基于PSD的微小位移测量系统的设计

　　1 引言

　　在微小位移测量系统中，传统的测量方法是采用接触式的机械测量，此种方法精度不高，受机械加工精度的制约很大，并且属于间断式测量，不适于在自动化生产线上的实时检测。所以现在对于这种检测方式一般是采用非接触式的测量，即光学测量。在光学测量中接受信号的常用器件有两种，分别为 CCD(Charge Coupled Device)和PSD(Position Sensitive Detection)。

　　在工业生产中的应用越来越成熟[1]。然而采用一般的测量方法为了使其精度达到纳米量级,系统非常复杂,并且对探测仪器的精度要求很高,系统受环境的影响非常大,很难在工作环境复杂的生产线上运行。为此可以利用光学测量来减小环境的影响,用光线多次反射法来将微小的位移放大,从而用低精度探测器PSD,来完成高精度的测量[2]。

　　2 测量原理

　　在此微小位移的检测系统中，激光束以θ角入射到参考平面镜后反射到动镜上，经过来回多次反射后，出射激光束入射到与参考平面镜平行放置，距离为H的位置敏感探测器(PSD)上。其中动镜是沿转轴O转动，P点为原始动点。由于多次反射的放大作用，将动点P的微小位移d转换为夹角β的变化放大,动镜运动前后的出射光的出射角分别为θ和θ+2(n-1)β。从而将　　微小的位移d放大为光点在位置敏感探测器(PSD)上的位移D,　实现微小位移的测量。系统采用数字信号处理器(Digital Signal　Processing)来处理接收到的位置信号,运用算法根据D,L,H,　　n和d之间的数学关系反向推导得微小位移d,来到达对d的实时准确测量[2]。其检测光路原理如图1所示:

　　位置信号的接收是采用二维的位置敏感探测器(2-PSD)，它在检测二维坐标上的微小位置的变化的精度非常高，而且在一定的测量范围内具有很高的线性度。采用TMS320LF2407A 内部AD来采集相应的PSD输出的电压信号，经过运算处理后直接通过IO口驱动液晶显示模块TS1620-1来实时显示测量结果,并且还可以用 UTAR 口控制生产线反馈操作。

　　本系统在开发过程中运用上位机，即一般PC机来对系统目标建模，运算，处理，仿真。在相关程序运行成功后，再下载到下位机，即DSP中，完全脱离上位机来单独运行。且其系统供电为 5V 直流,适合于户外作业。控制系统还可以通过 UTAR 接口控制外部电机，在自动化生产中能处理相应其他操作。并且上下位机之间有USB 通信接口，能够在必要的时候升级相关控制程序。系统采用液晶显示模块(LCD)对检测数据实时显示，操作界面人性化。

　　3 硬件电路的设计及实现

　　本系统电路部分主要包括以DSP为核心的主控模块，和以PSD 为核心的信号采集模块，以及包括USB 和锁存器的通信模块和电源系统，其系统框图如图2所示。