CN109682299A - 基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统 - Google Patents

基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于远距离面内亚微米级位移测量与控制相关技术领域，其公开了一种基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，该系统包括第一激光器、激光位置调节组件、密闭管路子系统、位置敏感探测器、数据采集卡及微处理器，该第一激光器设置在该激光位置调节组件上，所述第一激光器发射的激光在该密闭管路子系统内沿直线传播；该位置敏感探测器收容在该密闭管路子系统中，该第一激光器及该激光位置调节组件也收容于该密闭管路子系统内，且该位置敏感探测器与该第一激光器分别位于该密闭管路子系统相背的两端；该数据采集卡连接该位置敏感探测器及该微处理器。本发明提高了控制精度及集成度，降低了成本，灵活性较好。

Description

基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统
技术领域
本发明属于远距离面内亚微米级位移测量与控制相关技术领域，更具体地，涉及一种基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统。
背景技术
远距离面内高精度位移测量技术被广泛地应用在静态的长直导轨直线测量、光学组件位置控制等系统中，通过远距离面内位移测量技术可以获得两个物体空间位置的相对信息。
其中，在沿光线方向的位移测量主要通过激光干涉仪来实现，但是在垂直光线方向上的位移测量，一个激光干涉仪配合一组直线度镜组只能测量一个方向的位移变化，安装调光难度大，且测量精度受限于光学镜组的加工精度，检测精度不高，造价高。现有的测量远距离面内的非接触方法主要是光测法，通过光敏传感器来获得光斑信息，从而获得两个方向的位移信息；光敏传感器主要有CCD图像传感器、四象限光电探测器和位置敏感探测器(PSD)，受限于传感器的加工工艺，CCD相机和四象限仪无法检测亚微米级的位移；而PSD传感器具有成本低、精度高、响应速度快、测量信号连续的特点，在远距离非接触式位置测量中有较大的优势，如专利CN201621393141公开了一种基于位置传感器的远距离位移测量系统(见图1)，所述位移测量系统由望远部分和信号处理部分组成，所述望远部分包括激光器15、位置传感器10、第一方棱镜11、第二方棱镜12、物镜16、目镜组17/18及滤光镜13，激光通过光路设计11-13-14-12-16照到物体上，经过16-12-14-13-11-13-01反射到PSD上，当物体产生角度运动时，反射到PSD上的光斑位置也会产生运动，从而可以根据PSD的光电效应来获得电流信息，继而计算出光斑的位移；但是该位移测量系统存在以下问题：1.PSD的数据不能直观地反应物体在垂直激光面内的X、Y方向的位移，只能确定物体的运动转角；2.由于环境因素的不稳定性，激光在传导过程中不是沿着直线进行传播的，在进行微米级测量时，会不可避免的引入环境噪声，且噪声远大于测量数据值，故该系统不能避免空气环境对测量的影响；3.不涉及对位移数据进行利用、反馈实现相对位移控制的技术方案；4.该系统集成度较低，安装调试比较复杂。相应地，本领域存在着发展一种精度较高的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于位移敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其基于现有远距离面内位移测量的特点，研究及设计了一种精度较高的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统。所述系统使得激光通过密封管路系统而被位置敏感探测器所接受，进而根据位置敏感探测器所产生的光电流信号来计算获得光斑的位移信号，并确定补偿位移，进而进行补偿运动，实现了激光器与光敏探测器的远距离相对位移的高精度控制，有效地减少了空气扰动的影响，可以实现高精度的控制，可靠性良好。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于位移敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，所述系统包括第一激光器、激光位置调节组件、密闭管路子系统、位置敏感探测器、数据采集卡及微处理器，所述第一激光器设置在所述激光位置调节组件上，通过调节所述激光位置调节组件来使得所述第一激光器发出的激光的光斑聚焦在所述位置敏感探测器的光敏面上，所述激光在所述密闭管路子系统内沿直线传播；所述位置敏感探测器收容在所述密闭管路子系统中，所述第一激光器及所述激光位置调节组件也收容于所述密闭管路子系统内，且所述位置敏感探测器与所述第一激光器分别位于所述密闭管路子系统相背的两端；
