基于PSD 的長管彎曲度測量系統(tǒng)設計

王強龍，潘宏俠，任海峰，郭鋼祥

(中北大學 機械工程及其自動化學院，山西 太原030051)

0 引 言

位置敏感探測器(position sensitive detector，PSD)是一種基于新型橫向光電效應的半導體器件，它能在感光表面上連續(xù)移動光點位置并且具有很高的幾何分辨率，可以對位移進行精確的非接觸測量。當入射光斑照到光敏面時，PSD 輸出的電壓信號與PSD 的光敏面上的光斑所在位置有關。PSD 具有響應時間短、位置分辨率高、光譜響應范圍大、便于與微機接口、非接觸測量等優(yōu)點，在超高速光通信、精密尺寸測量、兵工等領域具有廣泛的應用價值［1，2］。本文提出了以Hamamtsu 公司生產的S1880 型PSD 作為光電傳感器，STC89C58 單片機作為信息處理單元，結合其他外圍芯片的PSD 處理電路，并通過與上位機相互通信，詳盡介紹了PSD 彎曲度測量系統(tǒng)具體設計，實現(xiàn)實時測量和遠程控制。

1 彎曲度檢測系統(tǒng)設計方案

長管彎曲度檢測系統(tǒng)包括硬件和軟件系統(tǒng)［3］?；赑SD 作為長管彎曲度檢測硬件系統(tǒng)，用于測量和獲取基于零點的某一位置的長管彎曲度數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)光斑信號向模擬電流信號與數(shù)字信號的轉換，主要由機械部分、光學部分和電路部分等三部分組成;數(shù)據(jù)處理分析軟件系統(tǒng)，用于對獲取的數(shù)據(jù)進行處理，并計算彎曲度等參數(shù)。系統(tǒng)總體結構示意圖如圖1 所示。

激光器安裝在可移動的定心裝置上，在牽引機構牽引下沿長管軸向運動，激光束經過平行光管聚焦準直后由PSD接收，光斑在PSD 感光屏上的位置反映軸線位置，將光斑位置信號轉換為電信號，經過計算處理后，顯示彎曲度信息。

圖1 長管彎曲度檢測分析系統(tǒng)示意圖Fig 1 Detecting and analytical system diagram of curvatures of long tube

2 彎曲度檢測原理

光學部分結構組成與光路原理如圖2 所示，激光器發(fā)出波長為650 nm 的紅色激光束，經過準直儀和平行光管轉換為平行光束，壓縮成直徑小于1 mm 的激光束聚焦在PSD感光屏上。檢測電路將光斑位置信號轉換成電信號，經A/D 轉換后處理顯示，其電路主要由電源電路和數(shù)據(jù)采集電路組成。

圖2 檢測系統(tǒng)光學部分示意圖Fig 2 Schematic diagram of optics part of detecting system

圖3 為長管彎曲度計算原理圖。PSD 固定于長管Ⅱ端外側，PSD 坐標與大地坐標平行，測量時調整PSD 中心與長管截面中心重合(如不重合，數(shù)據(jù)處理時須作修正)。帶有激光器的彎曲度檢測裝置本體從長管的Ⅰ端向Ⅱ端移動，激光光束便沿定心位置軸向運動成為一系列與截面處相切的切線，同時切線的方向給出軸線在該點的方向角α

圖3 長管彎曲度計算原理圖Fig 3 Principle diagram of curvature calculation of long tube

其中，F(xiàn)(x0，y0)為定心裝置處于長管Ⅰ端時激光光斑在PSD 上的位置。

從長管Ⅰ端按步長h 移動檢測裝置本體，則可得到沿z方向不同截面處彎曲度曲線斜率值(激光器中心的軌跡即為長管彎曲度曲線)

其中，fp(xi，yi)=f(xi－1，yi－1)+h f'(xi－1，yi－1)，F(xiàn)(xi，yi)為激光器所在截面處于z=ih 處激光光斑在PSD 上的位置，L 為被測長管長度。由此可得長管彎曲度曲線n 個點的導數(shù)離散值，若已知f(0，0，0)=0，則可由迭代逐點求出z截面的彎曲度值。因f(x，y，z)是一空間曲線，為計算方便，可分別計算在y－z 與x－z 縱截面上的投影分量，這樣可求在y－z 和 x－z 面上彎曲度曲度分量。首先考慮 y－z 縱截面上的投影分量，為了提高迭代計算精度，采用改進的尤拉迭代法可得

由初始值，yi=0 開始迭代，逐步求出 y1，y2，…，yn－1，可得到y(tǒng)－z 縱截面的彎曲度分量，同理可求出x－z 縱截面的彎曲度曲度分量，z 截面上最大彎曲量用表示［4］。

3 檢測系統(tǒng)電路部分的設計

3.1 PSD 信號采集電路

當激光束照射到PSD 光敏面產生模擬信號，但是由于模擬信號在傳輸中容易受到外界干擾信號影響，干擾產生的噪聲和PSD 的測量信號混合后就難以分開，從而造成信號質量下降，測量誤差擴大。在信號采集處理之前加入A/D 轉換器將模擬電流信號轉換為數(shù)字電壓信號再進行處理，這樣可以避免一部分干擾，正確性也大大提高。信號采集框圖如圖4 所示。

