CN201155969Y - 利用二维psd位置传感器测量矩形导轨直线度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的装置，包括光学部分、PSD传感器和信号处理电路。光学部分包括光学支架上设置的激光器，激光器的发射端连接有准直装置，在准直装置的照射区设置有PSD传感器，PSD传感器安装在直线矩形导轨上的工作台上，工作台由与PC机4连接的驱动电机驱动，PSD传感器与信号处理电路连接；信号处理电路包括I/V转换电路，I/V转换电路与加减电路、除法电路、模拟通道选择开关、A/D转换器、单片机和串行通讯电路依次连接，串行通讯电路与上位机连接。本实用新型在具体实施时将整个装置作成一个能够独立工作的数据采集箱，信号的采集由内置单片机控制来实现，实现了小型化、集成化、数字化以及易用性。

Description

利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的装置

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的装置。

背景技术

世界各个国家对导轨直线度测量领域一直予以高度重视，并不断推出新型高精度直线度测量方法和装置，以满足日益增长的对产品质量的要求。对导轨直线度的测量有两方面的目的和要求，一是精确度要求，即测量结果必须达到一定的可信程度；二是经济性要求，即在保证测量结果精确性的前提下，应使测量过程简单、经济，花费代价最小。要满足这两方面的要求，应使用集光、机、电、算等新技术于一体的新型测量仪器，进行实时、快速、非接触测量，这是现代导轨空间直线度测量技术的发展方向。

无直线基准测量法，是指被测对象直线度的测量不是与某种直线基准进行比较，而是沿被测表面以线值测量的方法，得到被测表面上各采样点的偏差值，然后经数据处理得到被测对象的直线度误差。

直线基准测量法是直接采用一定的直线基础(Straight Line reference)，并以此基准来检测被测表面的直线度误差(线差或角度值)，从而获得被测表面的直线度误差值。所采用的直线基准通常实物基准、重力水平基准和光线基准有三种方法。

目前国内外在圆度、平行度以及表面粗糙度等计量领域甚至已达到纳米级测量精度水平，然而直线度的测量精度却不高，特别是在大长度范围的直线度测量领域，其精度水平更远远落后于其他计量项目。国际上只有少数几个国家达到了0.1μm/m高的精度水平。我国目前仍采用长平晶组分段互检方法作为导轨直线度检定基准，装置操作复杂，检定结果精度不高(特别是在测量大尺寸零件时尤为明显)，这种状况严重制约着我国精密计量测试领域的发展步伐。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的装置，解决了现有技术中存在的操作复杂，检定结果精度不高的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的装置，包括光学部分、PSD传感器和信号处理电路，光学部分包括光学支架，在光学支架上设置有激光器，激光器的发射端连接有准直装置，在准直装置的照射区设置有PSD传感器，PSD传感器安装在直线矩形导轨上的工作台上，工作台由驱动电机驱动，驱动电机与上位机连接，PSD传感器与信号处理电路连接；信号处理电路包括I/V转换电路，I/V转换电路与加减电路、除法电路、模拟通道选择开关、A/D转换器、单片机和串行通讯电路依次连接，串行通讯电路与上位机连接。

A/D转换器选用12位的AD574A转换器。

单片机选用AT89C51。

上位机选用PC机。

串行通讯电路选用RS-232。

本实用新型的有益效果是检定结果精度高，并且实现了小型化、集成化、数字化以及安装简便，操作容易。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理示意图；

图2是本实用新型的I/V转换电路示意图。

图中，1、激光器，2、PSD传感器，3、信号处理电路，4、PC机，5、单片机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型是一种新的非接触检测技术装置，它以激光、红外、光纤等现代元器件为基础，通过对被检物体的光辐射进行检测，利用光电技术将位置的变化转化为电信号完成测量的，提取出有关所需的物理量，并利用了位置传感器、单片机、PC机等，是一种能够检测矩形导轨空间直线度的光电系统，能够准确地完成导轨的直线度误差测量，并能对导轨的直线度误差进行计算，对直线度误差进行评定，并对系统进行误差分析。

本实用新型包括光学部分、PSD传感器和信号处理电路，光学部分包括光学支架，在光学支架上设置有激光器1，激光器的发射端连接有准直装置，在准直装置的照射区设置有PSD传感器2，PSD传感器2安装在直线矩形导轨上的工作台上，工作台由驱动电机驱动，驱动电机与PC机4连接，PSD传感器2与信号处理电路3连接；信号处理电路3包括I/V转换电路，I/V转换电路与加减电路、除法电路、模拟通道选择开关、A/D转换器、单片机5和串行通讯电路依次连接，串行通讯电路与PC机4连接。

光学部分的作用是作为光源并对光源进行准直，主要由精密的光学架、激光器和准直装置构成；信号处理电路主要是对传感器所输出的信号进行模拟运算，得到相对坐标的电压信号，再由A/D转换器将模拟量进行转换，并对转换后的数字信号进行采集、存储和发送，主要由I/V转换电路、加减电路、除法电路、模拟通道选择开关、A/D转换器、单片机和串行通讯电路组成。

除法电路选用AD538，是美国公司出品的实时模拟计算器件，能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。

如图1所示，为本实用新型的工作原理示意图。本实用新型采用有直线基准测量中的激光准直的测量方法，以激光束的能量中心线为直线基准，由光电位置敏感元件进行测量。激光器发出光信号，经准直装置后，由PSD传感器接收，PSD传感器将光信号输入信号处理电路进行一系列的处理，从单片机通过串行通讯电路上传到PC机，得到各种参数和结果。

