The Design and Validation of PSD Tiny Displacement Measuring System

WANG Tao，TANG Qingqing，LIU Jiang，WANG Yuhan

(Physics College of Chongqing University，Shapingba District of Chongqing，Chongqing 401331，China)

The Design and Validation of PSD Tiny Displacement Measuring System

WANG Tao*，TANG Qingqing，LIU Jiang，WANG Yuhan

(Physics College of Chongqing University，Shapingba District of Chongqing，Chongqing 401331，China)

In order to improve the stability and precision of position sensitive device(PSD)output feeble current signal，this paper discusses the design of PSD drive and op-amp circuit.Main considerations include the selection of two levels precision op-amp，the design of power filtering module，digital analog anti-interference design in PCB，handling of power supply and ground，anti-interference of ambient light，the PSD and the op-amp integrated circuits，and the design of multi-channel magnification to adapt the different diffuse nature of the object to be tested，etc.In the end，different from traditional measurement scheme，this paper adopts a new method based on calibration measurement.By measuring the vibration waveform of tuning fork and fixed-point distance，it verifies that the stability and precision of the PSD tiny displacement measuring system is very good，and the measuring range is 20 mm，the displacement relative accuracy is up to 1.01%.

PSD;op-amp circuit;calibration measurement;stability;precision

隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，非接觸測(cè)量逐漸代替了接觸式測(cè)量［1］，其主要分為聲學(xué)法，光學(xué)法和電磁學(xué)法。激光三角法作為光學(xué)法的優(yōu)秀代表，具有分辨率高，體積小，響應(yīng)速度快，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，包括鋼板厚度的測(cè)量［6］，物體三維形貌的重建，微振動(dòng)測(cè)量，家具的雕刻，醫(yī)療，軍事及航空等。光電器件PSD相對(duì)于CCD有分辨率高，響應(yīng)速度快，后續(xù)信號(hào)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［2］，被廣泛應(yīng)用于激光三角法測(cè)量技術(shù)中。由于PSD輸出為微安級(jí)的電流信號(hào)［7］，所以其驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路［12］的設(shè)計(jì)尤其重要。

本文介紹了一維PSD器件的工作原理，PSD微位移測(cè)量原理，對(duì)PSD的驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，考慮因素如摘要中所述。最后通過(guò)標(biāo)定測(cè)量的方法，對(duì)音叉振動(dòng)波形以及定點(diǎn)距離進(jìn)行測(cè)量，得到了PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度較好的結(jié)論。

1 一維PSD器件的工作原理

本文采用的一維PSD是BOS－PSD0018，有效光敏面為1 mm×8 mm，最小分辨率0.3 μm，響應(yīng)時(shí)間0.2 μs，光譜響應(yīng)范圍380 nm～1 100 nm。

一維PSD是基于橫向光電效應(yīng)［9］的工作原理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和等效電路圖分別如圖1、圖2所示。

光斑照在一維PSD光敏面上，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電流大小與入射光斑重心位置到電極的距離成反比。理論上PSD光敏面電阻率均勻，由結(jié)構(gòu)圖1以及等效電路圖2(各參數(shù)意義如圖標(biāo)注)，兩電極輸出電流大小分別為I1，I2，再推出XA，可知由PSD兩級(jí)的輸出電流，可以計(jì)算出光斑在PSD上的位置。

推導(dǎo)如下:

圖1 一維PSD結(jié)構(gòu)

圖2 一維PSD等效電路

2 PSD微位移測(cè)量原理

PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，是基于直射式激光三角測(cè)距原理。激光通過(guò)匯聚透鏡，照射到被測(cè)物體的表面，被測(cè)物體表面發(fā)出漫反射光，通過(guò)接收透鏡成像于PSD上［10］，當(dāng)被測(cè)物體表面發(fā)生位移改變?chǔ)，對(duì)應(yīng)PSD成像光點(diǎn)位置移動(dòng)Δx。其中，a為參考物點(diǎn)成像對(duì)應(yīng)的物距，b為像距，θ是激光束與接收透鏡光軸之間的夾角，β為PSD光敏面與成像光軸之間的夾角。由系統(tǒng)滿足的幾何關(guān)系可推出式(4)

由于PSD光敏面長(zhǎng)度最長(zhǎng)只有8 mm，式(4)分母中第2項(xiàng)可以忽略，得到ΔY與Δx近似為線性關(guān)系［13］，由式(3)可知Δx與成正比，所以ΔY與

