基于PSD的长管弯曲度测量系统设计

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位置敏感探测器(position sensitive detector，PSD)是-种基于新型横向光电效应的半导体器件，它能在感光表面上连续移动光点位置并且具有很高的几何分辨率，可以对位移进行精确的非接触测量。当入射光斑照到光敏面时，PSD输出的电压信号与 PSD的光敏面上 的光斑所在位置有关。PSD具有响应时间短、位置分辨率高、光谱响应范围大、便于与微机接口、非接触测量等优点，在超高速光通信、精密尺寸测量、兵工等领域具有广泛的应用价值” j。本文提出 r以 Hanlamtsu公司生产的 $1880型 PSD作为光电传感器，STC89C58单片机作为信息处理单元，结合其他外围芯片的PSD处理电路，并通过与上位机相互通信，详尽介绍了PSD弯曲度测量系统具体设计，实现实时测量和远收稿日期：2012-07-09程控制。

1 弯曲度检测系统设计方案长管弯曲度检测系统包括硬件和软件系统 。基于PSD作为长管弯曲度检测硬件系统 ，用于测量和获腮于零点的某-位置的长管弯曲度数据，并实现光斑信号向模拟电流信号与数字信号的转换，主要由机械部分 、光学部分和电路部分等三部分组成 ；数据处理分析软件系统，用于对获取的数据进行处理，并计算弯曲度等参数。系统总体结构示意图如图 1所示。

激光器安装在可移动 的定心装置上，在牵引机构牵引下沿长管轴向运动，激光束经过平行光管聚焦准直后由PSD接收，光斑在PSD感光屏上的位置反映轴线位置，将光斑位置信号转换为电信号，经过计算处理后，显示弯曲度信息。

第 l期 王强龙，等：基于PSD的长管弯曲度测量系统设计 109激光器图1 长管弯曲度检测分析系统示意图Fig 1 Detecting and analytical system diagram ofcurvatures of long tube2 弯曲度检测原理光学部分结构组成与光路原理如图 2所示，激光器发出波长为 650 nm的红色激光束 ，经过准直仪和平行光管转换为平行光束 ，压缩成直径小于 l mlTl的激光束聚焦在 PSD感光屏上。检测电路将光斑位置信号转换成电信号，经A/D转换后处理显示，其电路主要由电源电路和数据采集电路组成。

7 、 f I. - - . . . - 。 . - - - . I1. . . . J。

IlII激光器～ 元 图2 检测系统光学部分示意图Fig 2 Schematic diagram of optics part of detecting system图3为长管弯曲度计算原理图。PSD固定于长管 Ⅱ端外侧，PSD坐标与大地坐标平行 ，测量时调整 PSD中心与长，管截面中心重合(如不重合，数据处理时须作修正)。带有激光器的弯曲度检测装置本体从长管的 I端向Ⅱ端移动，激光光束便沿定心位置轴向运动成为-系列与截面处相切的切线，同时切线的方向给出轴线在该点的方向角arctg[F( 0，Y0)/L]. (1)激光器所在敲枷PSD视!l图3 长管弯曲度计算原理图Fig 3 Principle diagram of curvature calculation of long tube其中，r(x。，Yo)为定心装置处于长管 I端时激光光斑在 PSD上的位置。

从长管I端按步长h移动检测装置本体，则可得到沿z方向不同截面处弯曲度曲线斜率值(激光器中心的轨迹即为长管弯曲度曲线)厂( ，Y )[F(x ，Y ) ( ，Y )]/(L～ih)，i0，1，2，，n. (2)其中， ( ，Y )厂( -l，y -1)hf ( -l，Yi-1)，F( f，Y )为激光器所在截面处于zih处激光光斑在 PSD上的位置。L为被测长管长度。由此可得长管弯曲度曲线 n个点的导数离散值，若已知f(0，0，0)O，则可由迭代逐点求出z截面的弯曲度值。因厂( ，y，z)是-空间曲线，为计算方便，可分别计算在 y-z与 -z纵截面上的投影分量，这样可求在，， 和 X-2：面上弯曲度曲度分量。首先考虑 畸纵截面上的投影分量，为了提高迭代计算精度，采用改进的尤拉迭代法可得 ·f - ， (3)Y y ( ， )Y川 ( y )/2. (4)由初始值，Y O开始迭代，逐步求出Y ， ，，， ，可得到Y- 纵截面的弯曲度分量，同理可求出 -z纵截面的弯曲度曲度分量， 截面上最大弯曲量用 e 表示 。

3 检测系统电路部分的设计3.1 PSD信号采集电路当激光束照射到PSD光敏面产生模拟信号，但是由于模拟信号在传输中容易受到外界干扰信号影响，干扰产生的噪声和PSD的测量信号混合后就难以分开，从而造成信号质量下降，测量误差扩大。在信号采集处理之前加入 A/D转换器将模拟电流信号转换为数字电压信号再进行处理，这样可以避免-部分干扰，正确性也大大提高。信号采集框图如图4所示。

