1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中，对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台，需要考虑非接触三轴角度测量方法，目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂，占用空间大，无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此，文中提出了基于双位置敏感探测器（PSD）的非接触三轴角度测量方案，使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射，将光源在两片PSD上汇聚成像，利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成，分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差，提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理，分析了滤波器的相频响应特性，并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽，验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明，34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%，在±2°测量范围内单轴测量时，方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°，组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°，文中所提出的三维测角传感器精度较高，满足机载等场景的使用要求。
三轴姿态角度测量 非接触测量 位置敏感探测器 滤波带宽 响应频率 three-axis attitude angle measurement non-contact measurement position sensitive detector filter bandwidth response frequency 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230543
北京工业大学材料与制造学部数控精密加工技术研究所，北京 100124
激光具备优异的相干性、方向性和高能量，被广泛应用于激光通信、激光制导、高能**和精密加工等领域。然而，激光器本身和外部环境等因素会造成光束指向不稳定，严重降低了通信、制导和加工的精度。因此，构建了一种基于快速反射镜的光束指向性偏差矫正系统，并对光束指向性偏差矫正过程进行建模。重点构建了由位置敏感探测器的位置偏差信号到快速反射镜的矫正角度的控制模型。建立的控制模型可以实现对光束指向性偏差的检测和预测，并调整快速反射镜的姿态，以矫正光束指向性偏差，提高光束指向稳定性。通过实验验证了构建的系统和模型的性能。结果表明，依据构建的系统和模型校正后的光束在X方向和Y方向上的指向性偏差分别减少了78.08%和70.28%，光束指向稳定性显著提升。
光学设计 激光束传输 光路建模 光束指向性偏差 快速反射镜 位置敏感探测器 中国激光
2023, 50(14): 1405003
中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所, 成都 610000
为了提高位置敏感探测器(PSD)的位置检测范围, 解决光斑在探测器光敏面脱靶时无法准确定位光斑的问题, 提出一种光斑脱靶误差补偿方法, 分析了脱靶前后PSD检测光斑能量重心变化规律, 建立了PSD光强信号与位置检测误差间的函数关系。实验结果表明: 当PSD光敏面尺寸为12mm×12mm时, 对于半径为5mm的高斯光斑, 通过所提出的光斑补偿方案补偿后PSD的X轴检测范围提高了66.7%, 位置检测平均相对误差不超过5%, 该方法对提高PSD位置检测性能具有重要的意义。
1 山东理工大学 机械工程学院, 淄博 255000
2 河南科技大学 车辆与交通工程学院, 洛阳 471003
3 中国计量大学 计量测试工程学院, 杭州310018
4 燕山大学 电气工程学院, 秦皇岛066004
为了实现平行度误差的精确测量, 提出了基于位置敏感探测器(PSD)激光准直法的平行度误差测量方法, 并设计了实验测量系统。该系统利用倒置望远镜结构二次透镜变换的方法, 对准直激光束的发散角和光斑大小进行平衡, 通过光学五棱镜转折光路, 由PSD将测量位移经信号调理电路和数据采集及处理系统, 实时得到测点相对于基准的位置, 再以最小包容区域法快速评定出被测要素和基准要素两者之间的平行度误差。结果表明, 系统相对不确定度为0.077%, 具有较高的测量精度。该研究为平行度误差的精密测量技术提供了有效测量方法, 具有一定的现实指导意义。
激光技术 平行度误差 激光准直 位置敏感探测器 最小区域 laser technique parallelism error laser collimation position sensitive device minimum zone
北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心, 北京 100124
提出了一种分析位置敏感探测器(PSD)对激光追踪测量系统性能影响的方法,分析了PSD的测量原理,建立了激光追踪测量系统中的PSD测量模型。利用Matlab/Simulink软件搭建了激光追踪测量系统的仿真模型,仿真分析了PSD的位移电压转换系数对激光追踪测量系统性能的影响。仿真结果表明,当位移电压转换系数αp为1000 m/V时,PSD的响应时间较短,激光追踪测量系统动态响应的超调量低、稳定时间短、动态超调误差小。实验结果表明,αp越大,PSD光电转换电路输出的电压误差越大,对激光追踪测量系统性能的影响也越大。当αp=1000 m/V时,PSD光电转换电路输出电压的误差最低,稳定时间最短。
测量与计量 激光追踪测量系统 位置敏感探测器 位移电压转换系数 跟踪性能 中国激光