所述数据采集卡连接所述位置敏感探测器及所述微处理器，所述数据采集卡用于采集所述位置敏感探测器探测到的电流信号，并将采集到的电流信号传输给所述微处理器；所述微处理器根据所述电流信号计算出所述光斑在所述光敏面内的两个方向的实际位移，并将实际位移与预设的期望位移进行比较以计算出位移补偿数据，所述系统根据所述位移补偿数据进行反馈补偿运动，由此实现所述位置敏感感测器与所述第一激光器之间的相对位置控制。
进一步地，所述系统还包括位移补偿作动器，所述密闭管路子系统收容所述位置敏感探测器的一端设置在所述位移补偿作动器上。
进一步地，所述数据采集卡连接所述位移补偿作动器及所述微处理器；所述数据采集卡将接受到的所述位移补偿数据传输给所述位移补偿作动器，所述位移补偿作动器带动所述位置敏感探测器进行反馈补偿运动。
进一步地，所述激光位置调节组件包括x位移调节机构及y位移调节机构，所述x位移调节机构与所述y位移调节机构串联。
进一步地，所述激光位置调节组件包括x位移调节机构与角度调节机构，所述x位移调节机构与所述角度调节机构串联。
进一步地，所述位移补偿作动器为压电陶瓷作动器、电动位移平台或者六足位移平台。
进一步地，所述密闭管路子系统为真空管路系统。
进一步地，所述密闭管路子系统包括传感器嵌套腔体、真空管道及激光器腔体，所述真空管道相背的两端分别连接所述传感器嵌套腔体及所述激光器腔体。
进一步地，所述位置敏感探测器设置于所述传感器嵌套腔体内；所述第一激光器及所述激光位置调节组件收容于所述激光器腔体内。
进一步地，所述密闭管路子系统还包括两个法兰接头及两个真空卡箍，两个所述真空卡箍分别连接于所述真空管道相背的两端，两个所述法兰接头分别连接于两个所述真空卡箍，且两者分别连接于所述激光器腔体及所述传感器嵌套腔体。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统主要具有以下有益效果：
1.所述系统将位置敏感探测器及红外激光器进行结合，即所述第一激光器是连续激光器，如此使得测量分辨率可以达到0.1微米，且检测精度远远高于CCD传感器及四象限仪传感器，实现了亚微米级的位移测量。
2.所述位置敏感探测器收容在所述密闭管路子系统中，所述第一激光器及所述激光位置调节组件也收容于所述密闭管路子系统内，如此避免了外界环境对测量的影响，提高了精度，且安装方便，适用性较强。
3.所述位置敏感探测器为二维传感器；所述微处理器根据所述电流信号计算出所述光斑在所述光敏面内的两个方向的实际位移，结构简单，安装调试便捷，且集成度较高。
4.所述微处理器根据所述电流信号计算出所述光斑在所述光敏面内的两个方向的实际位移，并将实际位移与预设的期望位移进行比较以计算出位移补偿数据，所述系统根据所述位移补偿数据进行反馈补偿运动，由此实现所述位置敏感感测器与所述第一激光器之间的相对位置控制，实现了位移的测量及反馈控制，且可将远距离面内两物体之间的相对位移控制在1微米以下。
附图说明
图1是现有的基于位置传感器的远距离位移测量系统的示意图。
图2是本发明第一实施方式提供的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统的示意图。
图3是图2中的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统的坐标定义图。
图4是图2中的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统的位置敏感探测器的原理示意图。
图5是本发明第二实施方式提供的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统的位置敏感探测器的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一激光器，2-激光位置调节组件，21-激光器安装板，22-角度调节机构，23-X位移调节机构，24-调节组件安装板，3-位置敏感探测器，31-传感器嵌套腔体，4-位移补偿作动器，41-传感器安装板，5-密闭管路子系统，51-激光器腔体，52-真空管道，53-真空卡箍，54-法兰接头6-数据采集卡，7-微处理器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图2，本发明第一实施方式提供的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，所述系统包括第一激光器1、激光位置调节组件2、位置敏感探测器3、位移补偿作动器4、密闭管路子系统5、数据采集卡6及微处理器7，所述第一激光器1设置在所述激光位置调节组件2上，且所述第一激光器1及所述激光位置调节组件2收容于所述密闭管路子系统5内。所述位置敏感探测器3也收容于所述密闭管路子系统5内，其与所述第一激光器1分别位于所述密闭管路子系统5相背的两端。所述密闭管路子系统5收容所述位置敏感探测器3的一端设置在所述位移补偿作动器4上。所述位移补偿作动器4及所述位置敏感探测器3分别连接于所述数据采集卡6，所述数据采集卡6连接于所述微处理器7。
