（材料物理与化学专业论文）光电位置敏感器件物理性能分析及其在激光准直测量中的应用.pdf

东北大学博士学位论文 第一章 由多元系材料制成的光子探测器除了上面己提及的三元合金探测器以外，特别 值得一提的是新近发展起来的i n g a a s 光辐射探测器。这种光辐射探测器正好与光 纤的最低色点( 1 3 0 “m ) 和最低损耗点( 1 5 5 “m ) 相匹配。近年来对这种光 探测器的研究工作取得了显著的进展。 上世纪八十年代中期，出现了利用掺杂的m s a i g a a s 材料、基于导带跃迁 的新型光探测器量子阱探铡器。这种器件工作于8 1 2um 波段，工作温度为 7 7 k 。由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速。尽管从研制成功至 今仅几年时间，但其性能已达到较高水平。 随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个光探测器已不能满足探测系统 的需要，从而推动了阵列( 线阵和面阵) 光辐射探测器的发展。另一方面，光电探 测器材料性能的改进和制造工艺的不断完善，又为阵列光辐射探测器的发展提供了 可能。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化，即把光电探测器、场效应管 ( f e t ) 等元件置于同一基片上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、提高 稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件( c c d ) 也是近年来研究的一个重要方面，其性能达到相当高的 水平。将光辐射探测器阵列与c c d 器件结合起来，可实现信息的传输。该器件己 应用到热成像等领域i l 】。 p s d 也是近几年发展起来的，它是利用半导体横向光电效应实现对入射光点位 置进行检测的一种光电器件。与传统的象限电池、c c d 相比，p s d 具有位置分辨率 高、响应速度快、不需要扫描、处理电路简单等优点。此外，还由于p s d 是非分割 型元件，可连续输出模拟信号，无死区，位置输出信号只与入射光的重心位置有关，对光 斑形状无严格要求，因而光学系统比较简单，而且测入射位置的同时还能测入射强度。 1 1 2 p s d 的发展历史和趋势 自从1 9 3 0 年发现横向光电效应到现在的7 0 年间经过了发展一停滞一再发展的 过程。八十年代曾有过一段研究高潮，由于受光源结构的限制，其应用一度发展较 慢。近年来，由于半导体激光器的迅速发展，使p s d 的光源在性能、体积上得到了 很好的改善，p s d 器件的应用范围越来越大1 2 j 。 p s d 分一维和二维，一维p s d 是线型的而二维p s d 是面型的器件。根据结构二维 p s d 分成两类：表面分流型与两面分流型吼表面分流型具有响应速度快和暗电流小 的优点，而双面分流型则具有极小位置检测和位置分辨率高的优点。枕型是改进的 表面分流型，它改进了表面分流型的有效面积及电极，具有双面分流型位置检测误差 小的优点，而同时还具有表面分流型的优点。一维p s d 是在高阻半导体衬底上形成 一层或是两层表面均匀的电阻层和一对位于电阻层两端用于提取信号的电极组成n 2 东北大学博士学位论文第一章 于2 0um ，非线性低于2 ，为克服p s d 每次只能检测一个位置的缺点，还研制出1 2 8 单元阵列一维t f p s d ，可应用于三维检测。曾有报道采用双极型i c 工艺将p s d 及其 信号处理电路集成在同一块1 6 1 1 n 4 5 m m 芯片上【l ，随着光电子集成技术和 m e m o s 技术的发展，p s d 与其他元件及相关电路的集成将进一步扩大p s d 在光电 子与光子学领域的应用范围。此外，由于计算机技术及信号处理技术的应用，也将 大大提高p s d 测量系统的性能。利用微机或单片机可简化电路设计，使系统设计更 灵活，且可实现各种非理想因素( 如非线性) 的补偿【2 “副】，这样可以提高测量精度。 高速信号处理器的应用，使各种信号处理算法容易实现，信号采集速度提高，可大 大提高测量速度。 随着科学技术的进步对p s d 的要求也越来越高，体现为对高线性度、高分辨率、 高响应速度、大尺寸或微小多功能集成、低成本p s d 器件的追求。另外，针对如何克 服p s d 在某一时刻只能给出个光点位置信息的缺点的研究也成为近期p s d 器件研 究的一个主要方向。在高能物理、闪烁成像、生物医学等领域的应用中，对p s d 的响 应速度提出了更高的要求浒多作者已针对这个问题进行了研究田捌j ，理论上表明，在 近红外区g a a s s c h 0 啪结p s d 的响应比s i p s d 快一个数量级【2 4 】，一些作者从器件结 构设计考虑，研制出比普通p s d 响应快1 8 3 倍的网状p s d 【2 ”，对高速p s d 的研究和开 发仍将是今后p s d 研究的一个热点。 