茎阿 /D PSD 转换单片机螂 ADs7825图4 信号采集框 图Fig 4 Block diagram of signal acquisition系统中采用美国B-B公司生产的ADS7825作为A/D转换芯片，它是 4通道 16位高速模数转换器，数据采样和转换时间不超过25 s，可输入 -10.0～10.0V的电压，A/D转换后的数据既可以并行输出，也可串行输出，输出的电压信号通过 A/D转换器将模拟电压转换成数字信号，从而提高了抗干扰能力和信噪比。

PSD光敏面上的光斑所在位置的坐标计算公式 为ll0 传 感 器 与 微 系 统 第32卷[( )-( Vr2)]·(三 /2)- l ， [( )-( ， )]·(L/2) 1 n 讫 式中 ， ， ， ，2为PSD电极 x ，Y ，X ，Y 输出的电流经过L/V转换和A/D转换后的数字电压信号， 为PSD上的 x轴感光面的长度 ，L 为 PSD上的 y轴感光面的长度。 ，l，分别是光斑的物理中心位置在PSD感光面上的二维坐标，如图5所示为PSD原理位置坐标图。

图5 PSD位置坐标图Fig 5 Position coordinates figure of PSD3.2 单片机处理信号系统采用单片机 STC89C58与A/D转换芯片 ADS7825进行连接，单片机处理ADS7825转换的数据，并把处理的数据通过 MAX7219显示芯片实时显示出来，并通过 MAX232芯片实现单片机与上位机的通信，从而实现远程控制。单片机控制电路框图如图6所示。

通道 0 CS P310 R)0)BUSY Pl1 TXD 通道 1上位机 AIN1 R/C P12GND通道 2 AD$7825AIN2 Aq Poo单片机Vcc通道 3 A PO1 AIN3A2 P02 DATAA3 P03 P15A4 P04 CS 显示结果A5 P05 P16L0AD Max7219A6 P06 P17A7 P07图6 单片机控制电路Fig 6 Control circuit of MCU系统采用ADS7825作为信号采集的模拟芯片，用作并行数据输出，单片机程序采用单片机高级语言Keil C5i编写，应用程序如下：long convert7825(unsigned char port)unsigned long XXO：A0port；RC1：RCO； //RC低脉冲启动转换CSl：- nop-；nop-；hop～；CS0； ∥片选ADS7825有效hop-；hop-；-nop-；hop-；-nop-RC-1；while(BUSY：：1)；/等待数据转换完成BYTE；0； ∥输出高8位数据delay l0ms(1)；XXPO；XXxx《8； /数据右移8位BYTE31； //输出低8位数据delay- 10ms(1)；XXXX十PO：BUSY-1：CSl：return XX：3.3 上位机软件上位机程序应用Visual Basic 6.0可视化软件开发工具编写。上位机程序向单片机发送指令，接收单片机上传数据并作相应的数据处理，在测量过程中，x方向和 l，方向的系数也是可以在操作界面中随时调整的，这样可以测得更准确的数据。图 7为上位机软件树形结构图。

图 7 上位机 软件树形结构图Fig 7 Tree structure graph of upper PC software4 实验结果与分析将激光器固定在可以移动的定心装置上，PSD平 板固定在长管的另-头，把PSD测量装置安装在平行光管 ，可以将激光光束压缩成直径小于 1 Film的平行光束打在PSD光敏面上的中心 8ITlm x8mm的有效面积内，滤除背景光，提高测量精度。沿 PSD对角线方向正负运动 4 Inn1 测得 和 l，方向输出电压进行处理并修正后得出如图8(a)，(b)所示∩以看出：PSD在几何中心位置64 IlIl 范围内有很好的线性度，进而可以测量出x和l，方向的线性系数，由图8所示估算出 方向转换系数为0.8506 V/mm，Y方向转换系数为0.8779 V/ram。

实验中针对 155 min的长管进行 r测量，测量结果如图9、图1O所示。

结果表明：在长 1.5 m的长管钢管上测量试验 ，以0.3 m第l期 王强龙，等：基于PSD的长管弯曲度测量系统设计之出 1蓁 ：：；之2蓁-÷--32方向位置/mm(a)X方向系数的曲线(a)curve ofX direction coeficient方向位置/mm(b)Y方向系数的曲线(b)carve ofY direction coeficient图8 。y方向系数的曲线Fig 8 Curve of X and Y direction coeficientO.4目 O·2要 0百咖 -0.2：- 0.8- 1.0轴向坐标/ram图9 X，Y方向测量曲线Fjg 9 M easuring curve of and Y direction处为参考点作 0点开始测量 ，由图 10中可以看出： 方向和l，方向的弯曲度都在精度-10-10 am，整个长管的弯曲度为R√ 的最大值为8.5746IlTI。

5 结 论本文设计了-种可用计算机远程实时控制的非接触式8娄 l静-i长管位置 /nun图 10 弯曲度测量曲线Fig 10 Curve of curvature measurmentPSD位移测量系统，测量的量程为 -4-十4 mlTl，分辨率为1 Ixm，单片机实时显示数据，上位机可以根据现场情况更新标定 方向，l，方向系数以确保测量精度，实时控制单片机实现测量，实现对光点实时快速的响应，运行稳定，测量数据可靠。