專利名稱：采用psd的光電傾角測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用PSD(位置敏感探測器)和半導(dǎo)體激光測量傾角的裝置，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
運(yùn)用擺測量傾角的裝置均遵循鉛垂原理，固體擺是一種常見的測量傾角的裝置。為了提高測量精度，一種采用電容的擺式傾角測量裝置由一篇刊登在《哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報》第26卷第5期題為“擺式電容傾角傳感器的設(shè)計”的文獻(xiàn)所公開。該方案結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置是一個差動電容，在裝置的兩側(cè)各有一個定電極1，由金屬外殼2連通成為電容的公共電極，動電極3位于兩個定電極1中間，通過撓性平橋4固定在殼體5內(nèi)側(cè)。動電極3由在石英簧片兩側(cè)鍍的金屬膜所構(gòu)成，并且兩側(cè)的金屬膜互不導(dǎo)通，分別與相對的定電極1相距d，產(chǎn)生的電容值分別為c1、c2。當(dāng)電容傾斜，定電極1與鉛垂方向mg所成的角就是待測傾角。由于裝置兩側(cè)的定電極1間距很小，為了獲得較大的測量范圍，采用具有一定剛度的撓性平橋4，從而使得動電極3與鉛垂方向mg之間的夾角為-θ，小于。電容值c與電極極板面積S、極板間距d、介質(zhì)的介電常數(shù)μ的關(guān)系如下c=Sdμ]]>當(dāng)動電極3因傾斜而與定電極1成θ角后，其兩側(cè)的金屬膜與相對的定電極1的間距不再相等，因此產(chǎn)生了電容差，即Δc＝c2-c1而Δc與傾角之間具有確定的關(guān)系，結(jié)合關(guān)于θ角的中間運(yùn)算結(jié)果，最終得出傾角。
PSD是一種光電器件，可以實(shí)現(xiàn)位置探測。圖2所示是一種枕形PSD，由一篇刊登在《功能材料與器件學(xué)報》第6卷第3期題為“二維PSD的結(jié)構(gòu)和性能分析”的文獻(xiàn)所公開，圖中正方形虛線框內(nèi)的區(qū)域?yàn)橛行綔y區(qū)，在此稱之為PSD光敏面6，其邊長為d。入射光斑照射到PSD光敏面6上某點(diǎn)P，從PSD四個頂點(diǎn)電極輸出光電流I1、I2、I3、I4，產(chǎn)生位置模擬電信號。如果在光敏面6上建立坐標(biāo)系，則可以根據(jù)輸出的模擬電信號計算出入射光斑在光敏面6上的位置P坐標(biāo)值，計算公式如下xd/2=(I2+I3)-(I1+I4)I1+I2+I3+I4---(1)]]>
yd/2=(I1+I2)-(I3+I4)I1+I2+I3+I4---(2)]]>PSD能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的位置模擬信號輸出，不存在測量盲區(qū)，尤其是枕形PSD，它具有位置線性度良好、暗電流小、反偏容易等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有所謂擺式電容傾角傳感器雖然較傳統(tǒng)機(jī)械固體擺側(cè)角精度明顯提高，但是，由于其結(jié)構(gòu)所限以及角度計算過程中的近似處理和電容邊緣的非線性，將測量范圍限定在±5°之間；由于電容的充放電時間長決定了該傳感器響應(yīng)速度慢，不適合動態(tài)在線檢測；再有就是其測量精度較低，在分級上。而現(xiàn)有的PSD尚未在測量傾角方面得到應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)較大范圍在線精確測量傾角，我們發(fā)明了一種采用PSD的光電傾角測量裝置。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，見圖3、圖4所示，該裝置是由PSD7、光源8和分光折轉(zhuǎn)鏡組9組成，分光折轉(zhuǎn)鏡組9作為固體擺呈鉛垂?fàn)顟B(tài)，PSD7、光源8各自位于分光折轉(zhuǎn)鏡組9的兩側(cè)，光源8的出光方向?yàn)樗椒较颍l(fā)出的光束與分光折轉(zhuǎn)鏡組9的分光鏡面10的入射面相對，分光鏡面10的透射面與PSD7的光敏面6相對，光源8的光軸與分光折轉(zhuǎn)鏡組9的擺軸平行，光敏面6與分光折轉(zhuǎn)鏡組9的鉛垂方向的光軸平行，與光源8的光軸垂直，分光折轉(zhuǎn)鏡組9的反光鏡面11與光敏面6相對，透過分光鏡面10的光束與由反光鏡面11反射的光束相平行且均照射在光敏面6上。
根據(jù)上述方案，當(dāng)來自光源8的光束水平照射到分光折轉(zhuǎn)鏡組9的分光鏡面10后，分為兩束，透射的一束沿原方向照射到PSD7的光敏面6上，確定了位置P0，反射的一束被分光折轉(zhuǎn)鏡組9的反光鏡面11反射到水平方向上，照射到光敏面6上，確定了位置P1。當(dāng)被測部位12發(fā)生傾斜，PSD7隨之傾斜，分光折轉(zhuǎn)鏡組9作為固體擺依然保持鉛垂?fàn)顟B(tài)，被兩次反射的那一束光照射到光敏面6上，確定了一個新的位置P2。P0分別與P1、P2的連線所形成的夾角即為被測部位12的傾角。同樣在光敏面6上建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于光敏面6的幾何中心。根據(jù)上述公式(1)、(2)可以計算出P0、P1、P2的坐標(biāo)值(x0，y0)、(x1，y1)、(x2，y2)，再根據(jù)公式 即可計算出傾角。PSD7選用d＝12mm的枕形PSD，其光敏面6周邊區(qū)域的位置分辨率為1.5μm。那么，測量范圍可以達(dá)到90°；角度測量分辨率達(dá)25.7831秒，與已知技術(shù)中的擺式電容傾角傳感器相比，測量精度由分級提高到秒級；并且，由于PSD是一種對光非常敏感的器件，同時運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)實(shí)時處理由PSD提供的位置模擬電信號，并完成相關(guān)計算，完全可以實(shí)現(xiàn)在線動態(tài)測量。