1 2 p s d 现存问题 p s d 是一种先进的光电位置传感器，由于其很好的时间响应性及较高的位置分 辨率而得到广泛的应用，但美中不足的是p s d 在使用中受到非线性、背景光、暗电 流、温度、入射光斑模式和入射光强、指示光源的影响，使得整个器件所测数据置 信度下降。 1 2 1p s d 的非线胜 近年来随着半导体激光器的迅速发展，使p s d 的光源在性能和体积上都得到了 很大的改善，促进了对p s d 的研究。但由于p s d 表面层电阻的不均匀性，使p s d 的输出 特性呈非线性。尽管有些研究者提出了改进型【2 6 3 1 1 p s d ，使线性度得以改善，但非线 性仍不可避免。在p s d 位置测量系统中，由于p s d 的非线性误差比由光学系统和电路 引入的非线性误差大得多，所以p s d 的非线性误差是系统误差的主要来源 j “。 无论那种类型的p s d 从它的位置坐标公式可以看出，当入射光强度不变时，单个 电极输出电流与入射光点距中心距离x 呈线性关系。但公式是在假设p s d 表面层电 阻是均匀的情况下得到的，而实际上由于材料的不均匀性、电极形状等因素，造成p 区 结面上电阻率不为恒量，从而使p s d 的特性呈非线性。尤其是二维p s d 要做到两个方 向的位置线性度都好，其设计制作工艺及结构都是非常困难的和十分复杂的哪j ，这也 一4 东北大学博士学位论文 第一章 使得在一些应用中不得不采取缩小测量范围，仅选取p s d 中线性度较好的部分进行 测量的原因m j ”。 在p s d 的发展历程中，提高其线性度始终是主要的研究发展方向之，目前市场 上提供的二维p s d 的表面分流四边形电极结构、双面分流结构和表面分流枕形电极 结构的线性度指标大多以位置测量误差表征，分a 区误差和b 区误差f a 区和b 区均以 器件几何中心为中心，分别约占器件有效光敏面面积的】2 和5 0 ) ，各种结构和尺寸 器件的a 区位置测量误差典型值在3 0um 3 0 0um 之间不等【3 6 ”1 ，一般地，同种 结构的器件光敏面尺寸越大，位置测量误差越大，以光敏面面积约为1 5 0 r r l n l 2 的器件 为例，双面分流结构的位置测量误差与表面分流枕形电极结构的相当a 区典型值 8 0 p m ，最大值1 5 0 | l m ，b 区典型值1 5 0 p m ，最大值2 5 0 u m ；表面分流四边形电 极结构的位置测量误差a 区典型值1 5 0 um ，最大值3 0 0 l lm ，b 区位置测量误差典 型值1 2 0 0 u m ，最大值1 5 0 0 u m 。可见，表面分流四边形电极结构是线性度最差的 一种，但这种结构具有制作工艺最简单，成品率高，暗电流小，加反向偏置容易等优点。 有作者 3 8 】曾对这种结构p s d 的非线性和失真进行过理论分析【3 9 j ，认为该结构p s d 的 非线性误差主要来源于不精确的位置计算公式，并在这些理论分析和计算结果的基 础上，提出了一种对其位置非线性和失真进行修正的方法，由于这种方法修正的是这 种结构p s d 不精确的位置公式与其固有的客观规律之间的差异，并进行了归一化处 理，从而对这种结构的p s d 不论器件尺寸大小均能适用，具有实用意义。 1 2 2p s d 背景光的干扰 p s d 在测量光点位置方面是一种很有效的传感器，但若不注意克服背景光的影 响，将导致额外的误差。实际过程中，背景光相当复杂，包括有稳定漫射型背景、周期 性背景及集中性背景等【4 “。稳定漫射型背景可以看作是覆盖整个p s d 敏感面的均匀 大光斑，当这种背景作用于p s d 上时，其形式与信号光并无多大差别；周期性背景是指 如同照明灯光为1 0 0 h z 的背景，它具有明显的周期性；集中型背景是指非信号光源经 过透镜作用于p s d ，如远处的灯成像在p s d 上。尽管实星稿魅降鲞籀诺蕊争氨矿狲娥 鳅戴烈皴彭；戮过透镜作用于p s d ，如远处的灯成像 在p s d 上。尽管实际中采取了各种措施来消除杂散光的影响，但背景光不可能完全消除 。随着信号光强的减弱，信噪比也明显下降，背景光的影响也越来越明显，此时，出现 了光斑位置信号算出的光斑坐标位置比实际坐标位置向p s d 中心靠拢的现象。为了 在信噪比很低的情况下仍能正确地测量，适当的补偿或调制非常必要，尤其当光斑动态 范围较大时，更显示出这种修正的必要性。对于周期性背景，可以针对该频率设计一 陷波滤波器，去除背景影响。为了消除漫射型背景，可对信号光源进行调制及对采集 的信号进行带通滤波，保留信号光部分。而对 东北大学博士学位论文第一章 1 2 4 入射光斑模式和入射光强 文献 4 4 曾做利用多光束照射p s d 位置影响实验研究；三束相同光束分八种不同 情况，同点照射p s d ，从实验上研究了光斑分布对位置影响和非线性；文献 4 5 研究了有杂光干扰存在时p s d 输出信号与杂光关系。文献 4 6 】进步分析了探测光 斑强度分布对定位的影响，建立了光斑能量重心与p s d 位置输出关系的模型，并对 能量对称光斑和非对称光斑作用于p s d 时进行实验测试，从理论与实验全面证明了 光斑对p s d 定位机理是基于光斑的能量重心。 从一维和二维p s d 在两光束能量均匀和不均匀作用时推导的能量与光点坐标的 关系式可看出，光点的坐标与光点能量有着密切的关系，且从实验结果也验证关系 式的成立。