CN100501319C - 采用psd的光电倾角测量装置 - Google Patents
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Abstract
采用PSD的光电倾角测量装置是一种采用PSD(位置敏感探测器)和半导体激光测量倾角的装置，属于光电检测技术领域。现有所谓摆式电容倾角传感器由于其结构所限以及角度计算过程中的近似处理和电容边缘的非线性，其测量范围被限定在±5°之间；由于电容的充放电时间长决定了该传感器响应速度慢，不适合动态在线检测；再有就是其测量精度较低。而本发明将分光折转镜组作为固体摆，同时采用PSD作为检测器件，以半导体激光作为检测光源，利用PSD的位置探测功能，最终实现了较大范围在线精确测量倾角。作为一种光电检测装置与计算机技术结合可用于倾角的动态高精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用PSD(位置敏感探测器)和半导体激光测量倾角的装置，属于光电检测技术领域。
背景技术
运用摆测量倾角的装置均遵循铅垂原理，固体摆是一种常见的测量倾角的装置。为了提高测量精度，一种采用电容的摆式倾角测量装置由一篇刊登在《哈尔滨工业大学学报》第26卷第5期题为“摆式电容倾角传感器的设计”的文献所公开。该方案结构如图1所示，该装置是一个差动电容，在装置的两侧各有一个定电极1，由金属外壳2连通成为电容的公共电极，动电极3位于两个定电极1中间，通过挠性平桥4固定在壳体5内侧。动电极3由在石英簧片两侧镀的金属膜所构成，并且两侧的金属膜互不导通，分别与相对的定电极1相距d，产生的电容值分别为c1、c2。当电容倾斜，定电极1与铅垂方向mg所成的
角就是待测倾角。由于装置两侧的定电极1间距很小，为了获得较大的测量范围，采用具有一定刚度的挠性平桥4，从而使得动电极3与铅垂方向mg之间的夹角为
小于
电容值c与电极极板面积S、极板间距d、介质的介电常数μ的关系如下：
当动电极3因倾斜而与定电极1成θ角后，其两侧的金属膜与相对的定电极1的间距不再相等，因此产生了电容差，即：
Δc＝c2-c1
而Δc与倾角
之间具有确定的关系，结合关于θ角的中间运算结果，最终得出倾角
PSD是一种光电器件，可以实现位置探测。图2所示是一种枕形PSD，由一篇刊登在《功能材料与器件学报》第6卷第3期题为“二维PSD的结构和性能分析”的文献所公开，图中正方形虚线框内的区域为有效探测区，在此称之为PSD光敏面6，其边长为d。入射光斑照射到PSD光敏面6上某点P，从PSD四个顶点电极输出光电流I1、I2、I3、I4，产生位置模拟电信号。如果在光敏面6上建立坐标系，则可以根据输出的模拟电信号计算出入射光斑在光敏面6上的位置P坐标值，计算公式如下：
PSD能实现连续的位置模拟信号输出，不存在测量盲区，尤其是枕形PSD，它具有位置线性度良好、暗电流小、反偏容易等优点。
发明内容
现有所谓摆式电容倾角传感器虽然较传统机械固体摆侧角精度明显提高，但是，由于其结构所限以及角度计算过程中的近似处理和电容边缘的非线性，将测量范围限定在±5°之间；由于电容的充放电时间长决定了该传感器响应速度慢，不适合动态在线检测；再有就是其测量精度较低，在分级上。而现有的PSD尚未在测量倾角方面得到应用。为了实现较大范围在线精确测量倾角，我们发明了一种采用PSD的光电倾角测量装置。
本发明是这样实现的，见图3、图4所示，该装置是由PSD7、光源8和分光折转镜组9组成，分光折转镜组9作为固体摆呈铅垂状态，PSD7、光源8各自位于分光折转镜组9的两侧，光源8的出光方向为水平方向，所发出的光束与分光折转镜组9的分光镜面10的入射面相对，分光镜面10的透射面与PSD7的光敏面6相对，光源8的光轴与分光折转镜组9的摆轴平行，光敏面6与分光折转镜组9的铅垂方向的光轴平行，与光源8的光轴垂直，分光折转镜组9的反光镜面11与光敏面6相对，透过分光镜面10的光束与由反光镜面11反射的光束相平行且均照射在光敏面6上。
根据上述方案，当来自光源8的光束水平照射到分光折转镜组9的分光镜面10后，分为两束，透射的一束沿原方向照射到PSD7的光敏面6上，确定了位置P0，反射的一束被分光折转镜组9的反光镜面11反射到水平方向上，照射到光敏面6上，确定了位置P1。当被测部位12发生倾斜，PSD7随之倾斜，分光折转镜组9作为固体摆依然保持铅垂状态，被两次反射的那一束光照射到光敏面6上，确定了一个新的位置P2。P0分别与P1、P2的连线所形成的夹角
