用PSD进行便携式激光准直仪的研究

　　在直线度、平面度等形位误差的测量中广泛用水平仪、自准直仪和平直度量具,其检测不仅受人为因素影响较大,难以实现自动测量且很难满足大尺寸测量的需要;激光准直仪利用激光方向性好的特点可实现远距离测量,它一般采用He-Ne激光器发出的光线作准直光线,用四象限硅光电池作光电接收元件探测光束中心;由于激光器结构复杂、驱动电压高,光电接收元件的灵敏度受温度变化显著以及光强变化直接影响测量结果的缺点而影响了激光准直仪精度的提高和它的推广使用。

　　近年来,半导体激光器LD (Laser Diode)和新型光电位置传感器PSD (Position Sensitive Detector)以其优异的性能获得广泛应用,以LD作光源、PSD作光电接收元件、单片机实现数据采集处理进行激光准直仪的研究,不仅使仪器具有激光准直测量可测距离长、精度高以及微处理机数据处理、数字显示的特点,而且可简化仪器的机械结构设计、光学系统设计和处理电路设计实现仪器的便携化。

　　1　PSD简介

　　PSD是为适应位置、位移等精确实时测量而发展起来的一种新型半导体光电位置敏感器件,由于它具有分辨率高、响应速度快、只对光的能量中心敏感、可连续检测等特点在机器人传感器、激光准直、位移、角度等方面获得广泛应用, PSD有一维和二维两大类,分别用来测量光点在直线方向上的运动位置和在平面上的运动位置(二维坐标),图1所示为一维PSD的工作原理:

　　P层为感光面,在其两边各有一信号输出电极,基底的公共阴极用来加偏置电压Vr,当光束照射在PSD表面上时,由于光电效应产生一定的光电流I₀,又由于横向光电效应,在两输出电极上可得到I₁、I₂,显然

　　I₁和I₂的大小与光束照射位置到两输出电极间的阻抗成反比,如果P层的阻抗均匀一致,则有下式:

　　由(1)、(2)可得:

　　式中　P_x为一维PSD的位置输出信号;L为信号电极至PSD中心的距离;X为入射光点距PSD中心的距离。

　　由此可见, PSD的位置输出信号P_x与光强无关而与入射光点的位置X成正比

　　2　激光准直仪的设计

　　激光准直仪由激光器、光靶和单片机数据采集处理系统组成,图2所示为用激光准直仪测量工件直线度误差的工作原理

　　激光器发出的光线照射在PSD光靶上(该直线作为直线度误差的测量基准线),当光靶沿被测工作面(如机床床身)移动时,被测工作表面的直线度误差使光靶与激光束之间产生相对移动,激光束入射到PSD光敏面上的位置因此发生变化, PSD就将此位移量转变为电流信号,经信号调理电路处理成0~5V的电压信号,再送入单片机应用系统进行数据采集、运算、处理后既可实时显示某一点的直线度偏差值又可在测量结束时按下结束键将数据通过单片机串口传送给计算机,利用专用软件快速评判出被测工作表面的直线度误差。