理论推导计算值与实验测量值之差仅在0 0 2 5 m m 内，引起此误差的原因 有：h c _ 卟j e 激光器的电源不太稳定，即均匀分布的光斑随时间有所变化；实验室没 有完全达到暗室条件，有少许背景光的影响。 p s d 定位是依赖于光束能量重心的，因此，在检测中就应引起注意：光束的光点 应尽量小，使得能量保持不变，但同时又能有衍射现象存在，否则破坏了能量重心： 更换或改装激光器光源时，应做到前后光阑能量不变，否则会改变绝对测量值，但 更换或改装前后相对测量值不会改变；加光阑时也应注意因每次装配的光阑尽可能 使得光阑几何中心与光束能量重心完全重台，否则会影响测量精度；应尽量减少背 景光和漫射杂散光的影响，它们的作用等效于在p s d 光敏面几何中心作用一个光点， 由于它的存在必定会导致定位的不确定性，从而降低测量精度。 光源的强度不稳定及光强重心变化将使p s d 输出电流产生漂移【4 ”。因此应选用 体积小光强稳定性好的光源。 1 2 5 指示光源的影响 ( 1 ) 指示光源衍射 p s d 在应用中大致有三种方式。第一种是将非相干光源如红外发光管安置在待 测目标上，由成像镜头将目标光点成像到p s d 敏感面上，从而解算出目标位置的变化； 第二种情形是以相干光源如半导体激光二极管发出的光线作为基准，而将目标的位 置信号调制为p s d 的位置移动，从而解算出目标位置信息；第三种则是将目标的位置 或方向信号调制为漫射屏上的光斑移动，再由成像镜头将屏上光斑成像到p s d 敏感 面上，在此方式中仍然采用相干光源。在后两种方式中，均采用了相干光源如半导体 激光二极管，为保证光束质量而不得不附加一定的光阑，因而衍射现象将十分明显而 且不可避免：p s d 敏感面上接收到的光斑也因此实际上是一组以艾里光斑为中心的 衍射环，然而p s d 的敏感面有限，故总有一部分衍射环跨出了p s d 的敏感面之外，从而 最终影响p s d 的定位精度1 4 酗。 东北大学博士学位论文第一章 在长距测量中因指示光源不可避免的衍射所带来的定位误差与p s d 固有精度 ( 微米量级) 相比不可忽视。另外，在一般的推导中都是将艾里光斑限制在p s d 敏感面 内，倘若艾星光斑也有部分越过p s d 敏感面，则所带来的定位误差必将更加可观。所以， 测量时若采用上面提到的方式2 ，为了保证测量的精度，艾星光斑的半径越小越好。 ( 2 ) 位置指示光源光斑大小对定位精度的影响 投射到p s d 光敏面光斑尺寸会影响p s d 定位的重复精度，实验证明了这一分析 的正确性。当光斑直径为1 m m 时，用贝塞尔公式统计计算，6 次定位测量的标准偏差为 2 5 5pm ，当光斑为2 5 胁时，标准偏差约4 7um ，当光斑增加到5 5 m m 时，标准偏差高 达1 3um 1 5 0 5 3 1 。因此，在实际工作中，投射到p s d 光敏面上的光斑尺寸应尽可能小。 ( 3 1 位置指示光源光束倾斜对定位精度的影响 在实际应用中，光束不可能完全与p s d 光敏面法线平行，而是在水平面上有一定 夹角。这时，圆形光斑在p s d 光敏面上的投影呈椭圆状，夹角越大，长轴越长。因此，这 种情况相当于大光斑入射，其定位精度会降低。文献【3 0 】的实验表日月，1 m m 直径的 h e n e 激光束在1 5 。角入射情况下，6 次测量的标准差为4 4pm ，比正入射时大了近l 倍。 ( 4 ) 位置指示光源的光斑形状对定位精度的影响 前已述及，光源的光强和光斑直径的大小都会影响p s d 的定位精度。有时激光器 输出的并不是严格的基模高斯光束，由于散斑效应，在较大范围出现不规则不对称的 光强分布，这时的定位精度必然下降。因此，不论是一维或是二维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口”。 1 2 6 信号处理电路的影响 在前置放大电路中，由于p s d 输出的两路电流的信号l 、厶很小，须经放大后 转换为两路电压信号u 、，因此要求l l = 虬= 常数，所以须使两个放大 器的放大倍数极相近，反馈电阻也应一致，以保证转换精度。在数据处理电路中， 后续电路的主要作用是消除干扰、提高信噪比，一般误差不大。带通滤波器是主要 元件，应严格限制其中心频率、线性度及其温漂，同时利用同步积分与相关处理可 迸一步消除干扰【5 5 6 0 】，提高精度。若须进行a d 转换，应在满足精度要求的情况 下选用合理位数的a d 转换器。 1 3p s d 在激光准直测量中的应用 随着科学技术的迅速发展，旋转机械被广泛地应用于电力、石油化工、化工、 冶金等行业，且不少关键旋转机械趋于大型化、高速化、单机方式运行。这些作为” 心脏”设备的关键机组高效无故障运行的时间越长，企业的经济及社会效益就越高。 8 东北大学博士学位论文第一章 在旋转机械发生的故障中主要为振动故障，产生振动故障的主要原因为：转子的 不平衡、转子的不对中、轴承问题等1 6 ”j 。据国内外有关文献报道，这三类故障占 总故障的9 0 以上，据美国德克萨斯州m o n s a l l t o 化工公司经过5 年的机器振动测量实 践发现，6 0 的振动故障是由转子不对中引起的，对中极度超差运行的旋转机械还 可能造成灾难性的事故，并造成巨大的经济损失。