基于PSD的一维位移测量系统
0 引言
在某些工业场合中需要对位移进行非接触测量。PSD是
上世纪70年代研制成功的一种新型位置传感器,是一种新型
的能在其感光表面连续移动光点位置的光电传感器,具有很高
的几何分辨率,可以对位移进行精确的非接触测量。当入射光
是一个小光斑照射到光敏面时, PSD输出信号则与光的能量中
心位置有关,而对光斑的形状无严格要求,并可对光斑位置进
行连续测量。PSD具有频谱响应宽、响应速度快、信号处理简
单、便于与微机接口、可以进行非接触测量等优点,在精密尺寸
测量、三维空间位置、机器人定位系统、工业检测和监控、高能
物理实验等领域,具有广泛的应用价值。
该系统实现距离不小于10 m的远距离非接触测量, PSD
传感器是系统的核心,控制系统采集PSD的输出信号对其进行
运算处理后把数据打包通过RS-485接口传给上位机,位移值
在上位机界面上显示出来。
1 一维PSD的工作原理
PSD是一种独特的半导体光电器件,它的PN结结构、工作
状态、光电转换原理等与普通光电二极管类似,但它的工作原
理与普通光电二极管完全不同,后者基于PN结或肖特基结的
纵向光电效应,二极管通过光电流的大小反映入射光的强弱。
而PSD不仅是光电转换器,更重要的是光电流的分配器,通过
合理设置分流层和收集电流的电极,根据各电极上收集到的电
流的比例确定入射光的位置。PSD器件可分为线性(一维)PSD
和面型(二维)PSD,前者可以测定光点的一维位置坐标,后者
可以测定光点在二维平面上的位置坐标。实用的一维PSD器
件由P表面层、N表面层和I中间结构层构成,其中P层是一个
均匀的阻抗层。PSD的横截面如图1所示[1]。
PSD表面P层为感光面,两边各有一信号输出电极1、2。
底层的公共电极3可用来加反偏电压。当入射光点照射到PSD
光敏面上某一点时,假设产生总的光生电流为I0,由于在入射
光点与信号电极之间存在横向电动势,若在2个信号电极上接
上负载电阻,光电流将分别流向2个信号电极,从而在信号电
极上分别得到光电流I1和I2。显然,I1和I2之和等于总的光电
流I0,而I1和I2的分流关系取决于入射光点位置到2个信号电
极间的等效电阻R1和R2。
如果PSD表面层的电阻是均匀的,则PSD的等效电路如图
2(a)所示。由于Rsh很大,而Cj很小,故等效电路图可简化为
图2(b)的形式,其中R1和R2的值取决于入射光点的位置[2]。
假设负载电阻RL的阻值相对于R1和R2可以忽略,则
I1
I2=R2R1=L-xL+x(1)
式中:L为PSD中心点到信号电极间的距离;x为入射光点距
PSD中心点的位移。
式(1)表明, 2个信号电极的输出光电流之比为入射光点
到该电极间距离之比的倒数。将I0=I1+I2代入式(1),可得
I1=I0L-x2L, I2=I0L+x2L(2)
从式(1)、式(2)可以看出,当入射光点位置固定时, PSD的
单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不
变时,单个电极输出电流与入射光点距PSD中心的距离x成线
性关系。将式(2)作归一化处理可得
x=LI2-I1
I2+I1(3)
从式(3)可以看出:入射光点在光敏面上位置坐标x与入
射光的强度无关,这就是PSD的位置检测特性,即PSD是仅对
入射光点位置敏感的器件。
2 整机结构及工作过程
该系统由传感器模块、控制系统及上位机组成,图3为系统
结构框图。传感器模块包括PSD和激光器, PSD距激光器
10~15 m,激光器由单片机控制发光;控制系统对输入信号进行
处理运算;上位机显示位移值并且控制系统何时进行数据采集。
图3 系统结构框图
系统上电后单片机处于等待接收状态以接收上位机发送
的地址指令。当收到上位机发送的本机地址后首先控制激光
器发光, PSD有光照射时就输出与激光光斑中心位置有关的电
流I1、I2,用2个电阻R1、R2将其转换为电压信号(R1、R2选用
10 kΩ的金属膜电阻)。模数转换器将这2路电压信号转换为
数字量后被单片机读取,单片机进行相关的处理运算后将数据
打包通过RS-485总线发送给上位机,单片机又处于等待接收
状态等待接收上位机发送的地址信息。上位机收到位移数据
包后将当前位移值显示出来,然后发送下一条地址信息。由于
485总线的传输距离可达3 000 m,所以通过上位机可实现位移
测量的远程实时控制,测量时只需将激光头固定在移动的物体
上, PSD在10 m之外就能测量物体的位移,实现了非接触位移
测量。
3 硬件电路设计
3·1 单片机系统
单片机是控制系统的核心,它的主要功能是:接收上位机
发来的命令,以判断进行何种操作;控制A/D转换器采集PSD
的2路输出信号;将A/D所采到的数据进行处理、运算后打包
