位置敏感器件在非接触测量中的应用分析

　　随着科学技术和工业生产的发展,对各种几何尺寸、表面轮廓的测量精度要求越来越高.目前国内对位移及有关量的在线检测大部分采用接触式方法,但是这种方法既不适宜易擦伤的软质材料及易污染的材料,也不适宜于在恶劣环境下进行测量.位置敏感器件(PSD)在本世纪70年代研制成功之后得到了长足发展,再加上各种高性能的半导体激光器(LD)的不断涌现,基于光学三角法测量原理的非接触测量方法逐渐受到重视.光学三角法虽是一种经典的光电测量方法,但其测量光的接收形式既可以是散射光,也可以是反射光,且两种接收形式的测量分辨率都能达到微米级,因此,仍然是一种对位移、厚度、位置、形变进行测量的有效方法.

　　1　激光三角法测量方法及原理

　　1.1　PSD的工作原理及工作过程

　　位置敏感元件(PSD)是一种具有特殊结构的PIN硅光电池.图1中,

　　当光从点Q投射到PSD面上时,PSD两端电极将输出电流Ia及Ib.根据Ia和Ib的大小可以确定投射在位置敏感元件上的光点位置.位置敏感元件上反映光投射点的位置可由下式确定

　　后续电路部分可对两路电流信号予以放大、检测,经过加、减、除等运算及一系列修正电路后,用数据显示器显示输出,从而得出X量值.整个工作过程如图2所示.

　　1.2　激光三角法测量原理

　　光学三角测量装置作为位移传感器,通过连续测量,可感知位移变化或测量诸如厚度、表面轮廓及物体高度等物理尺寸.光学三角测量的原理如图3所示.从光源发出的光束经投射透镜S1聚焦到被测面上,形成一极小的光斑,其散射光的一部分经过成像透镜S2成像于PSD面上.成像光点在位置敏感器上的位置Y是被测面上位移X的函数.当被测表面纵向移动时,PSD上成像光点位置将产生一横向位移.通过检测其像点的位移变化便可求得物体表面位移的变化.被测表面位移变化X与像点位置变化Y间的关系可参考图3求得·从图3可知,△BOD∽△COE,从而有

　式中,θ是投射光束与接收光轴间的夹角,°;do是物距,mm;di是像距,mm.除基准点外,入射光斑随被测面偏离成像光轴而移动,其像点也必然偏离光轴.为使PSD上的像点始终位于平面上,PSD的受光面必须与成像光轴成一夹角ψ.其目的一是根据成像原理建立入射光斑与其像点斑位移的精确关系;二是可使像点最小,有利于提高测量精度.此时X与Y的关系据相似原理可得

　　(3)式与(2)式相比多了一未知数ψ值·显然,为保证光点成像于焦平面上,ψ值必须满足

　　然而ψ的结构尺寸误差可能会影响测量精度,因此必须精心选择,可根据不同情况决定是否要偏转PSD受光面.在(2)式和(3)式中,分母的X比do要小很多,因此可以忽略不计·这样,(2)式和(3)式可简化为