基于PSD 的长管弯曲度测量系统设计

王强龙，潘宏侠，任海峰，郭钢祥

(中北大学 机械工程及其自动化学院，山西 太原030051)

0 引 言

位置敏感探测器(position sensitive detector，PSD)是一种基于新型横向光电效应的半导体器件，它能在感光表面上连续移动光点位置并且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。当入射光斑照到光敏面时，PSD 输出的电压信号与PSD 的光敏面上的光斑所在位置有关。PSD 具有响应时间短、位置分辨率高、光谱响应范围大、便于与微机接口、非接触测量等优点，在超高速光通信、精密尺寸测量、兵工等领域具有广泛的应用价值［1，2］。本文提出了以Hamamtsu 公司生产的S1880 型PSD 作为光电传感器，STC89C58 单片机作为信息处理单元，结合其他外围芯片的PSD 处理电路，并通过与上位机相互通信，详尽介绍了PSD 弯曲度测量系统具体设计，实现实时测量和远程控制。

1 弯曲度检测系统设计方案

长管弯曲度检测系统包括硬件和软件系统［3］。基于PSD 作为长管弯曲度检测硬件系统，用于测量和获取基于零点的某一位置的长管弯曲度数据，并实现光斑信号向模拟电流信号与数字信号的转换，主要由机械部分、光学部分和电路部分等三部分组成;数据处理分析软件系统，用于对获取的数据进行处理，并计算弯曲度等参数。系统总体结构示意图如图1 所示。

激光器安装在可移动的定心装置上，在牵引机构牵引下沿长管轴向运动，激光束经过平行光管聚焦准直后由PSD接收，光斑在PSD 感光屏上的位置反映轴线位置，将光斑位置信号转换为电信号，经过计算处理后，显示弯曲度信息。

图1 长管弯曲度检测分析系统示意图Fig 1 Detecting and analytical system diagram of curvatures of long tube

2 弯曲度检测原理

光学部分结构组成与光路原理如图2 所示，激光器发出波长为650 nm 的红色激光束，经过准直仪和平行光管转换为平行光束，压缩成直径小于1 mm 的激光束聚焦在PSD感光屏上。检测电路将光斑位置信号转换成电信号，经A/D 转换后处理显示，其电路主要由电源电路和数据采集电路组成。

图2 检测系统光学部分示意图Fig 2 Schematic diagram of optics part of detecting system

图3 为长管弯曲度计算原理图。PSD 固定于长管Ⅱ端外侧，PSD 坐标与大地坐标平行，测量时调整PSD 中心与长管截面中心重合(如不重合，数据处理时须作修正)。带有激光器的弯曲度检测装置本体从长管的Ⅰ端向Ⅱ端移动，激光光束便沿定心位置轴向运动成为一系列与截面处相切的切线，同时切线的方向给出轴线在该点的方向角α

图3 长管弯曲度计算原理图Fig 3 Principle diagram of curvature calculation of long tube

其中，F(x0，y0)为定心装置处于长管Ⅰ端时激光光斑在PSD 上的位置。

从长管Ⅰ端按步长h 移动检测装置本体，则可得到沿z方向不同截面处弯曲度曲线斜率值(激光器中心的轨迹即为长管弯曲度曲线)

其中，fp(xi，yi)=f(xi－1，yi－1)+h f'(xi－1，yi－1)，F(xi，yi)为激光器所在截面处于z=ih 处激光光斑在PSD 上的位置，L 为被测长管长度。由此可得长管弯曲度曲线n 个点的导数离散值，若已知f(0，0，0)=0，则可由迭代逐点求出z截面的弯曲度值。因f(x，y，z)是一空间曲线，为计算方便，可分别计算在y－z 与x－z 纵截面上的投影分量，这样可求在y－z 和 x－z 面上弯曲度曲度分量。首先考虑 y－z 纵截面上的投影分量，为了提高迭代计算精度，采用改进的尤拉迭代法可得

由初始值，yi=0 开始迭代，逐步求出 y1，y2，…，yn－1，可得到y－z 纵截面的弯曲度分量，同理可求出x－z 纵截面的弯曲度曲度分量，z 截面上最大弯曲量用表示［4］。

3 检测系统电路部分的设计

3.1 PSD 信号采集电路

当激光束照射到PSD 光敏面产生模拟信号，但是由于模拟信号在传输中容易受到外界干扰信号影响，干扰产生的噪声和PSD 的测量信号混合后就难以分开，从而造成信号质量下降，测量误差扩大。在信号采集处理之前加入A/D 转换器将模拟电流信号转换为数字电压信号再进行处理，这样可以避免一部分干扰，正确性也大大提高。信号采集框图如图4 所示。

