用PSD构成全方位高准确度数字水平仪

　　1　引　　言

　　水平仪或倾斜仪从过去简单的水泡水平仪到现在的电子水平仪已经历经无数次更新。作为一种通用工具,它已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、地质 勘探、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要工具。传统的电子水平仪大多是基于应变电感、电容原理或热平衡等基本物理 规律[1,2],其测角范围大小不一、测角准确度亦相差甚远。测角范围小到几十秒,大到360°;测角准确度小到秒级,大到分级。但唯一相同的是此类水平 仪都无法给出倾斜方位,只有多次多方位测量后方能综合出倾斜方位和真实的倾斜角度,即损失了一维信息只能给出另一维信息。这对于调整平台或需要实时控制水 平的场合不能不说是一个致命的弱点。

　　本文提出的用PSD构成的光电水平仪则巧妙地利用二维PSD的敏感光点的二维运动的特点克服了上述传统水平仪的一维的弱点。它将倾斜方位信息和倾斜角度信息毫无损失地转化为光点的二维移动。所以从这一意义上讲,传统水平仪是单息的,而本光电水平仪则是全息的。

　　2　PSD的工作原理

　　PSD是一种基于横向光电效应的半导体器件,它实际上是一块大面积PN结。其中P型层重掺杂,N型轻掺杂。和一般PN结一样由于载流子扩散在结 区建立起一个与结面垂直的自建内电场。但由于P+层为重掺杂,载流子浓度大,故电导率高,因此在入射点所形成的光生载流子在自建电场的作用下空穴进入P+ 层,并迅速扩散,成为等电位区;而N区由于轻掺杂,电导率低,进入N区的电子不易扩散,仍集中在入射点附近,从而具有高的低电位,因此形成一个平行于结面 的横向电场。当入射光信号照射到敏感面上某点时,由于横向电场的作用,使得光生载流子形成向两端流动的电流I1和I2,它们之和等于总电流I0。如果 PSD的面电阻是均匀的,且其阻值R1和R2远大于负载电阻RL,则阻值R1和R2仅取决于光点的位置,即:

　　由此可见,由电流I1和I2即可得出光电位置信息。二维PSD工作原理与一维PSD类似。PSD因其具有很高的灵敏度、良好的瞬态特性、紧凑的封装结构以及简单的处理电路,所以在航空对接、精密对中、震动测量、微位移检测等领域得到了广泛的应用[3～6]。

　　3　光电水平仪的组成及工作原理

　　本水平仪采用二维光电位置探测器(2D-PSD)作为敏感器件,由半导体激光器(LD)另加配重并悬挂于壳体顶部作为竖直基准,辅以特配的高准确度信号变换电路,并以单片机进行处理和数显,可同时提供倾斜角度和倾斜方位。仪器结构如图1所示。