分析位置传感器的位置测量系统

    位置传感器可分为两种，直线位移传感器和角位移传感器。其中直线位移传感器常用的有直线位移定位器等，具有工作原理简单、测量精度高、可靠性强的特点；角位移传感器则可选旋转式电位器，具有可靠性高、成本低的优点。角位移器还可使用光电编码器，，有增量式与绝对式两种形式。其中增量式码盘在机器人控制系统中得到了广泛的应用。

 

    典型位置测量系统

 

    1）单探测器位置测量系统扩展系统线性范围

 

    单探测器通常只能测量光通量的变化，把位置变化转换为光通量变化，常借助于像分析器，其原理是在像面上形成测光窗口作为位置基准。该窗口可以是狭缝、圆孔、棱尖或刀口，也可以是调制圆盘。这些基准窗口或调制盘，在工作时可做周期性扫描运动或转动，使光敏元件输出周期性信号以便提高信噪比。上述位置测量过程实际上也是光信号边缘位置检测过程。单探测器构成的像分析器可以有很高的位置分辨力。一个典型的位置测量系统是振子式光电瞄准装置，其位置分辨力可达零点零几微米，它被用于光电显微镜和光电自准直仪等。振子上有一狭缝置于位敏元件之前，它以50Hz振动，当光信号亮线与狭缝的中心位置重合时，对应光通量的变化，光电器件有100Hz频率对称波形输出。

 

    若光信号亮线与狭缝中心不重合，则输出波形除有100Hz成分外还有50Hz成分，根据相位可判断偏离方向，根据幅值可以判断偏离大小。但由于光敏元件的非均匀性、光信号分布的非均匀性以及亮度变化等因素的影响，使得这种测量的线性范围很小，通常这种扫描式像分析器适于光电瞄准。如果要扩大位置测量范围、提高精度，需用伺服机构，目前已有带伺服系统的光电自准直光管产品。另一个典型例子”是使用具有伺服锁定功能的析像管构成的光子式位移传感器，其分辨力可达零点零几微米。在较宽的测量范围内，非线性低于1％，可超过100kHz。

 

    2）PSD位敏元件构成的位受测量系统

 

    PSD是专为光学信号位置测量而研制的元件。其输出的位置信号是光信号的亮度中心坐标。例如，一种在长25m范围内测量直线度的PSD应用系统，用He—Ne激光器作为光源，PSD像面上光斑直径为5mm，其测量精度可达2.5um。PSD型号是S1200，为表面分离改进型元件。一般来说PSD位置测量系统比较简单，具有很好的抗杂光干扰能力和较小的位置温度系数(波长低于900nm时温度系数可低于0.2％／℃)。

 

    3)象限位置测量系统

 

    象限位置测量系统检测的也是光恬号的亮度干心位置，其输出一服再问种电路连接万案：和差电路连接和直差电路连接。和差电路的特点是测量灵敏度较高，非线性影响较小，直差电路这两方面性能要差一些。采用差动连接，光信号亮度起伏以及背景影响可以被抵消，灵敏度也有所提高。这些特点都是单探测器所没有的，线性也比单探测器好。

 

    但是，由于象限探测器中每个光敏元之间的特性差别，每个光敏元自身响应的不均匀以及光信号形状和分布的不规则性，使得象限位置测量的线性范围，比PSD别要小很多。采用闭环结构可使线性得到很大改善，如采用四象限光电池、检差电路和伺服电机构成的测量系统，在土1．5mm的范围内可以得到0.05％的线性度。

 

    4）阵列式探测器位置测量系统

 

    目前，这种测量系统较多，它们具有测量范围大、分辨力高的特点。用面阵位置传感器进行光电位置测量的最好结果是在CCD星体跟踪器中得到的。由于采用亚像素分辨技术，其位置测量精度接近1／100像素尺寸(0.3um)，抖动率为1／250像素尺寸(约为0.1um)，成功地将视场分为1／50000(所用CCD为512×320像元)，获得高精度的关键在于提高信噪比。

 

    该系统采用慢扫描工作方式读出信号电荷，采用相关四重采样放大器，使读出噪声大大降低，利用半导体制冷技术降低暗电流，使整个系统噪声控制在信号散粒噪声水平。一般来说，面阵位置测量系统较复杂，一维位置测量系统相对简单。二维大型面阵位置测量系统不太适于动态位置测量，因为它需要较长的光积分时间和电荷转移时间