2020, 47(11): 1104001
华东交通大学 电气与自动化工程学院，南昌 330013
为了实时了解铁路轨道的轨距变化情况，研制了一种实时在线监测轨距变化的测量系统。采用位置敏感探测器和激光发射器作为测量元件实时采集轨距的变化信息，建立数学模型计算轨距的偏移量，通过组合算法来获取两根钢轨移动状态后的偏移量，并通过二次插值算法对位置敏感探测器进行非线性补偿以提高位置敏感探测器的精度和准确度；采用控制器局域网络总线和通用分组无线服务技术将一定区域内的轨距变化信息发送到监控中心进行显示；通过和现有二级铁路轨距尺分别对同一模拟轨道进行了测量实验。结果表明，该系统的测量精度为0.32mm，达到了目前轨道检测行业所规定的1mm精度要求。
激光技术 轨距监测 位置敏感探测器 组合算法 非线性补偿 laser technique gauge monitoring position sensitive detector combination algorithm nonliner compensation
1 南京理工大学 智能弹药国防重点学科实验室,南京 210094
2 中电海康集团有限公司 中电海康集团研究院,杭州 310012
为了减小现有小型旋翼类无飞机飞行过程中卫星/惯性组合导航系统的制导误差,提高其导航系统定位精确度,提出2维位置敏感探测器激光制导与机载卫星/惯性组合导航系统结合的新型导航系统方案。该系统利用1064nm红外脉冲激光作为引导光源,采用中间飞行段卫星/惯性导航、末端飞行段激光照射制导结合的方式,进行了理论分析和对比实验验证。结果表明,在室外飞行环境和室内强、弱、正常光照飞行环境下,该系统始终保持较高的定位精度和结果一致性；相对比其它现有制导方式,该系统的探测频率始终保持5kHz、定位精度始终保持其圆形概率误差处于0.10m数量级,取得了较好的定位实验结果。该系统具有鲁棒性强、电路简单、探测灵活、高速精确的特征,对无人机末端制导具有重要意义。
激光技术 激光制导 位置敏感探测器 组合导航 laser technique laser guidance position sensitive detector integrated navigation
中国科学院 空间应用工程与技术中心 空间应用重点实验室, 北京 100094
位置敏感探测器(Position Sensitive Detector, PSD) 是一种高精度的二维位移测量传感器, 利用三片二维PSD的组合实现空间六自由度相对运动的位移和角度测量。测量系统主要包括三片PSD传感器(包括PSD光敏面和发光管) 、低噪声的信号调理和AD采集电路, 采用三片PSD正交布局方案, 通过PSD光敏面的光点位置计算相对运动的位移和角度。设计了六自由度的PSD标定测试系统, 用于PSD测量系统中心偏移和发光管安装误差的标定测试。测试结果表明, PSD测量系统的测量范围优于位移±10 mm、角度±2.5°, 标定后PSD测量系统的噪声误差为位移0.1 mm、角度0.02°, 测量系统的绝对位移误差小于0.5 mm、角度误差小于0.14°, 满足系统0.5 mm和0.5°的指标要求。此外, 对PSD传感器的环境适应性进行了评估。PSD测量系统具有量程宽、精度高、线性度好的优点, 成功应用于天舟1号货运飞船微重力主动隔振装置的相对运动测量中。
位置敏感探测器 三维位移测量 运动测量 可靠性评估 position sensitive detector three-dimensional displacement measurement movement measurement reliability evaluation 光学 精密工程
2018, 26(12): 2930
1 长春理工大学 光电信息学院, 长春 13002
2 中国中车长春轨道客车股份有限公司, 长春 130062
3 长春理工大学 光电信息学院, 长春 130022
在传统直射式激光三角测距方法的基础上, 设计了一种基于位置敏感探测器的单透镜激光三角测头.引入一枚分束镜, 将聚焦透镜和成像透镜合并为一枚.在空间布局上, 令分束镜、探测器、聚光透镜三者共轴, 使系统的结构更加紧凑, 并推导了满足该结构的Scheimpflug条件.利用Zemax光学设计软件仿真光学系统, 系统焦距20 mm, 入瞳直径4 mm, 总长20.5 mm, 可实现测量系统的小型化.同时, 对位置敏感探测器进行非线性校正以及相关信号处理, 保证在较高测量精度的前提下获得更大的工作范围, 并提高系统对测量环境适应性, 可广泛应用于工业实时在线检测等领域.
光学设计 激光三角法 Scheimpflug条件 单透镜 小型化 位置敏感探测器 Optical design Laser triangulation Scheimpflug condition Single lens Miniaturization Position sensitive detector
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
为了克服图像传感器在位姿测量中存在响应速度与精度相互制约以及相应图像处理算法复杂的缺陷, 提出一种基于单个位置敏感探测器的目标空间位姿测量方法.首先建立以位置敏感探测器光敏面中心为原点的传感器坐标系并在该坐标系下定义空间姿态角, 然后将合作目标上8个循环交替点亮的红外LED光源作为探测对象, 特征发光点经过会聚镜头成像于探测器光敏面上, 经信号处理得到各点二维像坐标, 并结合光源相对位置关系最终解算得到目标在传感器坐标系下的空间位置和姿态.在对系统稳定性进行验证后完成了位置平移与角度旋转的测量实验.实验结果表明: 提出的方法在视场角为16.3°的范围内探测距离可达10 m, 沿深度方向的位置测量绝对误差最大为36.2 mm, 其他方向位置测量平均绝对误差最大为7.1 mm, 角度测量绝对误差优于2°.该方法解算过程简单、实时性强, 测量更新频率为100 Hz, 可以满足位姿检测的高速要求.
位置敏感探测器 位姿测量 单传感器 合作目标 红外LED Position sensitive detector Pose measurement Single-sensor Plane object Infrared LED
