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PSD光电自准直仪工作原理及误差分析
张冬,王振宏
(长春理工大学机电工程学院,长春130022)
摘要:简单概述了基于PSD的光电自准直仪的工作原理,并分析了可能产生的误差原因。
关键词:光电自准直仪:PSD;工作原理,误差
中图分类号:TH741
文献标志码:A
文章编号:1002-2333(2014)12-0046-02
Operation Principle and Error Analysis of PSD Photoelectric Autocollimator
ZHANG Dong, WANG Zhenhong
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China
Abstract: The operation principle of PSD photoelectric autocollimator is introduced, and its errors are analyzed
Key words photoelectric autocollimator; PSD; operation principle; error
0引言
着光电接收器的快速发展,逐渐被成熟地运用于光电自
光电自准直仪是在光学自准直原理的基础上,结合准直仪。半导体器件PSD具备极好的响应速度、简易的
光电技术将角度测量转换为线性測量的一种常用技术计启动电路、小功耗、精确度高等优点,被普遍运用在光电
量仪器。常用于测量小角度、设备导轨的直线度及平行自准直仪的研究中。
度、平板的平面度、各零件的相对位置偏差等。在常规测
基于PSD的光电自准直仪的总体设计
量仪器的制造、测试、科学研究中,尤其是在超精密定位、
如图2所示二维光电自准直仪的设计综合了光、机、
角度自动定位环集成等方面,更有着无法取代的地位。随电、算等多方面技术,以自准直技术为基础,光源发射的
光通过光学透镜组后平行射出,经反射镜折射后光线到
达光电传感器上。本文采用位置探测器PSD准确记录反
学
光射?透
器
学「镜
镜
件
据处理电路
计算机
系一
激光器
动电
图1光电自准直仪
图2PSD光电自准直仪的总体结构图
动机相似,现国内生产的有双速、三速、四速等3类。我们5结语
选用的是三相异步电动机,因为适用范围广,价格实惠。
本项目加强了学生的专业知识,帮助其学习更全面
对电动机的调试,我们主要是利用变频器来改变电的机械制造、机械原理、机械设计知识和机械设备操作,
动机的转速,利用变频器连接电机,把电机的转速调到能以及简单电工知识培训,期间让学生自己进行了焊接、钻
最好地筛沙。
孔等操作,让学生可以将学过的几门专业课程的一些知
4经验总结
识点更加深入了解和应用到实际工作中。
1)由于初步确定的导轨是凹槽形状的,在市场上很
[参考文献
难买到,后来改成三角板凸起来的作为导轨,所以在确定1]李琳,李杞仪机械原理M.北京:中国轻工业出版社,2012
方案时要进一步了解材料购买的难易程度;
2」机械工程手册编辑委员会机械工程手册[M.北京:机械工业
出版社,1996.
2)由于理论与实际方面有很多不相同的地方,所以[3」辛一行现代机械设备设计手册M].北京:机械工业出版社
要根据实际情况来判断问题;
(编辑吴天)
3)由于筛沙机在筛沙过程中的惯性力比较大,对电
机的寿命影响很大、所以我们在筛斗前后方都安装了弹作者商介:き青(1983-),男,助理エ程师,高级技师、主要研究方
簧,适当地减少了惯性力,提高了电机的寿命。
向为机械工程及自动化技术等。
收稿日期:2014-07-02
46机械工程师2014年第12期
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射光的位置,将这个位置信号通过数据采集、处理和上传小,所以我们忽略正切值而只用角度代替,因此产生原理
至计算机,实现了快速自动检测、处理、显示的目的。
误差。测量角度越大,2a≈tan(2a)的近似性越差,误差随
2光电自准直仪工作原理及PSD工作原理
之变大。
2.1光电自准直仪原理
3.,2光学系统误差
光电自准直仪结合了光电技术和自准直技术,其通
1)调焦误差。由于折返式自准直仪具有2个小反射
常采用光学自准直原理及平面镜反射原理。
镜,使光路产生了折叠。当光路中小反射镜的位置产生变
自准直原理:光源发出的光线由分划板再经过物镜动,随之就会产生示值误差,当大小反射镜的镜间距变大,
产生平行光,与光轴垂直的反射镜将平行光折射,又经过随之增大了光线在2小反射镜间的光程,从而使得物镜
物镜后在分划板成像并与标线重合。当反射镜有一个轻焦点前移。而一直保持恒定的各分划板与物镜使得测微
微小角度a倾斜时,被反射光束将产生2倾斜角度。
分划板和十字分划板都未能落在物镜的焦平面上,从而
导致误差产生。
反光镜
物镜
反光镜
物镜
2)反射镜平面度误差。因反射镜的工作面无法达到
绝对光滑,因此会产生相应的误差,将其称之为平面度误
差。它的产生使得反射光线不再平行射出。当系统轴线与
反射镜法线绝对重合时该误差可忽略不计,但当反射镜
渐渐偏离系统时,过大的距离使得安装仪器时光轴与反射
镜的球心间产生了偏离,此时会产生较大的平面度误差,
因此必须在系统设计中提前考虑。
图3光学自准直原理图
3.3PSD的非线性误差
在PSD光敏面上的硅片材料达不到绝对均匀,因不
2.2PSD的结构和工作原理
均匀的N区材料、电极形状等造成了P区结面上电阻率
PSD有3层,最上层为P层,最下层为N层,中间高为非恒量,从而形成了其非线性的主要影响因素,使得位
阻1层较厚,从而形成一个P-I-N结构。由于中间1层的
置探测器输出的电流并不与光斑位移成一定比例。光斑
耗尽区的宽度,结电容小,产生的光生载流子几乎只在中
越远离中心,其非线性误差越大,反之亦然。因PSD的非
间层,不扩散光电流分量,所以响应速度比起普通PN结
线性所产生的误差是位移测量系统中误差的主要来源。
光电二极管快得多。当PSD表面有光照射时,在光斑位置
3.4外界千扰误差
将产生一定比例的光能量电子,分别从设置在P层相对
1)大气抖动的影响。大气抖动实际上是当光束穿过
的两个电极上输出。由于P层电阻均匀,光电流输出量与
温度不均匀的空气团时将会产生折射现象,改变了光斑
各电极到光斑入射位置的距离成反比。
的形状、大小,从而使测量精度受到影响。因此必须适当
对于二维PSD器
控制外界环境。
件具备的敏感接收面
为方形(如图4所
2)安装调试误差。制造误差大体包含透镜焦距误差
和偏心误差。在安装透镜时,务必确保能够重合其光轴和

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