即为被测部位12的倾角。同样在光敏面6上建立直角坐标系，坐标原点位于光敏面6的几何中心。根据上述公式(1)、(2)可以计算出P0、P1、P2的坐标值(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，再根据公式
即可计算出倾角
PSD7选用d＝12mm的枕形PSD，其光敏面6周边区域的位置分辨率为1.5μm。那么，测量范围可以达到90°；角度测量分辨率达25.7831秒，与已知技术中的摆式电容倾角传感器相比，测量精度由分级提高到秒级；并且，由于PSD是一种对光非常敏感的器件，同时运用计算机技术实时处理由PSD提供的位置模拟电信号，并完成相关计算，完全可以实现在线动态测量。
附图说明
图1是现有摆式电容倾角传感器结构及倾角测量状态示意图。图2是现有PSD结构及位置探测状态示意图。图3是本发明之采用PSD的光电倾角测量装置结构主视示意图及初始测量状态示意图。图2是本发明之采用PSD的光电倾角测量装置结构左视示意图及初始测量状态示意图。图5是本发明之采用PSD的光电倾角测量装置结构主视示意图及结束测量状态示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
下面具体说明本发明之方案，见图3、图4所示，该装置是由PSD7、光源8和分光折转镜组9组成。PSD7选用枕形PSD，光敏面6边长d＝12mm，周边区域分辨率为1.5μm。分光折转镜组9作为固体摆呈铅垂状态，其高度h≤d，由直角棱镜和折转棱镜胶合而成，分光镜面10及反射镜面11均为45°镜面。PSD7、光源8各自位于分光折转镜组9的两侧。光源8的出光方向为水平方向，所发出的光束与分光折转镜组9的分光镜面10的入射面相对，光源8采用半导体激光器。分光镜面10的透射面与PSD7的光敏面6相对。光源8的光轴与分光折转镜组9的摆轴平行或者重合。光敏面6与分光折转镜组9的铅垂方向的光轴平行，与光源8的光轴垂直。分光折转镜组9的反光镜面11与光敏面6相对。透过分光镜面10的光束与由反光镜面11反射的光束相平行且均照射在光敏面6上。
Claims (4)
1、一种采用PSD的光电倾角测量装置，含有固体摆，其特征在于，该装置是由PSD(7)、光源(8)和分光折转镜组(9)组成，分光折转镜组(9)作为固体摆呈铅垂状态，PSD(7)、光源(8)各自位于分光折转镜组(9)的两侧，光源(8)的出光方向为水平方向，所发出的光束与分光折转镜组(9)的分光镜面(10)的入射面相对，分光镜面(10)的透射面与PSD(7)的光敏面(6)相对，光源(8)的光轴与分光折转镜组(9)的摆轴平行，光敏面(6)与分光折转镜组(9)的铅垂方向的光轴平行，光敏面(6)与光源(8)的光轴垂直，分光折转镜组(9)的反光镜面(11)与光敏面(6)相对，透过分光镜面(10)的光束与由反光镜面(11)反射的光束相平行且均照射在光敏面(6)上；来自光源(8)的光束水平照射到分光折转镜组(9)的分光镜面(10)后，分为两束，透射的一束沿原方向照射到PSD(7)的光敏面(6)上，确定了位置P0，反射的一束被分光折转镜组(9)的反光镜面(11)反射到水平方向上，照射到光敏面(6)上，确定了位置P1，当被测部位(12)发生倾斜，PSD(7)随之倾斜，分光折转镜组(9)作为固体摆依然保持铅垂状态，被两次反射的那一束光照射到光敏面(6)上，确定了一个新的位置P2，P0分别与P1、P2的连线所形成的夹角即为被测部位(12)的倾角。
2、根据权利要求1所述的光电倾角测量装置，其特征在于，PSD(7)选用枕形PSD。
3、根据权利要求1所述的光电倾角测量装置，其特征在于，分光折转镜组(9)其高度h≤d，由直角棱镜和折转棱镜胶合而成，分光镜面(10)及反射镜面(11)均为45°镜面，h为分光折转镜组(9)高度，d为光敏面(6)边长。
4、根据权利要求1所述的光电倾角测量装置，其特征在于，光源(8)的光轴与分光折转镜组(9)的摆轴平行或者重合。
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