專利名稱：利用二維psd位置傳感器測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用二維PSD位置傳感器測(cè) 量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置。
背景技術(shù)：
世界各個(gè)國(guó)家對(duì)導(dǎo)軌直線度測(cè)量領(lǐng)域一直予以高度重視，并不斷推出新 型高精度直線度測(cè)量方法和裝置，以滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。對(duì) 導(dǎo)軌直線度的測(cè)量有兩方面的目的和要求， 一是精確度要求，即測(cè)量結(jié)果必 須達(dá)到一定的可信程度；二是經(jīng)濟(jì)性要求，即在保證測(cè)量結(jié)果精確性的前提 下，應(yīng)使測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，花費(fèi)代價(jià)最小。要滿足這兩方面的要求，應(yīng) 使用集光、機(jī)、電、算等新技術(shù)T一一體的新型測(cè)量?jī)x器，進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、 非接觸測(cè)量，這是現(xiàn)代導(dǎo)軌空間直線度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。
無(wú)直線基準(zhǔn)測(cè)量法，是指被測(cè)對(duì)象直線度的測(cè)量不是與某種直線基準(zhǔn)進(jìn) 行比較，而是沿被測(cè)表面以線值測(cè)量的方法，得到被測(cè)表面上各采樣點(diǎn)的偏 差值，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到被測(cè)對(duì)象的直線度誤差。
直線基準(zhǔn)測(cè)量法是直接采用一定的直線基礎(chǔ)(Straight Line reference), 并以此基準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)被測(cè)表面的直線度誤差(線差或角度值)，從而獲得被測(cè) 表面的直線度誤差值。所采用的直線基準(zhǔn)通常實(shí)物基準(zhǔn)、重力水平基準(zhǔn)和光 線基準(zhǔn)有三種方法。
目前國(guó)內(nèi)外在圓度、平行度以及表面粗糙度等計(jì)量領(lǐng)域甚至已達(dá)到納米 級(jí)測(cè)量精度水平，然而直線度的測(cè)量精度卻不高，特別是在大長(zhǎng)度范圍的直線度測(cè)量領(lǐng)域，其精度水平更遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他計(jì)量項(xiàng)目。國(guó)際上只有少數(shù)幾 個(gè)國(guó)家達(dá)到了^〃^m高的精度水平。我國(guó)目前仍采用長(zhǎng)平晶組分段互檢方 法作為導(dǎo)軌直線度檢定基準(zhǔn)，裝置操作復(fù)雜，檢定結(jié)果精度不高(特別是在 測(cè)量大尺寸零件時(shí)尤為明顯)，這種狀況嚴(yán)重制約著我國(guó)精密計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域 的發(fā)展步伐。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種利用二維PSD位置傳感器測(cè)量矩形導(dǎo)軌 直線度的裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的操作復(fù)雜，檢定結(jié)果精度不高的問(wèn) 題。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是， 一種利用二維PSD位置傳感器測(cè)量 矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，包括光學(xué)部分、PSD傳感器和信號(hào)處理電路，光學(xué) 部分包括光學(xué)支架，在光學(xué)支架上設(shè)置有激光器，激光器的發(fā)射端連接有準(zhǔn) 直裝置，在準(zhǔn)直裝置的照射區(qū)設(shè)置有PSD傳感器，PSD傳感器安裝在直線 矩形導(dǎo)軌上的工作臺(tái)上，工作臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與上位機(jī)連接， PSD傳感器與信號(hào)處理電路連接；/(言號(hào)處理電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路，1/Y轉(zhuǎn) 換電路與加減電路、除法電路、模擬通道選擇幵關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和 串行通訊電路依次連接，串行通訊電路與上位機(jī)連接。
A/D轉(zhuǎn)換器選用12位的AD574A轉(zhuǎn)換器。
單片機(jī)選用AT89C51。
上位機(jī)選用PC機(jī)。
串行通訊電路選用RS-232。
本實(shí)用新型的有益效果是檢定結(jié)果精度高，并且實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化、 數(shù)字化以及安裝簡(jiǎn)便，操作容易。

圖1是本實(shí)用新型的工作原理示意圖； 圖2是本實(shí)用新型的1/V轉(zhuǎn)換電路示意圖。
圖中，1、激光器，2、 PSD傳感器，3、信號(hào)處理電路，4、 PC機(jī)，5、 單片機(jī)。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本實(shí)用新型是一種新的非接觸檢測(cè)技術(shù)裝置，它以激光、紅外、光纖等 現(xiàn)代元器件為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)被檢物體的光輻射進(jìn)行檢測(cè)，利用光電技術(shù)將位 置的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)完成測(cè)量的，提取出有關(guān)所需的物理量，并利用了位 置傳感器、單片機(jī)、PC機(jī)等，是一種能夠檢測(cè)矩形導(dǎo)軌空間直線度的光電 系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地完成導(dǎo)軌的直線度誤差測(cè)量，并能對(duì)導(dǎo)軌的直線度誤差進(jìn) 行計(jì)算，對(duì)直線度誤差進(jìn)行評(píng)定，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。
