采用PSD的激光平台测量仪的设计

　　0　引言

　　随着科学技术的进步,在工业和军事应用场合,对于角度、水平度的测量定位精度要求越来越高,传统的工具虽然也能得到较高的测量精度,但是其体积、功耗都比较大,成本过高,而位置敏感探测器PSD作为新型位置传感器,是一种基于半导体PN结横向光电效应、能够测量光斑在探测器表面连续的新型光学器件。它是一种连续型的模拟器件,具有以下优点:1)输出位置信号只与光斑的能量中心有关,对光斑的形状要求不高,理论上不存在非线性误差;2)表面完整,不存在无感应区,位置分辨率高,测量范围大,响应速度快;3)光谱响应宽,位置与光强同时测量,不受光斑约束,处理电路简单,可靠性高等优点。因此在角度和位置测量中具有很大的优势,同时成本低、实用性很强。

　　结合工程项目,笔者设计了一种采用PSD作为敏感元件,ADS7825作为16位A/D转换器,LPC2214作为控制芯片的激光平台测量仪。在保证高精度测量的同时,又大大降低了成本。

　　1　系统设计

　　1.1　光学原理

　　半导体激光器所发出的激光经过反射镜照射到物体反射面上,经过物体反射的光经过反射镜(反射镜是半透明的)进入望远镜,经过放大倍数为20倍的望远镜后,照射到二维PSD上。如图1所示。若在PSD上的光斑偏移量为d,物体倾斜角为α(单位为rad)望远镜与PSD的距离为L。则它与反射镜的角位移有如下关系:

　　因此有:α=d/(2*20*L)。因为L已知,所以物体的角位移的测量就转换为二维PSD器件的光斑位置的测量。

　　1.2　系统工作原理

　　系统组成如图2所示。

　　其中:PSD器件选用的是日本HAMAMATSU公司的S1200。这是一种枕形结构的二维PSD器件,可以修正边缘效应的影响,具有较好的线性。有效区域为13 mm×13 mm。

　　枕形结构的二维PSD示意图如图3所示。其坐标公式为

　　PSD器件接收到光斑,将产生4路电压(流)输出。再经过除法处理电路产生两路输出二维PSD的处理电路通常如图4所示。

　　其中:U₁~U₄为前置运算放大器,U5~U8为集成运算加法器,U₉、U₁₁为集成运算减法器,U₁₀为集成运算加法器,U₁₂、U₁₃为集成运算除法器,因此输出:

　　而在本系统中,没有采用常用的硬件处理电路。4路电压(电流)信号经过放大、滤波后,直接经过A/D转换,由核心控制器完成计算。由于省去了除法器等器件,既节省了成本,又消除了由除法器所带来的非线性误差。虽然是用除法器处理速度更快,但对本系统意义不大。

　　本系统采用BB公司的4通道、16位转换器,频率为40 kHz的ADS7825,作为A/D转换器。CPU采用PHILIPS公司的LPC2214作为核心控制器件。