基于PSD的微小角度动态测量研究

　　1　引言

　　在角度测量领域中,光学方法测量角度具有测量准确度高和非接触测量的特点,得到了越来越广泛的应用,在某些场合下正在逐渐取代传统的机械式和电磁式测量方法[1]。目前,常用　　的光学测角方法主要有光学分度头法、多面棱体法、光电编码法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激光法等。

　　这些光学测量方法一般结构都比较复杂,虽然在静态测量时可以达到很高的测量精度但却难以满足在较高的测量精度下进行自动化测量的要求。以圆光栅法为例,目前我国的国家线角度基准采用64800线/周的圆光栅系统,分辨力为0.001’,总的测量不确定度为0.05’,该测量方法主要是在静态下的相对角度测量。在动态测量时,在10r/s的转速下,要达到1’的分辨力都十分困难。因此,研究新的测量方法,开发新的测量仪器来满足实时高精度的角度测量具有重要的意义。

　　本系统采用新型的位置敏感探测器(PSD)结合传统的光学测量方法和计算机技术,在较高的精度下实现了对微小角度变化的动态测量,可以对200r/s旋转的待测面进行测量,角度变化的分辨率达0.1’,可以广泛的应用在角度、位移等的测量中。

　　2　测量原理

　　检测目标是垂直于旋转轴的以200r/s高速旋转平面,高稳单频的激光束经过整形后入射待测平面,经反射后入射到位置敏感探测器(PSD)的接收面上。PSD是一个光电传感器,表面对光敏感,当光束入射到接收面上时,PSD各电极将产生大小不同、与光斑位置有关的光电流输出。光电流输出经过PSD的信号处理电路处理后,转换为两路电压输出,分别为x,y方向的位置数据。两路模拟电压量经过数据采集系统进行A/D转换后输入到计算机中进行实时处理,计算出角度变化并图形显示在计算机显示器上。原理如图1所示。

　　当待测平面的角度发生微小变化时,PSD上的激光光斑位置也将随之变化,将新的光斑位置信号与上一个光斑位置信号进行比较,根据位置变化和角度的关系的度机体就可以计算出待测平面角度的变化,在本系统中计算机采样频率可以达到1kHz,很好的完成了对角度变化的动态测量。

　　3　PSD工作原理与背景光干扰的消除

　　PSD是基于横向光电效应的光电位置敏感器件,二维PSD器件一般有方形的敏感接收面,四个边上分别有四个电极X1,X2,Y1,Y2。当光斑信号打在接收面上时,四个电极X1,X2,Y1,Y2　　将有不同的光电流输出,电流大小取决于光斑在接收面上的具体位置,理论计算公式如下:

　　PSD是光敏器件,测量时环境中背景光的存在会影响PSD的输出,使测量可靠性下降。一般背景光的影响可分为覆盖整个PSD接收面的稳定漫反射背景光和周期性背景光(如50Hz的光源)、集中型背景光等[3]。文献[3]对于解决背景光的干扰给出了详细的解决方法。但一般对于稳定的背景光干扰,通常采用在PSD接收面上前加与光源波长相匹配的滤光片的方法来掉大部分的背景光。文献[4][5]中提到的完全滤除背景光影响的方法能够更好的消除背景光的影响,提高系统的信噪比,可进一步提高系统性能。