基于PSD 的微位移測量系統(tǒng)研究

王帥帥，祝連慶，周維虎，董登峰，周培松

(1.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192;2.中國科學(xué)院 光電研究院，北京 100094;3.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 23009)

激光跟蹤儀系統(tǒng)是建立在精密角度測量和激光干涉長度測量基礎(chǔ)上的一種極坐標(biāo)測量系統(tǒng)，其具有方便、動態(tài)、快速、測量精度高等優(yōu)點，在航空航天航海、機械加工制造、現(xiàn)代軍事科技、核工業(yè)技術(shù)等高精度測量領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

激光跟蹤儀，如圖1 所示，其具有合作目標(biāo)——跟蹤球，跟蹤頭發(fā)出的測量光束入射到跟蹤球，經(jīng)反射折返回跟蹤頭。當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤頭需自動調(diào)整測量光束方向，確保始終對準(zhǔn)跟蹤球。

能否實時快速準(zhǔn)確地跟蹤跟蹤球，決定了跟蹤儀的跟蹤速度和精度。位置敏感探測器(Position Sensitive Detector，PSD)具有位置分辨率高、響應(yīng)速度快等特點，主要應(yīng)用于高精度、高靈敏度的位移、角度、同軸度的非接觸測量與校準(zhǔn)領(lǐng)域，并逐步取代四象限探測器而成為跟蹤系統(tǒng)中主要的位置反饋器件［1］。

圖1 激光跟蹤儀測量系統(tǒng)

目前，瑞典、美國、日本等國在PSD 探測器的研究處于領(lǐng)先水平，且有較成熟的產(chǎn)品，但價格昂貴。國內(nèi)近年來也對基于PSD 的微位移測量系統(tǒng)進行了大量研究，但距大規(guī)模商品化應(yīng)用仍有一定距離［2］。本文設(shè)計的基于PSD 的微位移測量系統(tǒng)，消除了背景光光電流對測量結(jié)果的影響;采用雙線性插值算法修正PSD 測量的非線性誤差，提高了測量精度。實驗結(jié)果表明，該測量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)點。

1 PSD 的橫向光電效應(yīng)

PSD 是一種基于橫向光電效應(yīng)的非分割型光電二極管，根據(jù)光敏面上接收到光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘉頇z測光點位置。與象限探測器及CCD 不同，其由一個完整的光敏面構(gòu)成。PSD 可分為一維PSD 和二維PSD。一維PSD 測量光點一維坐標(biāo)，二維PSD 測量光點二維坐標(biāo)。二維PSD 根據(jù)電極結(jié)構(gòu)不同可分為四邊型、兩面分流型和枕型。

二維PSD 是在一維PSD 的基礎(chǔ)上改進的，其基本原理相同。由P、I、N 3 層組成，P 層是感光面，兩對對邊中心各引出一個信號輸出電極;中間插入較厚的I層，提高光電轉(zhuǎn)換效率，增強靈敏度和響應(yīng)速度;N 層引出一個公共電極，加調(diào)節(jié)反偏電壓。兩個電極間接一負(fù)載電阻，當(dāng)光照射在PSD 光敏面某一點時，在橫向電場作用下產(chǎn)生正比于光能量的電子——空穴對流過P 層電阻，分別從設(shè)置在P 層的4 個電極上輸出光電流I1、I2、I3和I4［3］。假設(shè)P 層電阻是均勻的，則電極輸出的光電流反比于入射光光點位置到各電極之間的距離。坐標(biāo)原點選在PSD 幾何中心，根據(jù)輸出光電流計算光點坐標(biāo)的方程為

式中，L 是PSD 幾何中心到信號輸出極間的距離［4］。

圖2 二維PSD 結(jié)構(gòu)圖

2 測量系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)總體設(shè)計

激光器發(fā)出的測量光束經(jīng)一系列光路后照射到PSD 探測器表面上，PSD 由于橫向光電效應(yīng)產(chǎn)生光電流信號，經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換電路，并濾波以降低噪聲干擾，經(jīng)二級放大輸出至A/D 芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。單片機對A/D 實現(xiàn)通道控制與信號采集，并對采集到的數(shù)據(jù)信號進行處理，得到PSD 上光點的位置坐標(biāo)，并在上位機上實時顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