本实施方式中，所述第一激光器1、所述激光位置调节组件2、所述密闭管路子系统5及所述位置敏感探测器3组成位移测量子系统；所述数据采集卡6、所述微处理器7及所述位移补偿作动器4组成位移反馈控制子系统。
通过调节所述激光位置调节组件2来使得所述第一激光器1的光斑聚焦在所述位置敏感探测器3的光敏面上。所述位置敏感探测器3为二维传感器，其通过横向光电效应将所述第一激光器1的光斑的光信号转换为四个电流信号。所述数据采集卡6采集所述位置敏感探测器3的电流信号，并将采集到的所述电流信号传输给所述微处理器7，所述微处理器7根据接受到的所述电流信号数据计算出所述光斑在所述位置敏感探测器3的光敏面内的两个方向的位移信号，并与设定的位置进行比较，进而根据比较结果计算出所述位移补偿作动器4待补偿运动的位移数据，此后通过所述数据采集卡6将所述位移数据传输给所述位移补偿作动器4，所述位移补偿作动器4接受到所述位移数据后进行反馈补偿运动，以实现所述位置敏感探测器3与所述第一激光器1的相对位置控制。
如图3所示，x方向为垂直激光面内的水平方向；y方向为垂直激光面内的竖直方向；z方向为沿激光光线方向。请参阅图4，通过调节所述激光位置调节组件2来使所述第一激光器1的光斑照在所述位置敏感探测器3的光敏面上，所述位置敏感探测器3通过横向光电效应来将光信号转换为电流信号。本实施方式中，所述位置敏感探测器3为二维位置敏感探测器，产生了四向电流IX1、IX2、IY1、IY2；所述数据采集卡6采集所述位置敏感探测器3的模拟电流信号，并将所述模拟电流信号转换为数字信号传输给所述微处理器7，所述微处理器7根据接受到的所述数字信号计算出光斑的实际位置，并将所述实际位置与预先设定的x、y的期望位置进行比较，进而根据专家PID反馈控制算法求得需要补偿的位移，且将计算得到的位移数据传输给所述数据采集卡6，所述数据采集卡6将所述位移数据传输给所述位移补偿作动器4，以控制所述位移补偿作动器4的x方向和y方向的运动，以补偿光斑的运动，从而实现所述位置敏感探测器3与所述第一激光器1之间的相对位置控制。
计算光斑的实际位置时所采用的数学公式为：
本实施方式中，所述密闭管路子系统5可以采用真空管路子系统；所述激光位置调节组件2可以采用x位移调节机构与y位移调节机构串联，也可以采用x位移调节机构与角度调节机构串联；所述位移补偿作动器4可以为任意具有x、y向运动能力的实现方式，如x，y电动位移平台，压电陶瓷作动器、六足位移平台等；所述数据采集卡6可以采用工控机来代替。
所述第一激光器1发出的激光为940nm波长的红外激光，功率为0～5mw可调，波长稳定性为1nm/3℃；也可以采用不同波长的激光，功率和光斑大小需要满足所选定的所述位置敏感探测器3的要求即可。本实施方式采用X位移调节机构及角度调节机构串联，其中，所述X位移调节机构的行程为±10mm，运动分辨率为0.01mm；所述角度调节机构的角度调整范围是±10°，运动角度分辨率是0.02°。所述位移补偿作动器4采用六足位移平台，运动行程为±15mm，运动分辨率为0.1μm。
请参阅图5，本发明第二实施方式提供的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，所述系统包括第一激光器1、激光位置调节组件2、位置敏感探测器3、位移补偿作动器4、密闭管路子系统5、数据采集卡6及微处理器7，所述第一激光器1设置在所述激光位置调节组件2上，且所述第一激光器1及所述激光位置调节组件2收容于所述密闭管路子系统5内。所述位置敏感探测器3也收容于所述密闭管路子系统5内，其与所述第一激光器1分别位于所述密闭管路子系统5相背的两端。所述密闭管路子系统5收容所述位置敏感探测器3的一端设置在所述位移补偿作动器4上。所述位移补偿作动器4及所述位置敏感探测器3分别连接于所述数据采集卡6，所述数据采集卡6连接于所述微处理器7。
所述激光位置调节组件2包括角度调节机构22及与所述角度调节机构22串联的X位移调节机构23，所述X位移调节机构23通过调节组件安装板24连接于所述密闭管路子系统5。所述角度调节机构22位于所述X位移调节机构23的上方。所述第一激光器1通过激光器安装板21连接于所述角度调节机构22。
所述位置敏感探测器3设置在传感器嵌套腔体31内，所述传感器嵌套腔体31通过传感器安装板41安装在所述位移补偿作动器4上。本实施例中，所述位移补偿作动器4采用六足位移平台，可以进行x方向和y方向的补偿运动。