图4 信号采集框图Fig 4 Block diagram of signal acquisition

系统中采用美国B－B 公司生产的ADS7825 作为A/D转换芯片，它是4 通道16 位高速模数转换器，数据采样和转换时间不超过 25 μs，可输入 －10.0 ～10.0 V 的电压，A/D转换后的数据既可以并行输出，也可串行输出，输出的电压信号通过A/D 转换器将模拟电压转换成数字信号，从而提高了抗干扰能力和信噪比。

PSD 光敏面上的光斑所在位置的坐标计算公式［5］为

式中 VX1，VY1，VX2，VY2为 PSD 电极 X1，Y1，X2，Y2输出的电流经过I/V 转换和A/D 转换后的数字电压信号，LX为PSD上的X 轴感光面的长度，LY为PSD 上的Y 轴感光面的长度。X，Y 分别是光斑的物理中心位置在PSD 感光面上的二维坐标，如图5 所示为PSD 原理位置坐标图。

图5 PSD 位置坐标图Fig 5 Position coordinates figure of PSD

3.2 单片机处理信号

系统采用单片机STC89C58 与A/D 转换芯片ADS7825进行连接，单片机处理ADS7825 转换的数据，并把处理的数据通过MAX7219 显示芯片实时显示出来，并通过MAX232芯片实现单片机与上位机的通信，从而实现远程控制。单片机控制电路框图如图6 所示。

图6 单片机控制电路Fig 6 Control circuit of MCU

系统采用ADS7825 作为信号采集的模拟芯片，用作并行数据输出，单片机程序采用单片机高级语言Keil C51 编写，应用程序如下:

3.3 上位机软件

上位机程序应用Visual Basic 6.0 可视化软件开发工具编写。上位机程序向单片机发送指令，接收单片机上传数据并作相应的数据处理，在测量过程中，X 方向和Y 方向的系数也是可以在操作界面中随时调整的，这样可以测得更准确的数据。图7 为上位机软件树形结构图。

图7 上位机软件树形结构图Fig 7 Tree structure graph of upper PC software

4 实验结果与分析

将激光器固定在可以移动的定心装置上，PSD 平面板固定在长管的另一头，把PSD 测量装置安装在平行光管上，可以将激光光束压缩成直径小于1 mm 的平行光束打在PSD 光敏面上的中心8 mm×8 mm 的有效面积内，滤除背景光，提高测量精度。沿PSD 对角线方向正负运动4 mm，测得X 和Y 方向输出电压进行处理并修正后得出如图8(a)，(b)所示。可以看出:PSD 在几何中心位置64 mm2范围内有很好的线性度，进而可以测量出X 和Y 方向的线性系数，由图8所示估算出X 方向转换系数为0.850 6 V/mm，Y 方向转换系数为0.877 9 V/mm。

实验中针对155 mm 的长管进行了测量，测量结果如图 9、图 10 所示。

图8 X，Y 方向系数的曲线Fig 8 Curve of X and Y direction coefficient

图9 X，Y 方向测量曲线Fig 9 Measuring curve of X and Y direction

结果表明:在长1.5 m 的长管钢管上测量试验，以0.3 m处为参考点作0 点开始测量，由图10 中可以看出:X 方向和Y 方向的弯曲度都在精度－10 ～+10 nm，整个长管的弯曲度为的最大值为8.574 6 nm。

5 结 论

图10 弯曲度测量曲线Fig 10 Curve of curvature measurment

本文设计了一种可用计算机远程实时控制的非接触式PSD 位移测量系统，测量的量程为－4 ～+4 mm，分辨率为1 μm，单片机实时显示数据，上位机可以根据现场情况更新标定X 方向，Y 方向系数以确保测量精度，实时控制单片机实现测量，实现对光点实时快速的响应，运行稳定，测量数据可靠。

［1］ 庞亚平.位置敏感探测器的发展状况及应用研究［J］.科技情报开发与经济，2006，16(24):183 －184.

［2］ 戴明宇，刘万富，张 平.位置敏感探测器(PSD)在雷达天线稳定平台测试中的应用［J］.计算机测量与控制，2006，13(2):154 －188.

［3］ 李向荣，李国栋，王国辉，等.火炮身管直线度监测系统总体设计［J］.测试技术学报，2010，24(4):304 －307.

［4］ 贺安之，吕爱民，闫大鹏，等.火炮身管弯曲度、炮口角监测系统的研究［J］.弹道学报，1997，9(3):59 －62.

［5］ 田新启，高 亹.二维PSD 及其在轴系标高变化测试中的应用术［J］.传感器与微系统，2009，28(9):115 －117.