本實(shí)用新型包括光學(xué)部分、PSD傳感器和信號(hào)處理電路，光學(xué)部分包括 光學(xué)支架，在光學(xué)支架上設(shè)置有激光器1，激光器的發(fā)射端連接有準(zhǔn)直裝置， 在準(zhǔn)直裝置的照射區(qū)設(shè)置有PSD傳感器2， PSD傳感器2安裝在直線矩形導(dǎo) 軌上的工作臺(tái)上，工作臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與PC機(jī)4連接，PSD 傳感器2與信號(hào)處理電路3連接；信號(hào)處理電路3包括I/V轉(zhuǎn)換電路，I/V 轉(zhuǎn)換電路與加減電路、除法電路、模擬通道選擇開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī) 5和串行通訊電路依次連接，串行通訊電路與PC機(jī)4連接。
光學(xué)部分的作用是作為光源并對(duì)光源進(jìn)行準(zhǔn)直，主要由精密的光學(xué)架、 激光器和準(zhǔn)直裝置構(gòu)成；信號(hào)處理電路主要是對(duì)傳感器所輸出的信號(hào)進(jìn)行模 擬運(yùn)算，得到相對(duì)坐標(biāo)的電壓信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和發(fā)送，主要由I/V轉(zhuǎn)換電路、加減電 路、除法電路、模擬通道選擇開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和串行通訊電路組 成。
除法電路選用AD538，是美國(guó)公司出品的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算器件，能提供精 確的模擬乘、除和冪運(yùn)算功能。
如圖1所示，為本實(shí)用新型的工作原理示意圖。本實(shí)用新型采用有直線 基準(zhǔn)測(cè)量中的激光準(zhǔn)直的測(cè)量方法，以激光束的能量中心線為直線基準(zhǔn)，由 光電位置敏感元件進(jìn)行測(cè)量。激光器發(fā)出光信號(hào)，經(jīng)準(zhǔn)直裝置后，由PSD 傳感器接收，PSD傳感器將光信號(hào)輸入信號(hào)處理電路進(jìn)行一系列的處理，從 單片機(jī)通過(guò)串行通訊電路上傳到PC機(jī)，得到各種參數(shù)和結(jié)果。
PSD器件是一種新型的光電元件，它除了具有光電二極管陣列和CCD 器件所具有的定位性能外，還具有靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí) 性強(qiáng)和電路配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正在逐漸被人們所重視。
單片機(jī)5采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51,具有集成度高、功能強(qiáng)、 速度快、體積小、價(jià)格低、使用方便、性能可靠等特點(diǎn)。
A/D轉(zhuǎn)換器選用12位的AD574A轉(zhuǎn)換器。
低輸入/輸出偏移電壓和優(yōu)異的線性性能的結(jié)合，使其可在一個(gè)非常寬 的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確的運(yùn)算。激光調(diào)整技術(shù)可使乘/除運(yùn)算誤差控制 在輸入幅值的0.25%的范圍之內(nèi)。通常輸出偏移小于或等于100/zV。由于器 件具有400kHz帶寬，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)時(shí)模擬信號(hào)的處理能力。因此，AD538 具有其它同類產(chǎn)品所不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)。
自聚焦光纖具有體積小(長(zhǎng)約10mm， 2mm)、成本低、光能利用率高、 準(zhǔn)直效果好的特點(diǎn)，所以我們可采用自聚焦光纖對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。只有梯度折射率型光纖才具有聚焦作用，光纖中纖芯的折射率從光軸開(kāi) 始沿徑向大致按拋物線規(guī)律分布而逐漸減小，基于幾何光學(xué)中全反射定律， 光在纖芯中傳播會(huì)自動(dòng)地從折射率較小的界面向光軸會(huì)聚。
如圖2所示，是I/V轉(zhuǎn)換電路示意圖。該電路使用LM224放大PSD輸 出的四路微弱信號(hào)電路。這里的LM224采用單電源供電，正電壓為+5V，通 過(guò)電容C1濾波。PSD信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R3轉(zhuǎn)換為電壓Vi， Vi經(jīng)過(guò)C2實(shí)現(xiàn)低 通濾波，R3 —般選取阻值小的精密電阻，取值在S00Q左右，目的是減少后 級(jí)對(duì)Vi值的影響。該電路為簡(jiǎn)單的正向放大電路，輸入接到正向輸入端， 放大器的放大倍數(shù)為(l+R2/Rl)。
通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)電阻R2，可使輸出VO隨光點(diǎn)打在PSD不同位置而在 0 2.43V變動(dòng)，符合單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的要求，并盡量占滿A/D的量程，這樣 可以提高測(cè)量精度。在該電路中一片PSD只需要一片LM224和幾個(gè)電阻、 電容即可制作成，非常簡(jiǎn)單。
本實(shí)用新型利用二維PSD位置傳感器測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的方法是 在導(dǎo)軌的一端安裝精密光學(xué)架，將激光器固定在支架上；在導(dǎo)軌上裝一可在 導(dǎo)軌i運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，將PSD傳感器安置在工作臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整，在初始 位置時(shí)使得激光器的光斑打到PSD傳感器的中心位置，四個(gè)輸出信號(hào)相同， 輸出的相對(duì)坐標(biāo)為零；當(dāng)PSD傳感器隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，激光器 的光斑就會(huì)因?yàn)閷?dǎo)軌的直線度誤差而偏離PSD的中心位置，從而引起PSD 四個(gè)輸出端的輸出不同，經(jīng)過(guò)處理電路的處理之后得到其相對(duì)的坐標(biāo)值，經(jīng) 單片機(jī)采集將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，便可獲
