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1、第32卷第2期华中科技大学学报(自然科学版)Vol.32No.22004年2月J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.(NatureScienceEdition)Feb.2004PSD高精度位置测量系统的研究与设计裴先登罗春黄浩(华中科技大学计算机科学与技术学院,湖北武汉430074)摘要:介绍了对一维位置敏感探测器外围信号处理电路的改进方法,通过减弱或消除噪声的影响,设计出了一套可以测量微米级位置移动的高精度测量系统,并给出了实验结果.关键词:位置测量;位置敏感探测器;信号处理;背景光;数据采集中图分类号:TP216.1文献标识码:A文章编号:167124512(2004)
2、0220007203ResearchofhighprecisionpositionmeasurementsystemanditsdesignbasedonPSDPeiXiandengLuoChunHuangHaoAbstract:ThemethodsusedtoimprovePSDsignalprocessingcircuitwereintroduced.Byweakeningorre2movingtheeffectofnoise,ahighprecisionpositionmeasurementsystembasedonPSDwithhighprecisionwasdesignedand
3、theexperimentresultswerealsoprovided.Keywords:positionmeasurement;positionsensitivedetector;signalprocessing;backgroundlight;dataacquisitionPeiXiandengProf.;CollegeofComputerSci.&Tech.,HuazhongUniv.ofSci.&Tech.,Wuhan430074,China.在对光盘驱动器机构进行研究时,发现影响割型光电测距器件.图1所示是PSD的结构原理[1]读盘性能的一个重要因素是光头与盘片的垂直及等效电路
4、图.度,要检测出光头与盘片的垂直度,需要一套高精度的能够测量到微米级位置移动的测量系统.一维位置敏感探测器(PSD)因其位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路简单等优点而成为首选.但PSD本身是模拟器件,受环境和处理电路中其他器件性能等因素影响较大,因此需要尽量克服和减少影响PSD性能图1PSD结构原理图和等效电路图的各种因素,本研究从分析一维PSD的工作原理当光束Q照射在距离PSD表面中心X处入手,设计出了一套能够检测微米级位移的高精时,两个检测电极输出电流为I1和I2,有度位置测量系统.(I2-I1)/(I2+I1)=KX(K为常数).1一维PSD工作原理因此如果
5、设计外围电路使其输出为(I2-I1)/(I2+I1),则电路的输出值与光点偏移量XPSD是一种能够连续检测光点位置的非分成正比,这便是PSD检测位置的原理.收稿日期:2003207215.作者简介:裴先登(19342),男,教授;武汉,华中科技大学计算机科学与技术学院(430074).E2mail:l2c1@sohu.com基金项目:国家自然科学基金资助项目(69773074).8华中科技大学学报(自然科学版)第32卷就是背景光和暗电流.一般来说,当需要测量微米2高精度位置测量系统的设计与实级位移时,信号检测需要分辨出毫伏级或毫伏级现以下的变化,而这个时候,如果没有消除背景光和PSD是电流
6、型器件,对其输出信号的处理直暗电流的影响,有用的信号就很容易被噪声所淹[3]接关系到测量系统的精度.整个测量系统可以分没.为信号处理电路和数据采集程序的设计两个部消除背景光和暗电流通常有三种方法.第一分.种是加干涉滤波片,只使被测量的光通过,而滤去2.1信号处理电路大部分的背景光,这种方法比较简单易行,但它不[2]图2是一维PSD的信号处理电路示意图.能消除暗电流,在本系统的设计中,被测光源是DVD的光头发出的光,波长为650nm,本身就在可见光之内,用滤波片并不能完全滤除背景光,因此本系统不采用这种方法.第二种是采用交流调制频率来分离背景光和暗电流,这种方法的出发点是考虑在仪器使用中干扰
7、杂散光多为自然光或人工照明,这类干扰源的特点是其亮度变化是缓慢的,在PSD上造成的响应为直流和低频信号,如果对目标物发光进行高频调制,使PSD响应为高频脉冲信号,则可在电路中采用高通滤波的方法将信号与干扰分离,为保证位置解算的完成和在PSD上产生较高的目标物光强,应采用矩形波图2一维PSD的信号处理电路调制,同步位置解算.这种方法可以很有效地消除a.基本检测处理电路.背景光和暗电流,但是比较麻烦,而且在本系统此部分主要包
