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1、第32卷第2期華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.32No.22004年2月J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.(NatureScienceEdition)Feb.2004PSD高精度位置測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計裴先登羅春黃浩(華中科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:介紹了對一維位置敏感探測器外圍信號處理電路的改進(jìn)方法,通過減弱或消除噪聲的影響,設(shè)計出了一套可以測量微米級位置移動的高精度測量系統(tǒng),并給出了實驗結(jié)果.關(guān)鍵詞:位置測量;位置敏感探測器;信號處理;背景光;數(shù)據(jù)采集中圖分類號:TP216.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:167124512(2004)
2、0220007203ResearchofhighprecisionpositionmeasurementsystemanditsdesignbasedonPSDPeiXiandengLuoChunHuangHaoAbstract:ThemethodsusedtoimprovePSDsignalprocessingcircuitwereintroduced.Byweakeningorre2movingtheeffectofnoise,ahighprecisionpositionmeasurementsystembasedonPSDwithhighprecisionwasdesignedand
3、theexperimentresultswerealsoprovided.Keywords:positionmeasurement;positionsensitivedetector;signalprocessing;backgroundlight;dataacquisitionPeiXiandengProf.;CollegeofComputerSci.&Tech.,HuazhongUniv.ofSci.&Tech.,Wuhan430074,China.在對光盤驅(qū)動器機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究時,發(fā)現(xiàn)影響割型光電測距器件.圖1所示是PSD的結(jié)構(gòu)原理[1]讀盤性能的一個重要因素是光頭與盤片的垂直及等效電路
4、圖.度,要檢測出光頭與盤片的垂直度,需要一套高精度的能夠測量到微米級位置移動的測量系統(tǒng).一維位置敏感探測器(PSD)因其位置分辨率高、響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)范圍寬、可靠性高、處理電路簡單等優(yōu)點而成為首選.但PSD本身是模擬器件,受環(huán)境和處理電路中其他器件性能等因素影響較大,因此需要盡量克服和減少影響PSD性能圖1PSD結(jié)構(gòu)原理圖和等效電路圖的各種因素,本研究從分析一維PSD的工作原理當(dāng)光束Q照射在距離PSD表面中心X處入手,設(shè)計出了一套能夠檢測微米級位移的高精時,兩個檢測電極輸出電流為I1和I2,有度位置測量系統(tǒng).(I2-I1)/(I2+I1)=KX(K為常數(shù)).1一維PSD工作原理因此如果
5、設(shè)計外圍電路使其輸出為(I2-I1)/(I2+I1),則電路的輸出值與光點偏移量XPSD是一種能夠連續(xù)檢測光點位置的非分成正比,這便是PSD檢測位置的原理.收稿日期:2003207215.作者簡介:裴先登(19342),男,教授;武漢,華中科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(430074).E2mail:l2c1@sohu.com基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(69773074).8華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第32卷就是背景光和暗電流.一般來說,當(dāng)需要測量微米2高精度位置測量系統(tǒng)的設(shè)計與實級位移時,信號檢測需要分辨出毫伏級或毫伏級現(xiàn)以下的變化,而這個時候,如果沒有消除背景光和PSD是電流
6、型器件,對其輸出信號的處理直暗電流的影響,有用的信號就很容易被噪聲所淹[3]接關(guān)系到測量系統(tǒng)的精度.整個測量系統(tǒng)可以分沒.為信號處理電路和數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計兩個部消除背景光和暗電流通常有三種方法.第一分.種是加干涉濾波片,只使被測量的光通過,而濾去2.1信號處理電路大部分的背景光,這種方法比較簡單易行,但它不[2]圖2是一維PSD的信號處理電路示意圖.能消除暗電流,在本系統(tǒng)的設(shè)計中,被測光源是DVD的光頭發(fā)出的光,波長為650nm,本身就在可見光之內(nèi),用濾波片并不能完全濾除背景光,因此本系統(tǒng)不采用這種方法.第二種是采用交流調(diào)制頻率來分離背景光和暗電流,這種方法的出發(fā)點是考慮在儀器使用中干擾
7、雜散光多為自然光或人工照明,這類干擾源的特點是其亮度變化是緩慢的,在PSD上造成的響應(yīng)為直流和低頻信號,如果對目標(biāo)物發(fā)光進(jìn)行高頻調(diào)制,使PSD響應(yīng)為高頻脈沖信號,則可在電路中采用高通濾波的方法將信號與干擾分離,為保證位置解算的完成和在PSD上產(chǎn)生較高的目標(biāo)物光強,應(yīng)采用矩形波圖2一維PSD的信號處理電路調(diào)制,同步位置解算.這種方法可以很有效地消除a.基本檢測處理電路.背景光和暗電流,但是比較麻煩,而且在本系統(tǒng)此部分主要包