圖4 信號采集框圖Fig 4 Block diagram of signal acquisition

系統(tǒng)中采用美國B－B 公司生產的ADS7825 作為A/D轉換芯片，它是4 通道16 位高速模數(shù)轉換器，數(shù)據(jù)采樣和轉換時間不超過 25 μs，可輸入 －10.0 ～10.0 V 的電壓，A/D轉換后的數(shù)據(jù)既可以并行輸出，也可串行輸出，輸出的電壓信號通過A/D 轉換器將模擬電壓轉換成數(shù)字信號，從而提高了抗干擾能力和信噪比。

PSD 光敏面上的光斑所在位置的坐標計算公式［5］為

式中 VX1，VY1，VX2，VY2為 PSD 電極 X1，Y1，X2，Y2輸出的電流經過I/V 轉換和A/D 轉換后的數(shù)字電壓信號，LX為PSD上的X 軸感光面的長度，LY為PSD 上的Y 軸感光面的長度。X，Y 分別是光斑的物理中心位置在PSD 感光面上的二維坐標，如圖5 所示為PSD 原理位置坐標圖。

圖5 PSD 位置坐標圖Fig 5 Position coordinates figure of PSD

3.2 單片機處理信號

系統(tǒng)采用單片機STC89C58 與A/D 轉換芯片ADS7825進行連接，單片機處理ADS7825 轉換的數(shù)據(jù)，并把處理的數(shù)據(jù)通過MAX7219 顯示芯片實時顯示出來，并通過MAX232芯片實現(xiàn)單片機與上位機的通信，從而實現(xiàn)遠程控制。單片機控制電路框圖如圖6 所示。

圖6 單片機控制電路Fig 6 Control circuit of MCU

系統(tǒng)采用ADS7825 作為信號采集的模擬芯片，用作并行數(shù)據(jù)輸出，單片機程序采用單片機高級語言Keil C51 編寫，應用程序如下:

3.3 上位機軟件

上位機程序應用Visual Basic 6.0 可視化軟件開發(fā)工具編寫。上位機程序向單片機發(fā)送指令，接收單片機上傳數(shù)據(jù)并作相應的數(shù)據(jù)處理，在測量過程中，X 方向和Y 方向的系數(shù)也是可以在操作界面中隨時調整的，這樣可以測得更準確的數(shù)據(jù)。圖7 為上位機軟件樹形結構圖。

圖7 上位機軟件樹形結構圖Fig 7 Tree structure graph of upper PC software

4 實驗結果與分析

將激光器固定在可以移動的定心裝置上，PSD 平面板固定在長管的另一頭，把PSD 測量裝置安裝在平行光管上，可以將激光光束壓縮成直徑小于1 mm 的平行光束打在PSD 光敏面上的中心8 mm×8 mm 的有效面積內，濾除背景光，提高測量精度。沿PSD 對角線方向正負運動4 mm，測得X 和Y 方向輸出電壓進行處理并修正后得出如圖8(a)，(b)所示?？梢钥闯?PSD 在幾何中心位置64 mm2范圍內有很好的線性度，進而可以測量出X 和Y 方向的線性系數(shù)，由圖8所示估算出X 方向轉換系數(shù)為0.850 6 V/mm，Y 方向轉換系數(shù)為0.877 9 V/mm。

實驗中針對155 mm 的長管進行了測量，測量結果如圖 9、圖 10 所示。

圖8 X，Y 方向系數(shù)的曲線Fig 8 Curve of X and Y direction coefficient

圖9 X，Y 方向測量曲線Fig 9 Measuring curve of X and Y direction

結果表明:在長1.5 m 的長管鋼管上測量試驗，以0.3 m處為參考點作0 點開始測量，由圖10 中可以看出:X 方向和Y 方向的彎曲度都在精度－10 ～+10 nm，整個長管的彎曲度為的最大值為8.574 6 nm。

5 結 論

圖10 彎曲度測量曲線Fig 10 Curve of curvature measurment

本文設計了一種可用計算機遠程實時控制的非接觸式PSD 位移測量系統(tǒng)，測量的量程為－4 ～+4 mm，分辨率為1 μm，單片機實時顯示數(shù)據(jù)，上位機可以根據(jù)現(xiàn)場情況更新標定X 方向，Y 方向系數(shù)以確保測量精度，實時控制單片機實現(xiàn)測量，實現(xiàn)對光點實時快速的響應，運行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可靠。

［1］ 龐亞平.位置敏感探測器的發(fā)展狀況及應用研究［J］.科技情報開發(fā)與經濟，2006，16(24):183 －184.

［2］ 戴明宇，劉萬富，張 平.位置敏感探測器(PSD)在雷達天線穩(wěn)定平臺測試中的應用［J］.計算機測量與控制，2006，13(2):154 －188.

［3］ 李向榮，李國棟，王國輝，等.火炮身管直線度監(jiān)測系統(tǒng)總體設計［J］.測試技術學報，2010，24(4):304 －307.

［4］ 賀安之，呂愛民，閆大鵬，等.火炮身管彎曲度、炮口角監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.彈道學報，1997，9(3):59 －62.

［5］ 田新啟，高 亹.二維PSD 及其在軸系標高變化測試中的應用術［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(9):115 －117.