得導(dǎo)軌的直線度誤差。
本實(shí)用新型在實(shí)驗(yàn)之前，必須先進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，否則會(huì)引起較大的誤差。PSD入射光斑重心位置的線性計(jì)算公式是在理想條件下得到的，如器件 的分流層電阻率均勻分布，忽略漏電流、反向飽和電流的存在等。然而實(shí)際 中，由于加工工藝等條件的限制，生產(chǎn)出來(lái)的PSD往往不能百分之百地達(dá)到 上述條件，加之信號(hào)處理電路中器件的微小誤差和使用中環(huán)境光的加入等因
素，使得入射光斑的實(shí)際位置與計(jì)算機(jī)得到的PSD的讀數(shù)位置之間呈現(xiàn)一種 非線性的關(guān)系。我們將計(jì)算機(jī)得到的PSD讀數(shù)坐標(biāo)值記為(x,y)，與此對(duì)應(yīng) 的實(shí)際入射光斑在PSD感光面上的位置坐標(biāo)為(x,y)，則標(biāo)定工作就是找到 (x,y)與(X,Y)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
為此將二維PSD安裝在二維精密電動(dòng)平移臺(tái)的工作臺(tái)面上(重復(fù)定位誤 差< 5//m)，調(diào)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 定不動(dòng)。用計(jì)算機(jī)控制二維精密工作平臺(tái)的運(yùn)行位置，這等效于光斑在PSD 表面上移動(dòng)，以此來(lái)進(jìn)行對(duì)PSD的標(biāo)定，建立(x,y)與(X,Y)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
本實(shí)用新型首先將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換成需要的形式，再 進(jìn)一步變?yōu)閿?shù)字量并存儲(chǔ)起來(lái)，待數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)， 以供分析和處理，在具體實(shí)施時(shí)將整個(gè)裝置作成一個(gè)能夠獨(dú)立工作的數(shù)據(jù)采 集箱，信號(hào)的采集由內(nèi)置單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化、數(shù)字 化以及易用性。本實(shí)用新型采用PSD器件可以在強(qiáng)電、強(qiáng)磁以及潮濕的環(huán) 境下使用而不受影響。
權(quán)利要求1、 一種利用二維PSD位置傳感器測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，其特征 在于，包括光學(xué)部分、PSD傳感器和信號(hào)處理電路，光學(xué)部分包括光學(xué)支架， 在光學(xué)支架上設(shè)置有激光器(1)，激光器的發(fā)射端連接有準(zhǔn)直裝置，在準(zhǔn)直 裝置的照射區(qū)設(shè)置有PSD傳感器(2)， PSD傳感器(2)安裝在直線矩形導(dǎo) 軌上的工作臺(tái)上，工作臺(tái)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與上位機(jī)連接，PSD傳 感器(2)與信號(hào)處理電路(3)連接；信號(hào)處理電路(3)包括I/V轉(zhuǎn)換電路，1/V轉(zhuǎn)換電路與加減電路、除法 電路、模擬通道選擇開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)(5)和串行通訊電路依次 連接，串行通訊電路與上位機(jī)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，其特征在于， 所述的A/D轉(zhuǎn)換器選用12位的AD574A轉(zhuǎn)換器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，其特征在于， 所述的單片機(jī)(5)選用AT89C51。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，其特征在于， 所述的上位機(jī)選用PC機(jī)(4)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，其特征在于， 所述的串行通訊電路選用RS-232。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種利用二維PSD位置傳感器測(cè)量矩形導(dǎo)軌直線度的裝置，包括光學(xué)部分、PSD傳感器和信號(hào)處理電路。光學(xué)部分包括光學(xué)支架上設(shè)置的激光器，激光器的發(fā)射端連接有準(zhǔn)直裝置，在準(zhǔn)直裝置的照射區(qū)設(shè)置有PSD傳感器，PSD傳感器安裝在直線矩形導(dǎo)軌上的工作臺(tái)上，工作臺(tái)由與PC機(jī)4連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PSD傳感器與信號(hào)處理電路連接；信號(hào)處理電路包括I/V轉(zhuǎn)換電路，I/V轉(zhuǎn)換電路與加減電路、除法電路、模擬通道選擇開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和串行通訊電路依次連接，串行通訊電路與上位機(jī)連接。本實(shí)用新型在具體實(shí)施時(shí)將整個(gè)裝置作成一個(gè)能夠獨(dú)立工作的數(shù)據(jù)采集箱，信號(hào)的采集由內(nèi)置單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了小型化、集成化、數(shù)字化以及易用性。
文檔編號(hào)G01B11/26GK201155969SQ200820028060
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者喬衛(wèi)東, 于殿泓, 王思恩, 薇 馬 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)