基于PSD 的長管彎曲度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王強(qiáng)龍，潘宏俠，任海峰，郭鋼祥

(中北大學(xué) 機(jī)械工程及其自動(dòng)化學(xué)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(yīng)的半導(dǎo)體器件，它能在感光表面上連續(xù)移動(dòng)光點(diǎn)位置并且具有很高的幾何分辨率，可以對(duì)位移進(jìn)行精確的非接觸測量。當(dāng)入射光斑照到光敏面時(shí)，PSD 輸出的電壓信號(hào)與PSD 的光敏面上的光斑所在位置有關(guān)。PSD 具有響應(yīng)時(shí)間短、位置分辨率高、光譜響應(yīng)范圍大、便于與微機(jī)接口、非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，在超高速光通信、精密尺寸測量、兵工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值［1，2］。本文提出了以Hamamtsu 公司生產(chǎn)的S1880 型PSD 作為光電傳感器，STC89C58 單片機(jī)作為信息處理單元，結(jié)合其他外圍芯片的PSD 處理電路，并通過與上位機(jī)相互通信，詳盡介紹了PSD 彎曲度測量系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量和遠(yuǎn)程控制。

1 彎曲度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

長管彎曲度檢測系統(tǒng)包括硬件和軟件系統(tǒng)［3］。基于PSD 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(diǎn)的某一位置的長管彎曲度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)光斑信號(hào)向模擬電流信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，主要由機(jī)械部分、光學(xué)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(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并計(jì)算彎曲度等參數(shù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

激光器安裝在可移動(dòng)的定心裝置上，在牽引機(jī)構(gòu)牽引下沿長管軸向運(yùn)動(dòng)，激光束經(jīng)過平行光管聚焦準(zhǔn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過計(jì)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(xué)部分結(jié)構(gòu)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(jīng)過準(zhǔn)直儀和平行光管轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)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(xué)部分示意圖Fig 2 Schematic diagram of optics part of detecting system

圖3 為長管彎曲度計(jì)算原理圖。PSD 固定于長管Ⅱ端外側(cè)，PSD 坐標(biāo)與大地坐標(biāo)平行，測量時(shí)調(diào)整PSD 中心與長管截面中心重合(如不重合，數(shù)據(jù)處理時(shí)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(dòng)，激光光束便沿定心位置軸向運(yùn)動(dòng)成為一系列與截面處相切的切線，同時(shí)切線的方向給出軸線在該點(diǎn)的方向角α

圖3 長管彎曲度計(jì)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(shí)激光光斑在PSD 上的位置。

從長管Ⅰ端按步長h 移動(dòng)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(gè)點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)離散值，若已知f(0，0，0)=0，則可由迭代逐點(diǎn)求出z截面的彎曲度值。因f(x，y，z)是一空間曲線，為計(jì)算方便，可分別計(jì)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(jì)算精度，采用改進(jìn)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(shè)計(jì)

3.1 PSD 信號(hào)采集電路

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

圖4 信號(hào)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(chǎn)的ADS7825 作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是4 通道16 位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過 25 μs，可輸入 －10.0 ～10.0 V 的電壓，A/D轉(zhuǎn)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(hào)通過A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(biāo)計(jì)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(jīng)過I/V 轉(zhuǎn)換和A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號(hào)，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(biāo)，如圖5 所示為PSD 原理位置坐標(biāo)圖。

圖5 PSD 位置坐標(biāo)圖Fig 5 Position coordinates figure of PSD

3.2 單片機(jī)處理信號(hào)

系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C58 與A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADS7825進(jìn)行連接，單片機(jī)處理ADS7825 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并把處理的數(shù)據(jù)通過MAX7219 顯示芯片實(shí)時(shí)顯示出來，并通過MAX232芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。單片機(jī)控制電路框圖如圖6 所示。

圖6 單片機(jī)控制電路Fig 6 Control circuit of MCU

系統(tǒng)采用ADS7825 作為信號(hào)采集的模擬芯片，用作并行數(shù)據(jù)輸出，單片機(jī)程序采用單片機(jī)高級(jí)語言Keil C51 編寫，應(yīng)用程序如下:

3.3 上位機(jī)軟件

上位機(jī)程序應(yīng)用Visual Basic 6.0 可視化軟件開發(fā)工具編寫。上位機(jī)程序向單片機(jī)發(fā)送指令，接收單片機(jī)上傳數(shù)據(jù)并作相應(yīng)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(shí)調(diào)整的，這樣可以測得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。圖7 為上位機(jī)軟件樹形結(jié)構(gòu)圖。

圖7 上位機(jī)軟件樹形結(jié)構(gòu)圖Fig 7 Tree structure graph of upper PC software

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將激光器固定在可以移動(dòng)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(nèi)，濾除背景光，提高測量精度。沿PSD 對(duì)角線方向正負(fù)運(yùn)動(dòng)4 mm，測得X 和Y 方向輸出電壓進(jìn)行處理并修正后得出如圖8(a)，(b)所示。可以看出:PSD 在幾何中心位置64 mm2范圍內(nèi)有很好的線性度，進(jìn)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(zhuǎn)換系數(shù)為0.850 6 V/mm，Y 方向轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.877 9 V/mm。

實(shí)驗(yàn)中針對(duì)155 mm 的長管進(jìn)行了測量，測量結(jié)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(jié)果表明:在長1.5 m 的長管鋼管上測量試驗(yàn)，以0.3 m處為參考點(diǎn)作0 點(diǎn)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(gè)長管的彎曲度為的最大值為8.574 6 nm。

5 結(jié) 論

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

本文設(shè)計(jì)了一種可用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(jī)實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，上位機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場情況更新標(biāo)定X 方向，Y 方向系數(shù)以確保測量精度，實(shí)時(shí)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)光點(diǎn)實(shí)時(shí)快速的響應(yīng)，運(yùn)行穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)可靠。

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