通过485接口上传给上位机。系统采用的单片机是
STC89C52RC,它是基于80C51中央处理单元的微控制器,与51
单片机完全兼容。STC89C52RC具有高速、高可靠、可在线编程
的特点,片内集成512字节RAM, 8 K字节的非易失性FLASH
程序存储器, 2K字节的E2PROM,满足系统要求[3]。
3·2 单片机与AD7714接口电路
在高精度及多路采样设备中,模数转换器芯片选用恰当与
否对系统整体性能非常关键。为实现分辨率为1μm,精度大
于5μm的测量,系统采用高精度的Σ-Δ模数转换器AD7714。
AD7714具有24位无误码输出;片内集成前端增益可编程放大
器和可编程低通滤波器;低功耗,典型电流值为226μA等特
点[4]。AD7714只需极少的外部元件便可以构成一个高精度的
测量系统,它的3线串行接口可以非常方便地与单片机接口。
图4为AD7714与STC89C52RC单片机接口电路。PSD输出的
电流信号由金属膜电阻R1、R2转换为电压信号,AD7714采集
这2个电压信号,MC1403为AD7714提供2·5 V参考电压以保
证转换精确,AD7714的时钟信号由2·457 6MHz的有源晶体提
供。
3·3 单片机与MAX485接口
系统中,单片机与上位机通信采用的是RS-485接口。在
RS-485接口中,逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6)V表
示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2-6)V表示,即485接口
传输的是差动信号,所以抗共模干扰能力增强,带载能力增大,
传输距离远最大可达3 km.MAX485接口芯片是一种RS-485
芯片,MAX485采用半双工通讯方式,可将TTL电平转换为RS
-485电平[5]。图5为单片机与MAX485接口电路。
4 软件设计
系统软件程序包括单片机程序和上位机程序。单片机程
序采用单片机高级语言KeilC51编写,主要实现地址判别即判
别上位机所发地址是否为本机地址以决定是否启动检测;控制
AD7714采集PSD当前位移信息,并计算出位移值;将位移值打
包发给上位机。图6为单片机程序流程图。
图6 单片机程序流程图
上位机程序用VisualC++可视化软件开发工具编写。上
位机程序向单片机发送地址,接收单片机上传的位移数据并将
其显示出来。为保证系统精度,将单片机传上来的数据乘以一
个系数做校正,而该系数可以根据情况在操作界面中随意调
整,这样就可以使系统在不同的应用环境中保持较高的精度。
5 系统调试
该系统的有效量程为-10~+10 mm.将系统固定在机床
工作台进行测试,该工作台的最小位移量为0·05 mm,在工作
台上安置了一只分辨率为1μm的千分表测试系统精度,激光
头离PSD传感器10 m.表1为系统测量值与千分表示值的部分
对比,在测量中上位机系数取值为1·143。因为千分表的量程
只有5 mm,所以采用分段测试。从测试数据可以看出系统与
千分表的测量差不超过3μm.
表1 系统测量值与千分表示值对比
系统测量值
d1/mm
Δd1
/mm
千分表示值
d2/mm
Δd2
/mm
(Δd2-Δd1)
/μm
-9·975 0·000 0·000 0·000 0
-8·480 1·495 1·497 1·497 2
-7·004 1·476 2·972 1·475 -1
-5·496 1·508 4·481 1·509 1
-5·088 0·000 0·000 0·000 0
-3·594 1·494 1·493 1·493 -1
-2·098 1·496 2·990 1·497 1
-0·597 1·449 4·439 1·449 -2
0·105 0·000 0·000 0·000 0
1·597 1·492 1·491 1·491 -1
3·078 1·481 2·973 1·482 1
4·574 1·496 4·470 1·497 1
5·011 0·000 0·000 0·000 0
6·513 1·502 1·501 1·501 -1
8·012 1·499 3·002 1·501 2
9·490 1·478 4·481 1·479 1
6 结束语
在研究一维PSD工作原理的基础上,设计了一种可用计算
机远程实时控制的非接触位移测量系统,该测量系统的激光发
射头距离PSD为10~15 m,测量量程为-10~+10 mm,分辨
率为1μm,精度较高,上位机可以根据现场情况更新标定系数
以确保测量精度。系统在工业现场工作稳定、可靠,是一种比
较理想的非接触位移测量系统。
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