PSD高精度位置测量系统的研究与设计(106042010199)

中图分类号 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 (2004) 022*******的各种因素 ,本研究从分析一维 PSD 的工作原理 入手 ,设计出了一套能够检测微米级位移的高精 时 ,两个检测电极输出电流为 I 1和 I 2 ,有1 一维 PSD 工作原理第 32卷第 2期 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版) Vol. 32 No. 2 2004年 2月 J . Huazhong Univ. of Sci. & Tech. ( Nature Science Edition) Feb. 2004PSD 高精度位置测量系统的研究与设计裴先登 罗 春 黄 浩(华中科技大学计算机科学与技术学院 ,湖北武汉 430074)摘要 :介绍了对一维位置敏感探测器外围信号处理电路的改进方法 ,通过减弱或消除噪声的影响 ,设计出了 一套可以测量微米级位置移动的高精度测量系统 ,并给出了实验结果 .关 键 词 :位置测量 ;位置敏感探测器 ;信号处理 ;背景光 ;数据采集Research of high precision position measurement systemand its design based on PSDPei Xian deng L uo Chu n Huang Haomoving t he effect of noise , a high precision position measurement system based on PSD wit h high precision was designed and t he experiment result s were also provided.Key words : position measurement ; position sensitive detector ; signal processing ; background light ; dataacquisitionPei Xiandeng Prof . ; College of Computer Sci. & Tech. , Huazhong Univ. of Sci. & Tech. , Wuhan430074 , China.在对光盘驱动器机构进行研究时 ,发现影响割型光电测距器件.图 1所示是 PSD 的结构原理 读盘性能的一个重要因素是光头与盘片的垂直及等效电路图[ 1 ] . 度 ,要检测出光头与盘片的垂直度 ,需要一套高精 度的能够测量到微米级位置移动的测量系统.一 维位置敏感探测器 ( PSD)因其位置分辨率高、响 应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路 简单等优点而成为首选.但 PSD 本身是模拟器 件 ,受环境和处理电路中其他器件性能等因素影 响较大 ,因此需要尽量克服和减少影响 PSD 性能 图 1 PSD 结构原理图和等效电路图当光束 Q 照射在距离 PSD 表面中心 X 处 度位置测量系统.( I 2 - I 1 ) / ( I 2 + I 1 ) = KX ( K 为常数) .因此如果设计外围电路使其输出为 ( I 2 -I 1) / ( I 2 + I 1 ) ,则电路的输出值与光点偏移量 XPSD 是一种能够连续检测光点位置的非分成正比 ,这便是 PSD 检测位置的原理.基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (69773074) .除 高线触 8 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版) 第 32卷2 高精度位置测量系统的设计与实现PSD 是电流型器件 ,对其输出信号的处理直 接关系到测量系统的精度.