摘要:提出了一种新的测量系统对微小角度进行高精度的实时测量,并给出了系统的测量原理和设计。测量系统将位置敏感探测器(PSD)与计算机测量控制相结合,用光学的方法实现了在较高精度下对微小角度的动态测量,在±20’角度变化范围内可以达到0.1’精度,可以广泛的应用在小角度的高速高精度测量中。
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。
在实验中,PSD接收面前方放置一片与激光波长相匹配的滤光片,滤光片匹配中心波长631nm,半波带宽4.3nm,峰值透过率为72%。试验结果表明,在稳定的工作背景中,背景光对系统检测精度影响完全可以忽略。
4 测量系统设计
4.1 测量系统硬件组成
系统中的硬件主要包括激光器、PSD及其信号处理电路、数据采集卡、工业控制计算机。在高速测量中,信号处理速度和计算机运算能力决定了系统对高速旋转的待测面的测量能力。待测平面以200r/s的高速旋转时,为了实现实时测量,采样频率至少应该为1000Hz。PSD对光强变化的响应时间为1μs,处理电路处理PSD输出的时间延迟也只要几微秒,因此这部分的时延迟在实际的采样中完全可以不考虑。因此,系统的实时检测性能主要取决决于进行A/D转换的数据采集卡性能和计算机软件的实时性能。
4.2 测量系统的数据采集与软件设计
数据采集卡完成采样信号的A/D转换,本系统数据传输量不大,因此选择了ISA总线的数据采集卡,其最高A/D转换频率为100KHz,完全可以满足系统中对采样频率的要求。
在系统软件的设计中,系统的定时精度是决定系统实时测量性能的主要因素。对于Windows操作系统而言,使用高级语言进行软件开发较为方便,但系统的实时性较差。因此,系统采用了在VC++ 6.0开发环境中使用高级语言(C/C++)和汇编语言混和编程的方法,利用Intel公司提供的RDTSC(Read Time-Stamp Counter)机器指令对计算机CPU时间戳计数器(Time-Stamp Counter)进行访问,获得了纳秒级的定时标准,完成了高精度实时测量软件的开发,满足了系统的要求。
5 系统的分辨率和测量不确定度
系统整体的分辨率、检测误差与测量角度范围是一个测量系统的重要指标。本系统中,系统的分辨率主要取决于PSD的位置分辨率,测量的精度主要取决于激光束的质量和PSD的位置检测误差。PSD到待测平面的距离以及PSD光敏面的大小是限制测量范围的主要因素。
PSD不同于CCD等表面分割型器件,它是表面连续型的器件。因此分辨率要比CCD等高的多,对系统采用的W202型PSD器件,其分辨率可达2μm。在PSD光敏面与待测面之间距离L=1m时,可以得到系统的角度分辨率:
6 系统应用实例
应用本系统在某型陀螺转子偏转角的检测中取得了良好的效果,数据检出时间短,精度高,提高了生产效率和产品质量。根据陀螺转子的定轴性原理,当陀螺转子高速旋转时,角速度方向不变。陀螺转速越高,定轴性越好。由于制造工艺误差等原因,陀螺转子质量分布往往不是严格轴心对称的,陀螺旋转轴的方向会偏离理想的中心轴(质量分布严格中心对称时的中心轴)方向,角速度方向矢量将作圆周运动[6]。偏离的角度越大,转子的质量越差。在生产过程中要求能够快速准确的检测出偏离角度的大小,然后采取相应的措施,提高陀螺转子的质量。
陀螺转子有一个旋转抛物面型的金属反射镜,反射镜中心轴和陀螺转子中心轴重合。检测出反射镜中心轴的偏离角度即可得到陀螺转子中心的偏离角度。激光束经反射镜反射后入PSD,陀螺转子偏离角度不为零时,PSD上的光点将做圆周运动。圆半径对反射镜上激光束入射点张开的角度即为陀螺转子的偏离中心轴角度。
下面实验中,陀螺转子(样品)转速约为以124.7r/s,系统采样频率1ms,陀螺反射镜上入射点到PSD距离0.9m。陀螺每旋转一周,采集8个位置数据,较好的反映了陀螺转子的瞬时状态。PSD输出数据如表1所示,采用实时软件绘出光斑轨迹并用圆曲线进行拟合(如图3),然后计算出角度的大小。
其中,圆心坐标为(0. 949mm, 0. 499mm),圆半径为0.606mm,每格长度为1mm。测量时分辨率可达0.1’,数据读出时间小于1秒。根据(1)式可以得到此时陀螺转子偏转角度的大小:
7 结束语
本系统将传统光学测量方法与计算机技术、传感器技术较好的结合了起来,大大提高了动态实时测量的测量范围和精度,这也是检测技术走向多学科理论和技术相融合的结果。除了可以对平面角度进行检测外,本系统还可以应用在抛物面、圆曲面等的测量中(需对光束进行变换和调整)。在以后的科研中,重点是提高系统的精度和对更高频率的变化目标进行检测的能力,以获得更好的检测性能,应用到更多的领域中。
8 参考文献:
[1] 陶卫,浦邵邦,孙运斌.角度测量技术的发展[J].激光杂志,2002,23(2):5-7
[2] 程继伟,等.位置敏感探测器在转角测量中的应用[J].传感器技术,2002,21(10):40-42
[3] 袁红星,贺安之,李振华.PSD位置特性与光斑及背景的关系研究[J].东南大学学报,1999,29(2):145-149
[4] 裴先登,罗春,黄浩.PSD高精度位置测量系统的研究与设计[J].华中科技大学学报,2004,32(2):7-9
[5] MASAYUKI.K.AUTHOR,Hole position and inclination sensorwith 2dimensional PSD, and its application to automatic shaft inserting[J].InternationalConference onMultisensor and Integration for Intelligent Systems,2000,45(4):75-79
[6] 周衍柏.理论力学教程[M].北京:高等教育出版社,1986
周保玉(1980-),男,硕士研究生,现从事计算机测控与激光技术方面研究。
