二维位敏传感器PSD在同轴度精密测量中的应用

    在轴系的安装调试中,对相连接的两轴的同轴度误差的测量与校正,通常都是使用钢尺、卡尺、百分表等工具进行接触式测量,因而测量精度低,工作效率低,而且测量结果受测量人员本身经验的影响.尤其是无法实现测量的自动化及进行测量结果的显示和数据通讯.

    目前国外已出现了激光对中仪,但该仪器的价格偏高.本课题旨在研发出一种基于位敏传感器(position sensitive detector,PSD)的高精度、高效率的激光对中技术和仪器,以满足工程上的迫切需要.

    1　位置敏感器件PSD

    位置敏感器件PSD与通常的入射光位置的检测仪不同,它没有分离元件,仅用单光束照射,通过光电二极管的表面电阻即可输出连续的位置数据,这就为测定物体运动的轨迹,自动聚焦和机器人视觉提供了良好的条件.PSD可以获得与光斑强度、形状、尺寸无关的准确定位信息,加之它输出线性好,分辨率高、响应速度快、噪声低、器件尺寸小,易于实现测量装置小型化,因而使它在物体对准、定位、位置及角度测量、变形和振动的测量方面均可获得广泛的应用.

    文中应用二维PSD建立了激光-PSD测量系统,实现了对空间轴不同轴度误差的非接触式精密测量与校正.

    1.1　PSD的工作原理

    PSD的截面如图1所示,由P,I,N三层构成,有一个完整的光敏面和二个电极X1,X2位于光敏面的两端,与其它P-I-N探测器一样,当入射光束照射在光敏面的S位置时,在S处产生一个与光强成比例的电荷,此电荷通过电阻层形成光电流I0分别流向输出电极X1和X2,它们的分配反比于入射点到每个电极的距离.这就表明,S的位置信息可以通过两输出极的电流来确定.具体地说,入射光的位置与输出电极X1,X2的光电流有如下关系.

    1)将PSD的中心取作原点时

　　由式(1)和式(2)可得

　　2)将PSD的端点取作原点时

　　由式(4)和式(5)可得

    式中:I0为总光电流(IX1+IX2);IX1为电极X1输出的电流;IX2为电极X2输出的电流;LX为光敏面的长度;XA为PSD的点中心到入射光束位置的距离;XB为电极X1到入射光束位置的距离.

    式(3)、(6)表明,入射光束位置(或)与光敏面长度及输出电极有关.所以只要测出电极的输出电流,便可求出入射光束在光敏面上光斑的位置.根据PSD的原理,人们研究和发展了二维PSD.

    1.2　二维PSD

    在二维PSD中有二面型、四边型和枕型多种结构.枕型是四边型的改进型,它改善了光敏区,减小了电极间干扰,并且暗电流小,响应速度高,易于使用反偏而使边界失真减小,所以下面以枕型结构为例说明二维PSD.