整个测量系统可以分 为信号处理电路和数据采集程序的设计两个部 分.2. 1 信号处理电路就是背景光和暗电流.一般来说 ,当需要测量微米 级位移时 ,信号检测需要分辨出毫伏级或毫伏级 以下的变化 ,而这个时候 ,如果没有消除背景光和 暗电流的影响 ,有用的信号就很容易被噪声所淹 没 [3 ] .消除背景光和暗电流通常有三种方法.第一 种是加干涉滤波片 ,只使被测量的光通过 ,而滤去 大部分的背景光 ,这种方法比较简单易行 ,但它不图 2是一维 PSD 的信号处理电路示意图. 能消除暗电流 ,在本系统的设计中 ,被测光源是 DVD 的光头发出的光 ,波长为 650 nm ,本身就在 可见光之内 ,用滤波片并不能完全滤除背景光 ,因 此本系统不采用这种方法.第二种是采用交流调 制频率来分离背景光和暗电流 ,这种方法的出发 点是考虑在仪器使用中干扰杂散光多为自然光或 人工照明 ,这类干扰源的特点是其亮度变化是缓 慢的 ,在 PSD 上造成的响应为直流和低频信号 , 如果对目标物发光进行高频调制 ,使 PSD 响应为 高频脉冲信号 ,则可在电路中采用高通滤波的方 法将信号与干扰分离 ,为保证位置解算的完成和在 PSD 上产生较高的目标物光强 ,应采用矩形波 图 2 一维 PSD 的信号处理电路a .基本检测处理电路.此部分主要包括前置放大器、加法器、减法 器、法器等.其中 IC 1～ IC 4为高精度运算放大 器.IC 1和 IC 2用于前置放大 ,应选用低温漂、高 输入阻抗的运算放大器 , R f 决定了其放大倍数 , 应根据入射光的强度合理选定 ,试验阶段为控制 放大倍数可以采用电位器来调节 ,但要提高其精 度 ,宜采用精确阻值的电阻.IC 3为减法器 , IC 4为加法器. R 1～ R 8一般采 用阻值相同的电阻.除法器应当采用高速、精度、形性能好的 实时模拟除法器.也可以采用软件的方法 ,分别把 加法和减法的信号采集到计算机中 ,然后再除 ,这 样做的好处是减少了受模拟器件本身性能的影 响 ,但通过数据采集卡采集的两个数据在时间上 有先后 ,不是真正的实时 ,而采用模拟除法器则没 有这样的缺点 ,选用一个高性能的模拟除法器可 以保证足够的精度.本系统的目标是能够检查出微米级的位置移 动 ,器件的选择非常重要. IC 1～ IC 4均采用 OP37 运算放大器 ,而模拟除法器则采用 AD I 公司生产 的实时模拟计算器件 AD538.b .背景光和暗电流消除电路.对于 PSD 性能影响比较大的一个噪声来源调制 ,同步位置解算.这种方法可以很有效地消除 背景光和暗电流 ,但是比较麻烦 ,而且在本系统 中 ,光源的功率不可以调节 ,也不宜采用这种方 法.第三种方法是加反偏电流 ,就是先检测出信号 光源熄灭时的背景光强的大小 ,然后在电路中加 入反向电流调零来抵消背景光和暗电流的影响 , 再点燃目标光源来进行测量.这种方法的缺点是 每次环境变化时都需要对电路进行调零 ,但比较 方便易行 ,而且效果良好 ,可以满足高精度的测量 要求 ,因此本系统采用这种方法.由于背景光和暗电流对 I 1和 I 2的影响相 同 ,因此减法可以认为不受影响.实际系统中采用 如图 2中的电路只对加法进行调零. 2. 2 数据采集程序的设计大致流程为 :首先程序初始化 ,设置通道、采 样率、发模式和缓冲区大小 ,赋值给表示前一个 位置值的变量 D 0为 0 ;然后打开光源开始测量 , 每次采集 512个样值取平均赋值给表示当前位置 值的变量 D 1 ,计算前后位移ΔD = D 1 - D 0 ,根据 ΔD 的正负值判断方向 ;若还需要测量 ,则将 D 1 赋值给 D 0 ,移动光源 ,进行下一次测量.从除法器出来的信号范围大约为±8 V ,要分 辨微米级的位移 ,需要分辨毫伏级的电压变化 ,一 般的 12位数据采集卡不能满足要求 ,必须采用 16位或 16位以上的数据采集卡.本系统采用 Adlink 的 9111 HR 数据采集卡 ,使用 Visual9扰 第 2和 3项分别为减法器输出 V 和加法器∑V第 2期 裴先登等 : PSD 高精度位置测量系统的研究与设计C + +在 Windows 2000下进行软件设计. 