所述密闭管路子系统5包括两个法兰接头54、真空管道52、两个真空卡箍53及激光器腔体51，所述激光器腔体51用于收容所述第一激光器1及所述激光位置调节组件2。所述真空管道52的两端分别连接所述真空卡箍53，两个所述真空卡箍53通过两个所述法兰接头54分别连接于所述传感器嵌套腔体31及所述激光器腔体51。
本实施方式中，所述真空管道52的长度取决于实验要求长度，本实施方式的测量距离为3米，采用两段1.5米长的真空管道52，且所述真空管道52之间通过所述真空卡箍53相连接；所述法兰接头54与传感器嵌套腔体31之间形成螺纹连接。
本发明提供的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，所述系统避免了环境因素对远距离两物体面内亚微米级的相对位移控制的影响，可以实现亚微米级的高精度位移测量和控制。所述系统采用位置敏感探测器结合红外激光器的方法使得测量分辨率可以达到0.1微米，检测精度远高于CCD传感器和四象限仪传感器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：
所述系统包括第一激光器、激光位置调节组件、密闭管路子系统、位置敏感探测器、数据采集卡及微处理器，所述第一激光器设置在所述激光位置调节组件上，通过调节所述激光位置调节组件来使得所述第一激光器发出的激光的光斑聚焦在所述位置敏感探测器的光敏面上，所述激光在所述密闭管路子系统内沿直线传播；所述位置敏感探测器收容在所述密闭管路子系统中，所述第一激光器及所述激光位置调节组件也收容于所述密闭管路子系统内，且所述位置敏感探测器与所述第一激光器分别位于所述密闭管路子系统相背的两端；
所述数据采集卡连接所述位置敏感探测器及所述微处理器，所述数据采集卡用于采集所述位置敏感探测器探测到的电流信号，并将采集到的电流信号传输给所述微处理器；所述微处理器根据所述电流信号计算出所述光斑在所述光敏面内的两个方向的实际位移，并将实际位移与预设的期望位移进行比较以计算出位移补偿数据，所述系统根据所述位移补偿数据进行反馈补偿运动，由此实现所述位置敏感感测器与所述第一激光器之间的相对位置控制。
2.如权利要求1所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述系统还包括位移补偿作动器，所述密闭管路子系统收容所述位置敏感探测器的一端设置在所述位移补偿作动器上。
3.如权利要求2所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述数据采集卡连接所述位移补偿作动器及所述微处理器；所述数据采集卡将接受到的所述位移补偿数据传输给所述位移补偿作动器，所述位移补偿作动器带动所述位置敏感探测器进行反馈补偿运动。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述激光位置调节组件包括x位移调节机构及y位移调节机构，所述x位移调节机构与所述y位移调节机构串联。
5.如权利要求1-3任一项所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述激光位置调节组件包括x位移调节机构与角度调节机构，所述x位移调节机构与所述角度调节机构串联。
6.如权利要求1-3任一项所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述位移补偿作动器为压电陶瓷作动器、电动位移平台或者六足位移平台。
7.如权利要求1-3任一项所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述密闭管路子系统为真空管路系统。
8.如权利要求7所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述密闭管路子系统包括传感器嵌套腔体、真空管道及激光器腔体，所述真空管道相背的两端分别连接所述传感器嵌套腔体及所述激光器腔体。
9.如权利要求8所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述位置敏感探测器设置于所述传感器嵌套腔体内；所述第一激光器及所述激光位置调节组件收容于所述激光器腔体内。
10.如权利要求8所述的基于位置敏感探测器的远距离面内位移测量与控制系统，其特征在于：所述密闭管路子系统还包括两个法兰接头及两个真空卡箍，两个所述真空卡箍分别连接于所述真空管道相背的两端，两个所述法兰接头分别连接于两个所述真空卡箍，且两者分别连接于所述激光器腔体及所述传感器嵌套腔体。
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