PSD 探測器表面受到激光照射，輸出微弱的電流信號，需對其進行處理才能獲得光點中心坐標(biāo)。整個測量系統(tǒng)分為信號處理和數(shù)據(jù)采集兩部分。

2.2 信號處理單元

本系統(tǒng)的信號處理單元包括I/V 轉(zhuǎn)換、濾波、二級放大電路3 部分。由于PSD 輸出的信號較弱，且是電流信號，通常只有幾μA 到幾十μA，難以直接進行處理，故需先進行I/V 轉(zhuǎn)換。

為保證精度，必須選用輸入阻抗大、偏置電流和噪聲較小的運放，這樣才能有效地提取信號，抑制噪聲。因此，前級I/V 轉(zhuǎn)換放大電路采用LM324。LM324 是一款低噪聲帶差動輸入功能的四運算放大器，其偏置電流最大為100 nA，足以檢測μA 級PSD 芯片的輸出電流。在跨阻放大電路的反饋電阻處并聯(lián)一個電容，滿足1/(ωC)＞R 時，可限制帶寬降低高頻噪聲，同時RC 形成一個超前環(huán)節(jié)，對相位進行補償，提高了電路的穩(wěn)定性。

經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換后送入二階低通濾波電路，設(shè)定截止頻率，降低干擾及部分噪聲。因信號放大倍數(shù)較大，故采用二級放大電路，以提高增益的穩(wěn)定性，最終獲得滿 足A/D 輸入幅度的信號。

圖4 信號處理單元原理圖

2.3 數(shù)據(jù)采集單元

信號處理電路輸出的是模擬信號，先進行A/D 轉(zhuǎn)換，然后進行數(shù)據(jù)處理。ADS7864 是TI 公司生產(chǎn)的12位、500 kHz 高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有3 對6 條全差分輸入通道，可同時對其中的1 ～3 對輸入通道進行高速同步信號采集。片上自帶2.5 V 基準(zhǔn)電壓源，可用作A/D 的參考電壓。在頻率為500 kHz 時仍可提供80 dB的良好共模抑制比，這在高噪聲環(huán)境中非常重要。ADS7864 的6 通道同時采集，適合PSD 探測器的4 路光電信號，余下的2 個通道作冗余備份。

為獲得入射到PSD 表面上光點的位置坐標(biāo)，需將PSD 的4 路輸出信號按式(1)、式(2)進行加法、減法、乘法和除法多種運算。若采用傳統(tǒng)的處理方式，即用運算放大器搭建加、減法電路，用模擬乘法器構(gòu)成除法器，將必然帶來噪聲干擾信號，模擬器件固有的溫漂特性也會引入測量誤差。為解決這一問題，系統(tǒng)采用軟件編程、數(shù)字處理的方法實現(xiàn)邏輯運算，當(dāng)A/D 的分辨率足夠高時，從根本上消除干擾信號影響，達到要求的運算精度，且這樣也有利于后續(xù)接口的控制與處理，以便得到光點的位移量。

2.4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用自頂向下、逐步細(xì)化的模塊化設(shè)計，其結(jié)構(gòu)清晰、層次分明。程序設(shè)計流程如圖5 所示。首先，無激光照射時對處理器進行初始化，根據(jù)A/D采樣時序，啟動A/D 轉(zhuǎn)換，采集暗電流和背景光的4路輸出值并保存。激光照射PSD 后，采集到PSD 的4路輸出值減去保存的暗電流和背景光的輸出值，計算出光點位置X、Y。為方便操作與直觀的顯示坐標(biāo)，并實時記錄數(shù)據(jù)，通過RS232 串口與上位機實時通信、顯示。

圖5 算法流程圖

3 誤差處理

在測量中除了入射光點外，還有其他背景光作用在PSD 表面上干擾系統(tǒng)的正常測量。背景光照射在PSD 上一般呈均勻的光強分布，等效于一個光點作用在PSD 幾何中心。此時PSD 的輸出信號等同于入射光(x0，y0)和背景光(xb，yb)疊加共同作用的結(jié)果，入射光單獨作用時PSD 第1、2 路輸出的總電流為I0，背景光單獨作用時PSD 第1、2 路輸出的總電流為Ib，令K=I0/Ib。