即使是机器的冷态对中达到很高 的精度，其运行状态下的对中仍有发生变化的可能性。因而，对旋转机械的不对中 进行判断、测量和监测是一项十分重要并且是很有意义的工作【3 、【3 ”。 不对中可以导致动静部件间摩擦，引起转轴热弯曲；改变轴系临界转速，使轴 系振型发生变化或引起共振；使轴承载荷分布不均匀，恶化轴承工作状态，轻者产生 半速涡动，进而发生油膜振荡，重则发生烧瓦现象；产生附加应力，引起设备零部 件的过度疲劳损坏，如转轴产生裂纹。 不对中故障的监测、诊断与治理意义非常重大。以往的机械式对中仪无论从精 度和实用性方面都满足不了现代化高速旋转机械故障诊断与控制的需要。 许多大型精密的旋转机械的安装和维修，都必须借助于良好的对中工具，从某 种意义上来说，对中工具的优劣，在很大程度上决定着机器对中的精度。国外一些 公司多年来致力于研究高功效的新型对中工具，其中具有中等价格的激光对中仪器 已经面市，给旋转机械的对中增添了一种新的技术手段。目前，我国也有数家大型 石油、化工、化肥、电力等企业相继引进了激光对中仪，并开始在离心式压缩机、 蒸汽透平、泵；风机、发电机等大中型旋转机械的对中工作中使用。 选用激光来进行旋转机械的对中测量，原因是激光束的密度高、方向性好，能 以大致恒定的光束直线传播相当长的距离。激光对中仪采用半导体激光器结合电子 计算机来进行机器对中测量、计算和调整，与其他的对中工具相比，具有结构简单 可靠、供电方便，操作简单、易于控制、精度高等优点。 1 3 1 转轴对中研究 近年来，对旋转机械的不对中故障的研究已取得了一些进展。出现了许多在线 测量和监测不对中的方法，作者认为可归纳成如下几类： 1 3 1 1 间接测量法 所谓间接测量法就是通过间接地测量其它参量，依据不对中量与这些参量之间 的关系。从而确定不对中程度。目前具有代表性的间接测量法是振动谱分析法。 振动谱分析法是利用对转子的振动情号进行频率分析，通过建立频率持征与转 子不对中量的关系来确定不对中程度。人们对该方法的研究较多，其原因是在一般 的大机组上都有测振传感器来采集振动信号，只要对振动信号进行分析就可了解机 器的不对中程度。这一方法主要有以下两种： ( 1 ) 频谱分析法： 一0 一 东北大学博士学位论文第一章 缺陷： a 价格昂贵，光是涡流探头的价格已是很高。 b 在二测量棒较长且机器的温度较高的情况下，测量棒本身就有变形，而温度引 起的变形虽说可通过增加冷却系统来解决，但增加了整个系统的复杂性，提高了成 本。 ( 2 ) 单棒测量法 在吸收上述几种具有代表性的在线监测法的优点的基础上，针对它们的不足， 浙江大学化机研究所提出了一种新型的不对中在线监测法单棒测量法f 7 5 1 。该方 法的原理是独创的，己获国家发明专利，其基本结构原理是将一棒式传感的两端分 别固置于两相连的机器上。当两机器间发生不对中变化后，就使得这一测量棒发生 变形，从而使得棒式传感器感知不对中的变化，通过变换器进入微机，从而显示不 对中的大小及方向，该装置已用于实际机组上。 该方法具有成本较低，对温度的影响可自动校正；带有误差校正机构，在测量 中可随机消除由于各种因素引起的误差，测试精度较高，完全能满足工程要求，可 接入故障诊断专家系统等特点。 1 _ 3 2 激光对中系统国内外发展现状 激光和p s d 检测系统以其准直性好和不受电磁干扰等特点，已被国外有关行业 用于联轴器对中，但国外的激光对中装置普遍存在无诊断功能以及西文界面实用不 便的问题。本项目拟从不对中故障的机理研究出发，研制出一种具有监测、诊断和 治理功能的实用、高效、准确性高的智能不对中故障监测、诊断与控制系统。 激光对中系统主要由发射红外线( 波长8 2 0 m m ) 的半导体激光器、棱镜反射机构 和红外线光束探测器组成。激光束经过棱镜折射并被p s d 接收，这两部分分别装在 两机器( 相连的) 上，并联至微机，当两机器间有不对中产生，棱镜改变光束的走向 并使得能够测量一个平面内的平行偏离( 平行不对中) 和另一个平面内的倾斜度( 角度 不对中) ，即同时作了两种检查。微型计算机利用p s d 和检测器所得的数据，算出机 器在水平及垂直方向上的不对中量。 国外从事激光对中及准直研制的企业仅四家，它们是德国的普鲁夫技术有限公 司口r u f t e c h n i ka g ) 、美国的汉模激光仪器公司( h a m a rl a s e r i n s t r u m e n t 胁c ) 、瑞典的激光设各公司( f 1 1 j r “s e ra b ) 、加拿大的工业系 统有限公司( c s ii n d u s 删a ls y s t e ml t d ) 。其中以德国公司的起步最早，它研制 激光对中仪始于本世纪8 0 年代初，并于8 0 年代中后期推出产品，目前已推出对中仪 到准直仪一系列产品。总体上讲，国外产品各有千秋，但从上述四家产品目前在中 国市场的销售情况看，由于普遍存在着售价太高、系统操作繁杂、全部西文显示、 售后服务困难等因素影响了该类产品在国内的推广。 