圖3PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)［13］

式(4)中角度等參數(shù)的測(cè)定容易產(chǎn)生誤差，區(qū)別于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，本文使用了一種標(biāo)定測(cè)量的方法，即預(yù)先將ΔY和經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路的I/V轉(zhuǎn)換和后級(jí)放大后變成了V1，V2)兩個(gè)變量進(jìn)行擬合，得其函數(shù)關(guān)系式，采集被測(cè)物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PSD兩級(jí)輸出運(yùn)放信號(hào)，得，將其代進(jìn)前面的擬合方程式，即可求得物點(diǎn)發(fā)生的位移ΔY。

3 PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)

PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)，考慮因素有:兩級(jí)精密運(yùn)放選擇，電源濾波模塊設(shè)計(jì)，數(shù)模抗干擾、電源和地的處理，抗環(huán)境光干擾［8］，PSD及其運(yùn)放電路集成化及放大倍數(shù)可調(diào)等。

3.1 核心器件的選型

PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路設(shè)計(jì)主要圍繞前級(jí)I/V轉(zhuǎn)換和后級(jí)精密放大電路進(jìn)行。PSD輸出兩路微弱的電流信號(hào)，一般在零點(diǎn)幾到幾個(gè)μA，所以前級(jí)I/V轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器要求偏置電流小(最好是在pA級(jí))，噪聲低，溫漂小以及單位增益帶寬大等。

前級(jí)I/V轉(zhuǎn)換后的兩路電壓信號(hào)仍然較小［16］，還需經(jīng)過(guò)后級(jí)進(jìn)一步精密放大，才適用于數(shù)據(jù)采集卡DMP610的量程范圍，以較大程度的利用采集卡的轉(zhuǎn)換精度。要實(shí)現(xiàn)精密放大，后級(jí)運(yùn)放要求輸入失調(diào)電壓小，低噪聲，低溫漂和高精度等。為進(jìn)一步適應(yīng)漫反射性質(zhì)強(qiáng)弱不同的被測(cè)物體，電路設(shè)計(jì)針對(duì)每一路PSD信號(hào)通過(guò)四路撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)可調(diào)，分別實(shí)現(xiàn)3、3.6、4.3、5.1倍放大。

常見運(yùn)放各參數(shù)如表1，由上述對(duì)兩級(jí)運(yùn)放的要求，最后選擇AD795作為系統(tǒng)前級(jí)I/V轉(zhuǎn)換運(yùn)放，其偏置電流只有1 PA，噪聲9 nV/，溫漂3 μV/℃，單位增益帶寬為1.6 MHz。選擇OP27作為系統(tǒng)后級(jí)精密運(yùn)放，其失調(diào)電壓只有10 μV，噪聲3 nV/，溫漂0.2 μV/℃，單位增益帶寬為8 MHz。此外OP27和OP37同為精密運(yùn)放，都具有失調(diào)電壓小，噪聲低和高精度的特性，它們的性能參數(shù)基本上一樣，主要區(qū)別僅在于OP37用于增益小于5的放大電路中會(huì)有自激振蕩，不穩(wěn)定的問(wèn)題，結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際放大倍數(shù)的需要，最后選擇了OP27。

表1 幾種參考運(yùn)放參數(shù)

3.2 電源濾波模塊設(shè)計(jì)

PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路需要用到正負(fù)12 V和5 V電壓供電，結(jié)合系統(tǒng)的緊湊性和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度考慮，采用現(xiàn)有的成品功能器件，正負(fù)12 V和正負(fù)5 V的4路電壓輸出的開關(guān)電源Q－60B。開關(guān)電源有體積小，電能利用率高和輕便等優(yōu)點(diǎn)，但其輸出紋波噪聲［3］較大，這無(wú)疑會(huì)對(duì)本系統(tǒng)的微弱信號(hào)檢測(cè)帶來(lái)極大的影響。對(duì)常見幾款開關(guān)電源的紋波參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析，紋波幅值在幾十到上百mV量級(jí)，頻率幾十kHz范圍，如Q－60B開關(guān)電源，紋波周期26.9 μs，+5 V電壓輸出的紋波幅值47.5 mV，+12 V對(duì)應(yīng)54.4 mV，－12 V對(duì)應(yīng)是77.5 mV，圖4所示為－12 V電源紋波參數(shù)。