PSD器件是一种新型的光电元件，它除了具有光电二极管阵列和CCD器件所具有的定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快、实时性强和电路配置简单等特点，因而正在逐渐被人们所重视。

单片机5采用ATMEL公司生产的AT89C51，具有集成度高、功能强、速度快、体积小、价格低、使用方便、性能可靠等特点。

A/D转换器选用12位的AD574A转换器。

低输入/输出偏移电压和优异的线性性能的结合，使其可在一个非常宽的输入动态范围内进行精确的运算。激光调整技术可使乘/除运算误差控制在输入幅值的0.25％的范围之内。通常输出偏移小于或等于100μV。由于器件具有400kHz带宽，进一步加强了实时模拟信号的处理能力。因此，AD538具有其它同类产品所不具备的特殊优点。

自聚焦光纤具有体积小(长约10mm，2mm)、成本低、光能利用率高、准直效果好的特点，所以我们可采用自聚焦光纤对光束进行准直。

只有梯度折射率型光纤才具有聚焦作用，光纤中纤芯的折射率从光轴开始沿径向大致按抛物线规律分布而逐渐减小，基于几何光学中全反射定律，光在纤芯中传播会自动地从折射率较小的界面向光轴会聚。

如图2所示，是I/V转换电路示意图。该电路使用LM224放大PSD输出的四路微弱信号电路。这里的LM224采用单电源供电，正电压为+5V，通过电容C1滤波。PSD信号经过电阻R3转换为电压Vi，Vi经过C2实现低通滤波，R3一般选取阻值小的精密电阻，取值在800Ω左右，目的是减少后级对Vi值的影响。该电路为简单的正向放大电路，输入接到正向输入端，放大器的放大倍数为(1+R2/R1)。

通过调节可调节电阻R2，可使输出V0随光点打在PSD不同位置而在0～2.43V变动，符合单片机A/D转换的要求，并尽量占满A/D的量程，这样可以提高测量精度。在该电路中一片PSD只需要一片LM224和几个电阻、电容即可制作成，非常简单。

本实用新型利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的方法是：在导轨的一端安装精密光学架，将激光器固定在支架上；在导轨上装一可在导轨上运动的工作台，将PSD传感器安置在工作台上，通过调整，在初始位置时使得激光器的光斑打到PSD传感器的中心位置，四个输出信号相同，输出的相对坐标为零；当PSD传感器随工作台运动到某一位置时，激光器的光斑就会因为导轨的直线度误差而偏离PSD的中心位置，从而引起PSD四个输出端的输出不同，经过处理电路的处理之后得到其相对的坐标值，经单片机采集将数据发送给PC机，PC机进行进行数据的处理和分析，便可获得导轨的直线度误差。

本实用新型在实验之前，必须先进行系统标定，否则会引起较大的误差。

PSD入射光斑重心位置的线性计算公式是在理想条件下得到的，如器件的分流层电阻率均匀分布，忽略漏电流、反向饱和电流的存在等。然而实际中，由于加工工艺等条件的限制，生产出来的PSD往往不能百分之百地达到上述条件，加之信号处理电路中器件的微小误差和使用中环境光的加入等因素，使得入射光斑的实际位置与计算机得到的PSD的读数位置之间呈现一种非线性的关系。我们将计算机得到的PSD读数坐标值记为(x，y)，与此对应的实际入射光斑在PSD感光面上的位置坐标为(x，y)，则标定工作就是找到(x，y)与(X，Y)的对应关系。

为此将二维PSD安装在二维精密电动平移台的工作台面上(重复定位误差＜5μm)，调整激光器使其光斑照射在PSD感光面上并保持激光光源位置固定不动。用计算机控制二维精密工作平台的运行位置，这等效于光斑在PSD表面上移动，以此来进行对PSD的标定，建立(x，y)与(X，Y)的对应关系。

本实用新型首先将传感器的输出信号进行调理，转换成需要的形式，再进一步变为数字量并存储起来，待数据采集结束后，将数据传送给单片机，以供分析和处理，在具体实施时将整个装置作成一个能够独立工作的数据采集箱，信号的采集由内置单片机控制来实现，实现了小型化、集成化、数字化以及易用性。本实用新型采用PSD器件可以在强电、强磁以及潮湿的环境下使用而不受影响。

Claims (5)

1、一种利用二维PSD位置传感器测量矩形导轨直线度的装置，其特征在于，包括光学部分、PSD传感器和信号处理电路，光学部分包括光学支架，在光学支架上设置有激光器(1)，激光器的发射端连接有准直装置，在准直装置的照射区设置有PSD传感器(2)，PSD传感器(2)安装在直线矩形导轨上的工作台上，工作台由驱动电机驱动，驱动电机与上位机连接，PSD传感器(2)与信号处理电路(3)连接；

信号处理电路(3)包括I/V转换电路，I/V转换电路与加减电路、除法电路、模拟通道选择开关、A/D转换器、单片机(5)和串行通讯电路依次连接，串行通讯电路与上位机连接。

2、根据权利要求1所述的测量矩形导轨直线度的装置，其特征在于，所述的A/D转换器选用12位的AD574A转换器。

3、根据权利要求1所述的测量矩形导轨直线度的装置，其特征在于，所述的单片机(5)选用AT89C51。

4、根据权利要求1所述的测量矩形导轨直线度的装置，其特征在于，所述的上位机选用PC机(4)。

5、根据权利要求1所述的测量矩形导轨直线度的装置，其特征在于，所述的串行通讯电路选用RS-232。

Images