基于PSD的光电自准直仪测量空间两平板相对倾角变形

　　0　引　　言

　　在实际中,有时需要测量2个平面之间的相对角度变形,目前自准直仪[1]是小角度测量中应用最广的高精度仪器,但是国产的自准直仪器大部分靠人眼读数或白色光电变换器进行数字显示。因此,在实际自动调整和测量中,不便于应用。

　　基于横向光电效应的半导体位置敏感器件PSD具有灵敏度高、分辨力高、良好的瞬态响应特性及简单的处理电路等特点。本文介绍了利用枕型PSD作为接收器件的光电自准直仪测量系统,具有方便的观察瞄准和测量调整特性,适用于空间两平板相对小角度形变测量。

　　1　系统工作原理

　　测量系统工作原理如图1所示。平板1与平板7为2相对被测平板。反射镜1安装在上平板上,光电自准直仪3由法兰4固定在下平面。当两平板有相对倾角变形时候,反射镜相对光电自准直仪有相对倾摆,自准直仪射出的平行光经反射镜反射后反射角发生变化,反射回光线经过镜片组后入射到PSD表面的不同位置,PSD产生相应电信号,经后续电路处理并经过采样计算后即可得到两位的倾角信息,利用单片机和上位机实时数据通讯,保证采样的连续性。

　　2　位置器件PSD的工作原理及其信号处理电路

　　常见的二维PSD有四边形结构,双面结构和枕形结构。四边形PSD[2,3]具有很小的暗电流和较高的反向击穿电压,但其位置线性度比较差;二面型PSD具有很好的位置线性度,但其暗电流比较大,信号处理电路复杂。枕型PSD是综合了上述两种PSD的优点而设计的一种改进型二维PSD,由圆弧所围成的枕型结构结构图如图2所示。如将原点取在光敏面的中心,从4个顶点流出的光电流则可以证明入射光斑的坐标为:

　　式中:I1,I2,I3,I4为通过4个电极光电流,d为2相邻顶点距离,x,y为入射PSD表面光点能量中心坐标。PSD输出信号为小电流信号,需要经过电流2电压转换再经后续电路处理,电压转换以及信号处理电路框图如图3所示:

　　PSD输出的与反射镜倾角相关的电流信号经过处理电路后转化为电压,将此电压采集计算后便可获得反映2平板相对变形的数字量输出。

　　根据实际要测量的倾角范围以及所要满足的分辨率,本系统采用的是二维枕形PSD,分辨率标称为1μm。后续处理电路采用美国Cygnal公司生产的C8051F060单片机,其内部含有2路16位A/D转换器,4k内部数据存储器,64 k FLASH程序存储器,可在线编程,具有外部64 k数据存储器接口,还具有两个UART串行端口,满足数据采集,处理以及传输的需要。由于采用了集成在单片机内部的A/D转换器,因此可以使电路部分更为紧凑,减少了外围器件。