根據(jù)上述開關(guān)電源紋波頻率范圍，結(jié)合各類電容的頻率和阻抗特性，最后選用諧振頻率較大的鉭電容和陶瓷電容［5］來(lái)設(shè)計(jì)電源濾波電路，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式C=1/F［4］，其中，C為濾波電容值，F(xiàn)為濾波截止頻率。最后選擇22 μF的鉭電容和0.1 μF的陶瓷電容并聯(lián)，作為電源的電容濾波電路。用示波器測(cè)試上述Q－60B開關(guān)電源經(jīng)過(guò)濾波電路后的紋波參數(shù)，發(fā)現(xiàn)紋波幅值有明顯的衰減，5 V檔減小為10.5 mV，+12 V檔對(duì)應(yīng)為8.9 mV，－12 V檔減小為15.9 mV。

圖4 －12 V電源紋波參數(shù)

3.3 PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路設(shè)計(jì)的其他因素考慮

電路設(shè)計(jì)中模擬微弱信號(hào)傳輸抗干擾問(wèn)題，PSD及其驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路集成問(wèn)題，環(huán)境光對(duì)PSD輸出信號(hào)穩(wěn)定性的影響問(wèn)題，電源和地的處理問(wèn)題等，都是必需要考慮的因素。

對(duì)于PSD輸出的微弱模擬電信號(hào)，開關(guān)電源紋波可以看作其數(shù)字噪聲干擾源，PCB設(shè)計(jì)中的共地，使得干擾問(wèn)題凸顯嚴(yán)重，因?yàn)殡娫醇y波最容易通過(guò)共地耦合到信號(hào)端。所以，電路設(shè)計(jì)將電源端和信號(hào)端隔開布局、分開走線，把信號(hào)地和電源地分開，用一個(gè)0 Ω電阻單點(diǎn)連接，最后區(qū)域化的分割電源地和信號(hào)地，分別敷銅，這樣可以最小化開關(guān)電源紋波噪聲對(duì)模擬信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。圖5、圖6分別為本設(shè)計(jì)的PSD驅(qū)動(dòng)電路的原理圖和實(shí)物圖。

圖5PSD驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖6PSD驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

PSD輸出信號(hào)傳輸距離越長(zhǎng)，可能受到的干擾就越大，所以電路設(shè)計(jì)將PSD及其驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路集成在一塊PCB板上以最小化PSD信號(hào)走線距離。再將整個(gè)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路板置于一個(gè)設(shè)計(jì)好的黑色暗盒中，暗盒前面針對(duì)PSD光敏面留大小適宜的透光孔，再在透光孔前加一片同激光透過(guò)波長(zhǎng)相近的濾光片，這樣就解決了環(huán)境光干擾問(wèn)題。

4 微位移測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度驗(yàn)證

4.1 音叉振動(dòng)波形驗(yàn)證穩(wěn)定性

為了驗(yàn)證PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將該系統(tǒng)用于音叉的微振動(dòng)測(cè)量，經(jīng)過(guò)光路的搭建、系統(tǒng)的標(biāo)定和最后的實(shí)際測(cè)量，最后得到音叉振動(dòng)波形圖如圖7、圖8，其中橫坐標(biāo)為測(cè)量所取的點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為音叉振幅(單位為mm)。

圖7音叉振動(dòng)信號(hào)波形1

圖7 為改進(jìn)前的驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路(前級(jí)I/V轉(zhuǎn)換和后級(jí)放大采用集成運(yùn)放LM324［15］，沒有考慮電源濾波，數(shù)模信號(hào)干擾和電源、地的處理等問(wèn)題)所測(cè)得的音叉振動(dòng)波形，其毛刺較多，即PSD信號(hào)輸出不穩(wěn)定，受到干擾較大。

圖8音叉振動(dòng)信號(hào)波形2

圖8 為改進(jìn)后(基于上述驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路設(shè)計(jì)的各種考慮因素)的電路所測(cè)得的音叉振動(dòng)波形，其對(duì)應(yīng)PSD輸出信號(hào)比較穩(wěn)定，受到的干擾較小，信噪比明顯提高。

