PSD在激光对中测量系统中的应用

摘要：针对激光对中测量系统，建立了90°转角激光对中测量系统的数学模型。采用单光束、一个探测器的激光对中测量仪的数据采集系统和数据处理模型，根据输入计算机的安装参数，经过较为复杂的计算与修正即求得两轴间状态参数，通过计算机可计算出被调整机器的四个机脚在水平面内与垂直面内移动的修正量，指导人员移动机器使轴对中。

关键词：PSD 激光对中 测量系统

1 对中原理

平行激光束从激光对中仪的发送接收器上射出，经过调整从棱镜反射后再进入发送接收器的位置探测器上，经专用计算机采样计算得出反射光束的位置。反射的激光束携带有两轴的空间状态的信息，由于棱镜的作用使轴的平移偏差仅在位置探测器的y轴上反应出来，两轴间角度的偏差仅在位置探测器的x方向上反应出来。

两轴同步顺时针转动一周，其方向如同在图1中的XY面上有一时钟处在12点，位置刚好在y轴上。激光对中仪约定以此为测量0点，开始同时转动两轴转90°以到达3点钟位置，此即是对中仪的3点位置，余此类推为6点、9点位置，这些位置由专用角度器指示，其精度在±1°之内。对中仪依上述转动一周的0、3、6、9的四个位置上精确的测量了反射激光束在位置探测器上的位置，并根据输入计算机的安装参数Ll、L2、L3、L4、L5，经过较为复杂的计算与修正即求得两轴间状态参数，通过计算机可计算出被调整机器的四个机脚在水平面内与垂直面内移动的修正量，指导人员移动机器使轴对中。

2 数学模型的建立

激光对中仪，采用的基本思路十分简单，就是确定轴上两点的空间位置，然后，找出两轴的相对空间位置，从而，分析得出轴系不对中的误差情况及大小。可以简单归结为“两点确定一直线”。激光对中仪计算数学模型基础[4]是：

可以想象，以同一角速度和方向转动主动轴和从动轴时，激光束在接收器光敏面上的轨迹就会形成封闭的曲线。若两轴仅有平行偏差，则轨迹是一个圆。在理想对中情况下，曲线就会变为一个点。在一般情况下，这条轨迹曲线既不是椭圆（圆为特例），更不是点。但可以肯定，该曲线任一点的坐标由两轴的相对位置决定。这就是我们建立数学模型的出发点。

2.1 假设条件：

（1）把主动轴、激光束、从动轴、光敏面以及支柱都放在同一坐标系中，并且在测量过程中两轴的相对位置是不变的。

（2）因测量两轴而转动时，要保持二者同步、同向。

（3）LD和PSD的支柱分别固定在主动轴和从动轴上，并与之垂直。激光束平行于主动轴，PSD光敏面垂直于从动轴。

2.2 模型的推导

轴O1为基准轴，轴O2为待对中轴。建立坐标系Oxyz，z轴与基准轴O1重合，原点为基准轴O1和光屏所在平面的交点，则光屏所在平面为xOy，使y轴过光源S点，C点坐标为：C（0，0，L1-L4）。D点为待对中轴O2与xOy面交点。表示为D（x0，y0，0）。x0，y0是未知量。设A点在棱镜两面交线l上、且满足BAl。S点为光源，M1和M2为光线与反射面的交点，K为光线最终打到光屏上的点。而O'为对中时光打到光屏上的点。设OS=R1，BA=R2

3 结论

对中仪依上述转动一周的0、3、6、9的四个位置上精确的测量了反射激光束在位置探测器上的位置，并根据输入计算机的安装参数Ll、L2、L3、L4、L5，经过较为复杂的计算与修正即求得两轴间状态参数，通过计算机可计算出被调整机器的四个机脚在水平面内与垂直面内移动的修正量，指导移动机器使轴对中。

目前本领域国外技术是将激光发射/接收靶盒安装于基准轴，反射靶固定于待测轴。转动两轴，并在0°、90°、180°、270°记录反射激光在探测器上投射点的位置坐标。最后由软件据此计算出平移/开口量，并最终给出机座四脚调整量。

参考文献：

[1]朱小平，张永年，杨自本， 等.利用二维PSD器件测量小角度的研究[J].现代计量测试，2001，（2）：40～43.

[2]张伯珩，边川平，李露瑶.光电位置传感器在转角精密定位中的应用[J].光子学报，2001，30（4）：505～507.

[3]张晓芳，王宝光，蒋诚志.位置探测器PSD应用于三维坐标测量的理论研究[J].光学技术，2001，27（4）：362～365.

[4]龚正烈，程晓曼，徐静.单光束LD/PSD激光对中测量仪及其数学模型[J].光电子·激光，2002，13（4）：378～381.