东北大学博士学位论文第一章 早在十几年前国内就有单位利用氦氖气体激光器做光源搞出了多孔中心线准直 仪，但限于当时器件、工艺和科技水平条件等多种因素的限制，整个测量系统在稳 定性、测量精度、测量工艺、工程化等多方面存在诸多问题，没有最终形成适于现 场应用的成熟产品。 前几年生产的激光对中仪发射的激光波长均为o 8 0um 左右，属于不可见的红 外光范围，要用激光寻迹器确定激光光束的方向。近年生产的激光对中仪其波长已 改为0 6 7um ，属于可见光范围。这样就省去了激光寻迹器，同时也更便于操作人 员观察和调整。 最近国外一家公司推出了一种可见激光对中仪，采用功能更强的计算机工作站 形式，多套激光检测、反射仪器构成对中数据自动输入输出系统。整个系统调试好 后，计算机屏幕显示出需对中的机器组态初始对中图，输入有关的机器数据和激光 测量数据后，即能获得准确的平行不对中和角度不对中的量值和方向，据此可进行 多达六台机器的大型机组的次对中调整，以图形和报表的形式打印出对中结果， 并可将对中资料存储在计算机中，所有操作过程均由程序报告和评估系统自动进行。 目前得到广泛应用的激光对中仪有两种：一种是用于机器维修或安装时初始对 中，称为l o c m 对中仪( l a s e r0 p t i cc o l da l i g 胁e n tm o l l i t o r ) ，即冷态激光对中仪； 另一种是用于机器运行时的热态对中监测，称为l o r a m 对中仪( l a s e ro 蹦c r l l l l m n ga 1 i 掣m e mm o n j t o r ) ，即在线激光对中仪。 ( 1 ) 冷态激光对中仪【7 6 7 7 j 冷态激光对中仪是由激光发射检测器、反射器、计算机、快装夹具、连接电 缆、激光寻迹器等组成。机器对中时，先用快装夹具将激光发射检测器和激光反 射器固定在转铀或联轴器的两端，并用电缆把发射检测器与计算机连接。在仪器 调整好后，用激光寻迹器探测激光发射器的激光光束，并将其射向激光反射器，再 反射到激光检测器的窗口，检测器以x 及y 方向的分量，分别显示激光光束入射角 的方位。 在对中操作时，每转9 0 。，反射的激光坐标数据均同时通过电缆自动传送到计 算机。计算机不但显示机组对中的现状值，而且显示对中的需调整值。操作人员只 需将o 。、9 0 。、18 0 。、2 7 0 。等相对位置数据输入计算机，计算机在机器转轴作 一次3 6 0 。旋转时即能全部确定其对中的调整量，并显示出来。操作人员只需根据 计算机显示的结果，调整机座支腿的垂直及水平位置，清除两对中轴线的平行位置 及角度误差，使激光发射检测器和反射器的激光光束相互耦合，完成机器的对中 调整工作。 ( 2 ) 在线激光对中仪p 8 ，7 卅 即使是精心设计、制造和安装的旋转机械，在运行中由于受热膨胀、管道应力、 基础变形、振动过大等各种因素的影响，其热态不对中量往往也会大得惊人。据美 一1 2 东北大学博士学位论文第一章 国得克萨斯州m o n s a i l t o 化工公司经过5 年的机器振动测量实践发现。6 0 的振动事 故是由转子不对中引起的。对中极度超差运行的旋转机械还可能会发生灾难性的事 故和造成巨大的经济损失。因此，即使机器的冷态对中达到了很高的精度，在其运 行状态下监测对中变化仍是十分重要的。 在线激光对中仪由监测器和反射器所组成。热态在线对中应基于精确完善的冷 态对中。一套完整的在线监测装置由两组互成9 0 。安装的监测仪器组成，其中一组 监测x 轴( 水平) 方向，另一组监视y 轴( 垂直) 方向。与冷态激光对中仪不同的是反 射器反射回来的激光光束和入射的激光光束是共轴线的，并再次进入监测器，从而 避免生产现场恶劣的环境条件对测量精度的影响。当两台机器机座之间或两转轴有 径向移动而发生偏斜时，在监测器透镜下面的窗口里会自动以0 0 l m m 的数量显示 出其位移量，还可根据需要显示机器轴承座的温度和其他操作数据，以便全面掌握 机器运行的综合信息。 在线激光对中仪可直观地监测机器的振动信息，进行在线连续动态监测和报警： 可根据机器运行时热态对中数据来修正机器的对中热膨胀预留量，使其达到更高的 对中精度；并可与微型计算机联接，扩展功能，适应复杂的机器故障诊断。因此， 在线激光对中仪是一种安全、实用、功能齐全的旋转机械运行对中监测仪器。特别 是能及时发现意外的，瞬时的热膨胀变形成其他情况所引起的对中超差，有效地保 证机器( 特别是大型机组) 长期稳定地运行。 最近推出的在线激光对中新产品是经过改进的插件式激光对中仪，只要在需对 中的机器两侧预先安装好仪器支座，一套仪器就可以对被连接的两台机器转轴在水 平和垂直方向上的平行度和角度偏差进行测量，也可以用于已安装有仪器支座的数 台机器的在线对中测量，积累机器对中的运行资料，同时可以及时发现和处理机器 运行中的对中异常情况，使用更为灵活方便。 近几年国外推出的还有多功能激光对中仪，其组成部件与冷态及在线激光对中 仪基本相同，只是其功能更为全面，可用于冷态时的离轴对中、轴上对中和芯轴对 中及机器热态对中监测。 目前本领域国外技术是将激光发射接收靶盒安装于静轴( 基准轴) ，反射靶固定 于动轴( 待测轴) 。盘动两轴( 同时或先后) ，并在o 。、9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。