[發明專利]基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型建立方法

有效

• 申請號: 202010192414.4
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111272074B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 陳洪芳;湯亮;張爽;馬英倫;石照耀
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型建立方法，建立位置敏感探測器的測量原理模型，基于位置敏感探測器的原理分析，建立基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型，最后進行位置敏感探測器的性能對激光追蹤測量系統的跟蹤性能影響規律的研究；由于激光追蹤測量系統的跟蹤性能體現在PSD的輸出電壓的準確性和光電轉換電路響應的快速性。PSD的位移電壓轉換系數的選擇可以有效提高激光追蹤測量系統的跟蹤性能，當位移電壓轉換系數α_p為1000時，PSD的響應時間短，激光追蹤測量系統動態響應曲線的超調量低，穩定時間短，系統響應的動態超調誤差小，PSD光電轉換電路輸出電壓值的誤差低，穩定時間短。

技術領域

本發明涉及一種系統模型建立方法，特別是基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型建立方法，屬于精密測量領域。

背景技術

自從上世紀80年代激光跟蹤測量系統第一次被研制出以來，面向現場的坐標系統——激光追蹤測量系統解決了坐標測量機標定效率和精度提高的難題。激光追蹤測量系統由于基準球的設計，使得空間距離的測量精度得到了大幅提高，可以實現對三坐標測量機、機床和加工中心的校準。激光追蹤測量系統利用位置敏感探測器(Position-SensitiveDetector,PSD)檢測由于貓眼的移動引起的反射光束和入射光束的偏移，通過電機控制萬向節式回轉軸系，進而使光束保持對目標鏡的跟蹤。位置敏感探測器是一種基于非均勻半導體橫向光電效應進行工作的光電器件，是對入射光位置敏感的光電器件。其探測的信號大小與入射光斑的分布情況無關，只與入射光的能量重心位置有關。位置敏感探測器的性能決定著激光追蹤測量系統的跟蹤性能，因此基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器的模型建立對激光追蹤測量系統跟蹤性能研究具有重要意義。

為了進行位置敏感探測器的性能對激光追蹤測量系統跟蹤性能的影響規律的研究，為此，有必要發明一種基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型建立方法。

發明內容

本發明的目的在于根據位置敏感探測器原理，提出一種基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型的建立方法。對提高激光追蹤測量系統的跟蹤性能具有重要意義。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型建立方法，建立位置敏感探測器的測量原理模型，基于位置敏感探測器的原理分析，建立基于激光追蹤測量系統的位置敏感探測器模型，最后進行位置敏感探測器的性能對激光追蹤測量系統的跟蹤性能影響規律的研究，包括以下步驟：

步驟一：建立位置敏感探測器的坐標系統。如圖1所示，設PSD的中心為坐標原點O，根據右手定則，建立O-xy直角坐標系，x軸方向為水平方向且y軸方向為垂直方向。P(x₀,y₀)為照射到PSD上的入射光斑能量中心點。以P點為中心建立P-x’y’直角坐標系，x’軸方向為水平方向且x’軸與x軸平行；y’軸方向為垂直方向且y’軸與y軸平行。P-x’y’直角坐標系，把PSD接收面分成四個區域，且四個區域的面積分別為S₁、S₂、S₃、S₄。四個電極的長度均為2L。I₁—I₄分別為四個電極輸出的電流值。

步驟二：建立光斑能量中心與位置敏感探測器的關系。根據步驟一建立的位置敏感探測器的坐標系統，可以得到PSD的每個電極上的電流表達式，進而得到入射光照射到PSD上的光斑中心坐標的歸一化表達式。當入射光斑的能量中心與PSD光敏面的中心重合時，沒有估計誤差，有：