，目前可用光学法和f c l 学法术兜服背景光的影响，提高 榆测精度。光学法是当列杯物光源与干扰光源的波长4 i 等时，在光路卜采取光学滤波 的厅法。3 。p s d 峰值响应波k 为9 2 0 n m ，由于背景光i i 要集- f ，在可见光频带，敞“，以使 刖 i 外发光：极钝作为光源，f i i p s dr i 口放置滤光j i ，滤除人部分 f 聚光。在i 乜7 ：， 考啦曲f l 【l l 制7 ，j j 光的方法。是将信号光渊进 j 二i 心；i j i j 返足l 问为f i 扰源- 名殷变化缓 戗，亿p s d 卜的响j 衄为l i 流和低频f i ：j ，如肘“l j 光进i ? 】4 m 州：f “：，f 止p s d t l i ；, jj 为 b 蛳怵：t i j f , j ，i j ! i j 叮九 u 一i ，最川“迎滤波的力泼将亿j oi 尼分离，笫种一法怂彬 虑到背景光的位置固定、光强稳定，因此可分别测出信号光源和背景光单独作用下的 p s d 响应，将背景光影响消除。 ( 3 ) 入射光斑大小和强度分布的影响 有些文献认为，入射到p s d 光敏面上的光斑强度分布对位置检测没有影响。文献。州 利用计算机模拟的方法，就高斯光斑和均匀光斑进行了计算，模拟结果表明，高斯光 斑灵敏度高于均匀光斑，所以在实际工作中，直接利用高斯光斑定位比将高斯光束变 为均匀光束更为有利。 分析表明，投射至i j p s d 光敏面上的光斑尺寸直接影响p s d 灏i 量的重复定位精度，由 于光生电流与p s d 上的辐通量”成萨比，所以，光斑较大时，p s d 的重复定位精度必然 降低，因此，在实际工作中，应使投射至i p s d 光敏面上的光斑尺寸尽可能小。当然， 由于p s d 光敏面上有一条不感光的分界线( 死光区) ，并以此线作为x 的坐标零点，所以 当以零点定位时，分界线的宽度直接影响定位精度，一般应使光斑尺寸大于分界线宽 度为宜。 有时激光器输出的并不是严格的基模高斯光束，特别是经过较为粗糙表面反射后 的光束，由于散斑效应，会在较大范围 匀出现不规则不对称的光强分饰，这时的定位 精度必然下降。因此，不论是一维还是二维p s d ，均要求入射光斑呈对称分布，必要 时应采取适当的技术措施予以保证。 ( 4 ) 暗电流对p s d 的定位影响1 环境温度的上升，会引起p s d b 音电流的增加，暗电流的存在不仅带柬误差和噪声， 而且具有类似背景光所产生的不利效应。在暗电流影响较小的时候。可以采用滤光片 来滤掉大部分外界杂散光，在暗电流影响较大的时候，可采用采样一保持法”或调制法 将暗电流的影响消除。 ( 5 ) 光学系统像差的影响 当光束与光学系统同轴时，光学系统的对称像差( 如球差) 不影响光斑的对称性：但 当光束与光学系统不同轴时，即斜入射时，光学系统的不对称像羞( 如像散和彗差) 直 接影响聚焦光斑的时称性，因此，设计光学系统时，对这类像差要求较严。 ( 6 ) ：线性的影响 这罩的啦线性既包括p s d 输： j 电流与入射光强之i h j 的非线性，也包括转换、放大 及后续处胖f 乜路的准线性，这利，：l f 线性对p s d 的测琏精度影响较大。州此，在设汁电 路和选取f u 路参数时，应陔首先进彳亍一些实验，最后还心对移个装筲的输： ；与坐标化 置的灭系进行枷i 定。 ( 7 ) j e 它i i 豢f 向影响 光渊小身兜姒的稳定性平光求方阳f f j 滦移、放人器的“流漂移戍p s d ( i ： j 睛 u 流等 郎“按影坤p s d f f j 测廿和定f 猫嫂，特删址“测* 数j l j ：彩。测： ：川蚓l 二时，影响就殳 为5 a 并，l ，1 此，膨对1 i f - 4 的j 场、，采取十膨的技术 n 胞r ，m ；域小， 3 2 3p s i ) 使用注意事项 在使用p s d 器件时，应在储藏、固定、焊接及清洗方面注意以下问题： ( 1 ) 储藏时应避免氧化和引脚污垢，不打开单元组件时应放在有干燥剂的储藏盒 中，储藏盒内最好充满干燥氮气。 ( 2 ) 在固定p s d 时，如果需要弯曲或切割引脚，应保证引脚底部截面环氧树脂 包装不受压力，由于这种树脂包装容易损坏，因此，包装表面不能接触硬物体或尖锐 物体。 ( 3 ) 焊接p s d 时，电烙铁的温度应低于2 3 0 c ，时间应小于5 秒，并且离开管脚 底部至少1 毫米。如果这些条件不能保证，则应在管脚底部用热辐射，以使热量不能 传输到环氧树脂封装。 ( 4 ) 清洗p s d 时，应使用氟隆或乙醇溶剂，使用丙酮或其它物质可能会溶解环 氧树脂封装的表面。 3 2 4p s i ) 的选择 在激光三角法测量中，需要有一个精度较高的光电探测器，将像的位移转变成电 信号，从而根据三角测量的原理得出被测物面的位移。现在常用的有c c d ( c h a r g e c o u p l ed e v i c e 电荷耦合器件) 和p s d ( p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r 位置敏感探测器) 。这 两种器件各有优缺点，在选择使用时可以根据具体要求来进行选择。p s d 有一个完整 的光敏面，通过不同电极之间的电流输出，能连续给出入射光