记录反 射激光在探测器上投射点的位置坐标。最后由软件据此计算出平移开口量，并最终 给出机座四脚调整量。国内目前没有形成适于现场应用的成熟产品，在激光对中仪 领域尚属空白。 国外的只能转动9 0 。角的激光对中仪应用中受到一定的限制 x 东北大学博士学位论文第一章 用。但其产品的外观、工艺比较精致。针对此情况，如果能提供功能完备、价格适 中且符合中国国情的激光对中产品，将有利于国内激光对中市场的开拓。 1 4 本研究工作的主要内容 本课题将结合“十五”黑龙江省重大科技攻关项目“设备不对中激光检测诊断 与治理系统”、沈阳市科技局基金项目“任意转角激光对中仪若干基础问题研究” 和中国博士后科学基金项目“任意转角激光对中仪关键技术研究”来进行，并在这 三个项目均取得阶段性成果的基础上展开。主要作如下工作： ( 1 ) 综述了p s d 的结构、物性及其在激光准直测量中的应用，阐述“p s d 物理 性能分析及其在激光对中系统中的应用”的选题意义。 ( 2 ) p s d 的参数特性分析。p s d 是光电系统的核心组成部分，和其他探测器_ 样，有一套根据实际需要而制订的特性参数。因此，正确理解光电位置敏感器件性 能参数的物理意义是十分重要的。 ( 3 ) 本文把多层感知器神经网络作为线性化的手段，针对目前关于神经网络在 传感器线性化中存在的一系列问题对神经网络进行了改进。提出了一种神经网络的 共轭梯度优化算法，该方法就是对网络进行逐层优化，用这种算法训练多层感知器 神经网络，网络收敛速度加快，收敛后的网络用于传感器线性化可以提高线性化的 准确性。 ( 4 ) 受当今世界上材料制造工艺上的限制，p s d 存在着非线性区域。结合我们 工作的实际情况在项目中采用国产的c 2 0 2 型2 d p s d ，根据它的特性利用神经网络 共轭梯度算法实现p s d 非线性修正。 ( 5 ) 杂散光滤除技术。应用基于神经网络共轭梯度优化算法对p s d 背景光补偿， 提高检测的精度和可靠性。 ( 6 ) 建立整个激光对中测量系统的数学模型。它是整个测量系统成败的关键 技术之一。 一1 4 东北大学博士学位论文第二章 第二章p s d 工作原理及特性分析 p s d 分为一维p s d 和二维p s d ，一维p s d 可测出光点的一维位置坐标，而二维p s d 则可测出光点的平面位置坐标。无论一维p s d 还是二维p s d 其基本原理是一样的，它 们都是在片状本征半导体硅的表面通过掺杂工艺形成面状的p n 结，灵敏表面薄层电 阻线性均匀一致，在光敏面边上的几何中心点位置引出收集光电流的电极【2 9 】。 光电探测器和其他探测器一样，有一套根据实际需要而制订的特性参数。它是 在不断总结各种光电探测器的共性基础上而给以科学定义的，所以这套性能参数科 学地反映了各种探测器的共同因素。依据这套参数，人们就可以评价探测器性能的 优劣，比较不同的探测器之间的差异，从而达到根据需要合理正确使用光电探测器 的目的。因此，正确理解p s d 性能参数的物理意义是十分重要的【8 。 2 1 一维p s d 工作原理 一维p s d 的结构图2 1 ( a ) 及等效电路图2 1 ( b ) 所示，当入射光点照到p s d 光敏面 某一点时，假设产生的总光电流为，。，由于在入射光点到信号电极问存在横向电势 r r 。r ， ( b ) 图2 1 一维p s d 结构和等效电路 f 追2 1t h eb 踮i cs 咖c t u r eo f 锄e d i m e n s i o n a lp s d a r i de q u i v a l e mc i r c u i t 差，若在两个信号电极上接入负载电阻，则在两极得到光电流j ，和j ：。，。和，：的大 小取决于入射光点位置及两极间的等效电阻r 和r ：。 如果p s d 表面层的电阻是均匀的，足和b 的阻值取决于入射光点的位置，假设 负载电阻尺，阻值相对焉、月：可忽略，则有删 ，= 矗，冠= ( 三一z ) ( + x ) ( 2 1 ) 式中：为p s d 中点距信号电极间距离，为入射光点到p s d 中点距离。上式表 一1 5 一 东北妻耍瞬誓垂罐罐量瞻蔼 囊；? ；妻二喜f 毒霉 u = ij j j _ 一煮r i j j j 暑：j ：j ：i ；? = i ii ；孽 孳7 ；p 。荸_ d ! 誊譬互羔誊盖善二季羹 ；j 耄；l ；i j j 墨掣? 0 蟑喜j j i ! 二j i o _ ) ) ，7 7 t z ! 毒j j j ! 霉霉耋i 兰蒌嚣 矍i ； 圭毒冀l i i 霉垂： j 薹囊 r u ；i j 薛l ；l g 刍蕈兰i 毽；! 羹：l 一刭i | i 营乏盏掣在讨囊皂型基可 ；囊并竺蔷羹i | # l 争；耋曼? 嘉塑雾i 蜇i 奏型0 ： 茎茎i 缒j 毒i 丢；喜垂睾j ! 薹萤妻；翱誉誊 喜蓦；i ；壁毒蠹建j 薹茎至耋章 l 垂霎；隹! ；i ；j 盼雏j l i 霎摹霉目嘻占割j 善i ? f4 卅| 每话澍艇斋鲁掣矗删里配 妻i 主差：尊垂；童s i 譬；重= i 霎i ! 