4.2 定點(diǎn)距離測(cè)試驗(yàn)證測(cè)量精度

由上述PSD微位移測(cè)量原理［11］可知，由于a、b、θ、Δx等參數(shù)的測(cè)量容易引起誤差，本系統(tǒng)采用一種標(biāo)定測(cè)量的方法，即預(yù)先對(duì)物體移動(dòng)距離ΔY和 PSD輸出兩路運(yùn)放信號(hào)的計(jì)算值兩個(gè)變量進(jìn)行擬合，得其函數(shù)關(guān)系式。其中ΔY的變化采用帶滑軌的勻速57步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)被標(biāo)定物移動(dòng)得到，同時(shí)DMP610采集卡以一定的采樣頻率采集PSD輸出的兩路運(yùn)放信號(hào)，將得到的兩組變量數(shù)據(jù)在MATLAB環(huán)境下擬合，得兩變量函數(shù)關(guān)系式。最后測(cè)量實(shí)際物點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PSD兩級(jí)輸出運(yùn)放信號(hào)，得，將其帶進(jìn)前面的擬合方程式，最終求得物點(diǎn)位移ΔY。

用上述方法對(duì)兩組變量進(jìn)行函數(shù)擬合，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)于定點(diǎn)距離的測(cè)量，得到結(jié)論:四階擬合函數(shù)最符合系統(tǒng)實(shí)際情況。其對(duì)應(yīng)的函數(shù)方程式為Y=－35.4344x4－46.7238x3－18.7098x2+14.4346x +9.3272，(其中x對(duì)應(yīng)PSD兩級(jí)輸出運(yùn)放信號(hào)的計(jì)算值即，Y對(duì)應(yīng)物點(diǎn)位移)，標(biāo)定曲線如圖9所示。對(duì)被測(cè)物體處于不同的5個(gè)位置對(duì)應(yīng)的位移值進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，5個(gè)不同位置的移動(dòng)都由勻速步進(jìn)電機(jī)控制，對(duì)應(yīng)理論計(jì)算位移值依次為d1=3.04 mm，d2=4.755 mm，d3=6.245 mm，d4=7.915 mm，d5=9.56 mm，實(shí)際測(cè)得距離值依次為d'1=3.0386 mm，d'2= 4.8030 mm，d'3=6.1792 mm，d'4=7.9477 mm，d'5= 9.5533 mm，距離測(cè)量相對(duì)誤差最大為1.01%，最小為0.046%。實(shí)驗(yàn)表明改進(jìn)后的PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度較高。

圖9PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一維PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，介紹了一維PSD工作原理，PSD微位移測(cè)量原理，重點(diǎn)介紹了PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要考慮因素，包括:兩級(jí)精密運(yùn)放選擇，電源濾波模塊設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)中數(shù)模抗干擾，電源和地的處理，抗環(huán)境光干擾，PSD及其運(yùn)放電路集成化及適應(yīng)不同漫反射性質(zhì)被測(cè)物體的放大倍數(shù)可調(diào)等。最后基于一種區(qū)別于傳統(tǒng)測(cè)量方案的標(biāo)定測(cè)量法，通過(guò)音叉振動(dòng)波形和定點(diǎn)距離測(cè)量?jī)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定度較好，測(cè)量精度較高，距離測(cè)量相對(duì)誤差達(dá)到了1.01%。

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汪濤(1972－)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向包括光電檢測(cè)技術(shù)，光學(xué)儀器開發(fā)，ARM嵌入式開發(fā)，F(xiàn)PGA嵌入式開發(fā)等，wangtao@cqu.edu.cn;

唐清清(1988－)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)技術(shù)，F(xiàn)PGA嵌入式開發(fā)研究等，emmatqq@163.com。

PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

汪濤*，唐清清，劉江，汪雨寒
(重慶大學(xué)物理學(xué)院，重慶401331)

以提高PSD輸出微弱電流信號(hào)的穩(wěn)定性和精度為目的，討論了PSD驅(qū)動(dòng)、運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)。主要考慮因素包括:兩級(jí)精密運(yùn)放選擇，電源濾波模塊設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)中數(shù)模抗干擾，電源和地的處理，抗環(huán)境光干擾，PSD及其運(yùn)放電路集成化，以及適應(yīng)不同漫反射性質(zhì)的被測(cè)物體的多路放大倍數(shù)設(shè)計(jì)等。最后，區(qū)別于傳統(tǒng)的測(cè)量方案，采用一種基于標(biāo)定測(cè)量的方法。通過(guò)音叉振動(dòng)波形和定點(diǎn)距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了PSD微位移測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度都較好，測(cè)量范圍20 mm，位移測(cè)量相對(duì)精度達(dá)到1.01%。

PSD;運(yùn)放電路;標(biāo)定測(cè)量;穩(wěn)定性;精度

TN247

A

1004－1699(2014)04－0472－05

2013－09－16修改日期:2014－03－11

C:B4110;B4150

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.010