由式(1)解算出的x 坐標(biāo)位于兩光點的連線上，比真實坐標(biāo)靠近PSD 器件中心［5］

同理

為減小背景光對PSD 精度的影響，提高測量精度，有以下幾種方法:加濾波片、交流調(diào)制、提高入射光強與背景光強之比等。交流調(diào)制是在入射到PSD 前進行調(diào)制，接著對PSD 輸出的信號解調(diào)，增加相應(yīng)的處理電路即可實現(xiàn)對背景光的濾除。背景光大多數(shù)為照明光或自然環(huán)境光，特點確定，故其導(dǎo)致的干擾輸出也是確定的，對位移測量的線性度并無影響?？稍跍y量前，采集背景光單獨作用于PSD 表面時的信號，再進行誤差補償，這樣便可有效的解決背景光對測量精度的影響［6］。本方法簡單易行，成本低廉，且實際檢驗效果良好。

PSD 的非線性是系統(tǒng)誤差，若采用查表法進行非線性修正，原理簡單，但需采集大量的實驗數(shù)據(jù)，實驗工作量大，且需占用單片機大量的存儲空間。雙線性插值算法簡單，PSD 探測面邊緣信息不足影響精度。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行修正，算法設(shè)計時需根據(jù)實際應(yīng)用確定合適的隱含層層數(shù)及結(jié)點數(shù)，選用合適的學(xué)習(xí)算法，但對單片機的處理性能有較高的要求。因此本系統(tǒng)在滿足精度要求的情況下，采用雙線性插值法和混合查表法進行非線性修正。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

實驗選用650 nm 波長激光器，德國PI 公司的M－112.1DG 高精度電機驅(qū)動位移平臺，實驗環(huán)境為室內(nèi)夜晚。將激光器固定在位移臺上，調(diào)整PSD 探測器的方位，使激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后垂直入射在探測器表面。以0.1 mm 步進控制位移平臺使激光在探測器表面移動，同時上位機接收處理器輸出的位移信息［7］。

為了使實驗具有可重復(fù)性，在實驗時進行了10 組測量，繪制誤差分布情況如圖6 所示。由圖可看出，在距PSD 幾何中心1000 μm 的量程內(nèi)，測量值圍繞真實值上下波動，并呈均勻分布，測量誤差在±7 μm 以內(nèi)，且探測器邊緣無明顯失真。

圖6 誤差分布圖

5 結(jié)束語

本文通過對PSD 參數(shù)的分析，設(shè)計了基于PSD 的微位移測量系統(tǒng)，針對結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的問題提出了一些解決方法。通過合理設(shè)計前置信號處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊有效濾除了干擾信號。同時信號處理電路中采用精密變阻器，結(jié)合相應(yīng)軟件處理流程，可實現(xiàn)對不同范圍內(nèi)PSD 信號的有效采集。該系統(tǒng)對于靜態(tài)或動態(tài)條件下微小的位移、角度、厚度、振動等的測量，具有推廣意義。此外，若要進一步提高系統(tǒng)精度，可考慮采用分辨率更高的16 位或24 位A/D 轉(zhuǎn)換器。

［1］ 何曉瑞，鐘毓寧，王選擇.基于光強調(diào)制和數(shù)字?jǐn)M合的PSD 位置檢測方法的研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(6):94－96.

［2］ 宋殿友，劉鐵根，丁小昆，等.PSD 精密薄板在線多點測厚系統(tǒng)［J］.應(yīng)用激光，2012，32(1):54－57.

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［4］ 吳賽燕.PSD 的性能分析及其應(yīng)用［J］.機械工程與自動化，2007(4):109－111.

［5］ 呂愛民，袁紅星，賀安之.入射光強和背景光對二維光電位置敏感器件干擾的影響［J］.光學(xué)學(xué)報，1998，18(6):762－766.

［6］ 裴先登，羅春，黃浩.PSD 高精度位置測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，32(2):7－9.

［7］ 丁碩，楊友林，巫慶輝.基于PSD 的微位移傳感器建模的實現(xiàn)方法［J］.電子設(shè)計工程，2012，20(11):8－11.