圖1是現(xiàn)有擺式電容傾角傳感器結(jié)構(gòu)及傾角測量狀態(tài)示意圖。圖2是現(xiàn)有PSD結(jié)構(gòu)及位置探測狀態(tài)示意圖。圖3是本發(fā)明之采用PSD的光電傾角測量裝置結(jié)構(gòu)主視示意圖及初始測量狀態(tài)示意圖。圖2是本發(fā)明之采用PSD的光電傾角測量裝置結(jié)構(gòu)左視示意圖及初始測量狀態(tài)示意圖。圖5是本發(fā)明之采用PSD的光電傾角測量裝置結(jié)構(gòu)主視示意圖及結(jié)束測量狀態(tài)示意圖，該圖同時作為摘要附圖。
具體實(shí)施例方式
下面具體說明本發(fā)明之方案，見圖3、圖4所示，該裝置是由PSD7、光源8和分光折轉(zhuǎn)鏡組9組成。PSD7選用枕形PSD，光敏面6邊長d＝12mm，周邊區(qū)域分辨率為1.5μm。分光折轉(zhuǎn)鏡組9作為固體擺呈鉛垂?fàn)顟B(tài)，其高度h≤d，由直角棱鏡和折轉(zhuǎn)棱鏡膠合而成，分光鏡面10及反射鏡面11均為45°鏡面。PSD7、光源8各自位于分光折轉(zhuǎn)鏡組9的兩側(cè)。光源8的出光方向?yàn)樗椒较?，所發(fā)出的光束與分光折轉(zhuǎn)鏡組9的分光鏡面10的入射面相對，光源8采用半導(dǎo)體激光器。分光鏡面10的透射面與PSD7的光敏面6相對。光源8的光軸與分光折轉(zhuǎn)鏡組9的擺軸平行或者重合。光敏面6與分光折轉(zhuǎn)鏡組9的鉛垂方向的光軸平行，與光源8的光軸垂直。分光折轉(zhuǎn)鏡組9的反光鏡面11與光敏面6相對。透過分光鏡面10的光束與由反光鏡面11反射的光束相平行且均照射在光敏面6上。
權(quán)利要求
1.一種采用PSD的光電傾角測量裝置，含有固體擺，其特征在于，該裝置是由PSD(7)、光源(8)和分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)組成，分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)作為固體擺呈鉛垂?fàn)顟B(tài)，PSD(7)、光源(8)各自位于分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)的兩側(cè)，光源(8)的出光方向?yàn)樗椒较?，所發(fā)出的光束與分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)的分光鏡面(10)的入射面相對，分光鏡面(10)的透射面與PSD(7)的光敏面(6)相對，光源(8)的光軸與分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)的擺軸平行，光敏面(6)與分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)的鉛垂方向的光軸平行，與光源(8)的光軸垂直，分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)的反光鏡面(11)與光敏面(6)相對，透過分光鏡面(10)的光束與由反光鏡面(11)反射的光束相平行且均照射在光敏面(6)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電傾角測量裝置，其特征在于，PSD(7)選用枕形PSD。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電傾角測量裝置，其特征在于，分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)其高度h≤d，由直角棱鏡和折轉(zhuǎn)棱鏡膠合而成，分光鏡面(10)及反射鏡面(11)均為45°鏡面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電傾角測量裝置，其特征在于，光源(8)的光軸與分光折轉(zhuǎn)鏡組(9)的擺軸平行或者重合。
全文摘要
采用PSD的光電傾角測量裝置是一種采用PSD(位置敏感探測器)和半導(dǎo)體激光測量傾角的裝置，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有所謂擺式電容傾角傳感器由于其結(jié)構(gòu)所限以及角度計算過程中的近似處理和電容邊緣的非線性，其測量范圍被限定在±5°之間；由于電容的充放電時間長決定了該傳感器響應(yīng)速度慢，不適合動態(tài)在線檢測；再有就是其測量精度較低。而本發(fā)明將分光折轉(zhuǎn)鏡組作為固體擺，同時采用PSD作為檢測器件，以半導(dǎo)體激光作為檢測光源，利用PSD的位置探測功能，最終實(shí)現(xiàn)了較大范圍在線精確測量傾角。作為一種光電檢測裝置與計算機(jī)技術(shù)結(jié)合可用于傾角的動態(tài)高精度檢測。
文檔編號G01B11/26GK101074871SQ200710130708
公開日2007年11月21日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者曹國華, 徐洪吉, 王志勝, 姜濤, 蘇成志, 于正林 申請人:長春理工大學(xué)