圭 l 弱| 蔓l ! j 目薹i 薹孽勇 ；i i i 量i 至毒：! _ ；! i = i i e 要：剑i 譬鞫新曼嚣蕴淹滢豚幕潮絮电中心被看作是原点时，精确地入射在p e e 上的光位置与从psd输出量中计算得到的位置之间的偏差称之为位置检测误差如图 23所示。图230d断面图f蟾23clsss e i ；o n o f p s d 在上述图2 。3 中，如果 入射光的确切位置是置，通过来自电极z，和互的光电流计算得到的位置是工。 ，那么x，和x。之间的距离上的偏差就叫做位置检测误差，计算如下所示。探测位置误差 e = x 。一x 。 u m (25)一17 x 东北大学博士学位论文第二章 图2 1 i 一维p s d 放大电路 f i g 2 1 l0 n e - d i m e n s j o n a lp s d o p e r 砒i o n a 驭t 罂器鬟 露；赣羡臻 鲑i 。；丽蟊餮錾矧装 娶，t 照蠹蓥 黉，；鳇骛轻裂；i ； 囊i ；“n 前馑嚅懦 3 ；右；自= g ；趣； 鋈；j 錾蒂掣鳓 ；至；湍罴弱照嚣嫠嚣装藩嚣鼷蓊落鞴 篙；箝豁阻 长度1 2 m ) f i 9 2 7s p e c i n ca r e af o ro n e - d i m e n s i o n a lp s d p o s i t i o nd e i e c 廿o ne r i d “r e s i s t e n c ei e n g 山1 2 m m ) 图2 9二维p s d 位置检测误差的特定面积 f i g2 9s p e c i 矗ca r e af o rt w o - d i m e n s i o n a ip s d 东北大学博士学位论文第二章 假设伏安转化电路的反馈电阻矗比p s d 的电极间的电阻r ，大得多，噪声电流 计算如下。在这种情况下，与1 艮比，l q 是相当小的，故可被忽略。用这种方 法计算可得p s d 的位置分辨率。 ( 1 ) 散粒噪声电流源于光电流和暗电流。 s = 2 9 ( 厶+ ，d ) 曰 a ( 2 9 ) 口：电极电荷( 1 6 1 0 1 9c ) ，。：信号光生电流( a ) ，d ：暗电流( a ) b ：带宽( h z ) ( 2 ) 热噪声电流( 约翰逊噪声电流) ，由电极间的电阻产生( 当r 。 r 。时 它可被忽略) 。 ，：掣旦 a ( 2 1 0 ) 、月。 。 ：玻尔斯曼常数( 1 3 8 l o 。j k ) r ：绝对温度( k ) 月，。：电极间的电阻( q ) ( 3 ) 噪声电流l 等价于运算放大器的噪声输入电压 2 罢压 a 2 1 1 p h ：运算放大器的噪声输入电压矿尼 通过计算公式( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) 及( 2 1 1 ) ， 值，如下所示： l = 瓶丽 a p s d 的噪声电流可表示为均方根 ( 2 1 2 ) 如果r ，相对于r 。不能被忽略时( r 。五， o 1 ) ，则必须把等效噪声输出电压 考虑进去。这样，公式( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) 及( 2 1 1 ) 就可转化成输出电压，如下所 示： 一2 2 东北大学博士学位论文第二章 压。 坫2 r ，2 9 ( l + j d b ) v ( 2 - 1 3 ) _ 2 q j 警 v ( 2 1 4 ) ：( 1 + 孚) 删佰 v ( 2 1 5 ) 邓t 云叩孙历 ”32 1 5 来自反馈电阻的热噪声和运算放大器的等效噪声输入电压如下所示： 啮j 等m ( 21 6 ) = r ，f n 压 v ( 2 1 7 ) 然后可以通过下矾i 等式得剥表示成均方根信的运算放大器的等效噪声输入电 _ = 曙+ 吁+ 吃+ 瞄+ 唁 v ( 2 1 8 ) 图2 1 3 给出了当月， r ，。时跟信号光电流有关的散粒噪声电流。图2 1 4 给出 了热噪声电流以及由运算放大器输入电压引起的等效噪声电流跟电极间的电阻值的 关系。其中电极间的电阻值是指关闭状态时相反电极之间的电阻。电极间的电阻是 决定响应速度，位置分辨率及饱和光电流的一个重要因素。电极间的电阻是用0 1 v 穿过相反电极和左边开着的共同电极而测得的。当我们测量二维p s d 的电极间的电 阻时，除了相反电极，在测量过程中输出电极都是开着的。 图2 1 3 信号光电流与散粒噪声电流的关系 f i g2 1 3s h o tn o i s ev s s i n g a lp h o t 0 黼n t 图2 1 4 噪声电流与电极间的电阻的关系 f i g2 1 4n o i s ec u r r e n tv s i n 把1 e c 订o d ef c s i s t a n c e 一2 3 东北大学博士学位论文第二章 2 6 饱和光电流 在p s d 上得到的光电流最大值。该值取决于反向电压和电极间的电阻，当照明 整个有效面积时产生的光电流叫做光电流总和。、 当在那些背景光电平高的位置，或是信号光数量非常多，户外使用p s d 时，必 须将光电流饱和度考虑进去。图2 1 7 给出了p s d 在非饱和状态下的典型的光电流输 出量。该p s d 具有极好的覆盖整个有效面积的线性输出，运行正常。