2. 3 几点注意事项将 PSD 用于高精度位移测量时 ,应当注意以输出 ,第 4项为除法器输出 D out = { 10 }μm ・ {Δ V } mV /∑{ V } mV .表 1 距离测量结果下几个方面 :a .应当选择稳定性好的光源.位置指示光源 强度太弱、动太大不能准确定位 ,太强又会使器 件饱和而不能正常工作.减少光强对测量精度的 影响 ,主要是控制指示光源输出功率的稳定性.b .对一维 PSD 的工作原理进行分析发现 ,I 1 + I 2 = I 0 ,而 I 0只是与光强的大小有关 ,因此在设计中 ,可以用 I 1 - I 2代替 ( I 2 - I 1 ) / ( I 2 +I 1)来进行位置移动的测量 .在实际的实验中 ,保D /μm 0 2. 5 5. 0 7. 5 10. 0 12. 5 15. 0 17. 5 20. 0V / mV 0 1. 0 2. 1 3. 2 4. 4 5. 4 6. 5 7. 3 8. 4∑V / V4. 182 4. 182 4. 182 4. 181 4. 181 4. 182 4. 182 4. 183 4. 182D out /μm 0 2. 39 5. 02 7. 65 10. 52 12. 91 15. 54 17. 45 20. 08持光强不变 ,用 I 1 - I 2测得的结果 ,基本上与用( I 2 - I 1 ) / ( I 2 + I 1 )测量相当 .如果考虑到用 I 1 - I 2代替 ( I 2 - I 1 ) / ( I 2 + I 1 ) ,减少了加法器和除法器这两个模拟器件本身的噪声干扰信号和温漂 , 用 I 1 - I 2测量应当更稳定一些 .c .本系统电路精度要求毫伏级读数不受干 扰 ,必须注意消除环境中的电磁干扰 ,采用模拟和 数字两级滤波 ,在除法器输出后加上低通滤波电 路滤去高频 ,在数据采集程序中做低频处理保证 读数的稳定.d . PSD 的非线形性是系统误差 ,在实际测量 22. 5 9. 3 4. 183 22. 23 25. 0 10. 6 4. 182 25. 34从表 1可以看出加法器输出∑V 稍微有一 点扰动 ,减法器输出基本上 1 mV 对应 2. 5μm 的 移动 ,也能够反映位置的移动变化.实际测量中减 法器输出在毫伏级非常稳定 ,跳变在 0. 2 mV 以 内 ,而除法器输出跳变较大一些 ,在 0. 6 mV 以 内 ,完全可以用减法器代替除法器来进行测量.实 际测量中还发现当激光照射在 PSD 中心位置时 , 线性性能较好.当实际测量距离很小的时候 ,应当 尽量选择 PSD 的中心位置做测量.中可以建立一张位移表 ,根据读数查表来确定位 参考文献移量.3 实验结果及讨论采用本方法设计出来的自动测量系统 ,经过[1 ]袁 峰 ,施 平 ,蒋祖军等 .位敏传感器 PSD 应用系统的设计 .哈尔滨科学技术大学学报 , 1994 , 18 ( 1) :4～7[ 2 ]王占强 ,徐伟弘 ,汪开源 .一维 PSD 信号调理电路及其应用 .仪表技术与传感器 ,1997 (12) : 25～28实验 ,可以分辨 2. 5μm 的位移 ,误差在 0. 4μm 以 内 ,结果如表 1 ,表中第 1项为实际移动距离 D , tors. IEEE Ttansactions on Instrumentation , 1997 , 45 (5) : 1 137～1 144我校计算机学院一“863”项目解决信息高速公路堵塞问题由计算机学院承担的国家“863”项目“虚拟化存储 系统”,2003年 12月 28日通过专家鉴定 ,在国内外率先 全方位解决了信息高速公路堵塞问题.计算机学院金海教授等研制完成的“虚拟化存储系 统”,采用广域网的虚拟化存储架构 ,提供灵活多样的数 据访问接口 ,全局数据共享与访问控制.用户只要装上 该系统 ,就可以实现资源共享 ,解决存储系统硬盘容量 不足问题 ,把有限的硬盘容量变为无限的共享容量.。