如果背景光电 平极高或是信号光数量极多，那么p s d 的光电流将达到饱和。图2 1 8 给出了达到饱 和的p s d 中得到的典型输出。从图中可以看出p s d 的输出线性减弱，在这种情况下 就无法进行正确的位置检测。 p s d 的光电流饱和度取决于电极间的电阻以及反向电压【2 】、【8 5 ，如图2 1 9 所 示。当照亮了整个有效面积时，把饱和了的光电流看作是总光电流进行测量。如果 一个小光斑集中在有效面积上，那么产生的光电流将仅仅集中在局部，从而使饱和 发生率更低。为了避免饱和效应，可使用下列方法。 使用滤光器以降低背景光的电平。 使用有效面积小的p s d 。 提高反向电压 减小电极间的电阻 避免光束过分集中 图2 1 7 正常状态下p s d 的 光电流输出量 s 5 6 2 9 ) f i 9 2 1 7p h o t o c 蚰伽t o u t p u t e x 珊p l eo f p s d i nn o m a l 叩e 枷o n ( s 5 6 2 9 ) 一2 6 一 图2 1 8 饱和状态下p s d 的 光电流输出量( s 5 6 2 9 ) f i 9 2 1 8 p h o t o c u r r e n t o u t p u t e x 锄p l e o f s 曲l r a t e dp s d ( s 5 6 2 9 ) 东北大学博士学位论文 第二章 图2 1 9 饱和光电流与电极间电阻的关系( 照明了整个有效面积) f 瞧2 。f 9 s 8 位糟i o np h o 幻c u n m 嗡j n 把陀k c 舡叼d e f 嚣妇锄c e ( e n 虹a c d y e a 瑚如j j y i j l m j n a 6 。d ， 2 7 光谱响应 光谱响应表征光电探测器的响应量( 光电流、光电压、响应率等) 与入射辐射的 频率或波长的函数关系删。光谱响应主要决定于材料的光吸收押翮盈股葡是围 绕光。电探测器的性能迸? 彳j 殳 * 削而渤舰。磺暾淄谍目曜堙罩z 哮型1 噬；i ：灞 圆讲凄强珀羹：捌掉二饔嬖爹塑可必比磐； 锣i 弼疆龃黔铲弁掣剁暂蚓塑引蚕 鬣烈尊翱孵新烈顼l i j 翟削，藿氍峰值的百分率( ) 表示。为了得到p s d 的数据，响应灵敏度用绝对灵敏度表示，光谱响应范围是在相对灵敏度高于峰值5 的区域。量子效率是指输出的光电流与入射光子流之比【8 7 l ，一般用百分率( ) 表 示。量子效率和响应灵敏度s 在已知波长处具有以下关系式： p e ：辈1 0 0 瞄】 一 z 五：波长( n m ) s ：在波长五处的响应灵敏度( 一) 2 8 暗电流 当p s d 上加了反向电压时，即使在关闭状态下也伴随着微小的电流。这就是暗 电流，它是噪声源。p s d 的暗电流是从所有输出电极中得到的暗电流值的总和。 东北大学博士学位论文第三章 第三章p s d 非线性修正 p s d 是一种先进的光电位置传感器，由于其很好的时间响应性及较高的位置分 辨率而得到广泛的应用【5 0 ，5 ”、f 捌、f 8 8 州，但美中不足的是p s d 的非线性使得整 个器件所测数据置信度下降。由于n 区材料的不均匀性、电极形状等因索而造成p 区结面上电阻率不为恒量，从而成为p s d 非线性的主要影响因素。尽管有些作者的 改进型 2 6 2 9 j 【3 0 3 1 1 p s d 使线性度得以改善，但非线性仍不可避免。虽然在a 区线性 度很好，但b 区的准确度却严重地受到了p s d 的非线性的制约，如何解决这些问题 已成为目前研究该类传感器的主攻方向。随着人工智能技术尤其是人工神经网络的 发展，为传感器的信号处理提供了新的有效手段，可望在降低对传感器材料性能的 要求下，提高传感器的检测性能。本文提出用神经网络共轭梯度算法优化算法实现 p s d 非线性补偿，实验结果表明该方法是有效的。 3 1 神经网络基本原理 3 i 1 概述 人工神经网络是在现代神经学研究成果的基础上发展起来的p 蚓。人工神经网 络是一种模仿人脑信息处理机制的网络系统，它是由大量简单的人工神经元广泛连 接而成的；它虽不是人脑神经系统的逼真复制，但确实反映了人脑功能的若干特性， 它可以完成学习、记忆、识别和推理等功能。 神经网络的研究已有四十多年的历史，走过了一段曲折的路程：早在四十年代 一些科学家就从神经科学、数学、物理学、心理学、生物学、认知科学以及仿生学 等不同角度对神经网络进行研究，取得了一定的成果。但到了一九六九年，人工智 能的创始人m n s k y 等对以感知器为代表的网络系统的功能及其局限性从数学上作 了深入的研究，于一九六九年出版了p e r c e p t r o n 一书，他的结论是悲观的，否 定了人工神经网络的作用，使这方面的研究在六十年代末期基本上消失了。当然更 主要的原因是当时正是传统的v 。nn e u m a n n 数字计算机的鼎盛时期，从而掩盖了发 展神经网络计算机的必要性和迫切性。 到了八十年代，局面发生了根本的变化，由于传统的串行信息处理在模式识别 和人工智能等领域碰到了极大的困难，促使人们以更大的兴趣去研究以并行信息处 理为特征的人工神经网络。 神经网络具有一系列传统的线性系统所没有的优点，如非线性