[发明专利]基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法

说明书

本发明公开了基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法，建立位置敏感探测器的测量原理模型，基于位置敏感探测器的原理分析，建立基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型，最后进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响规律的研究；由于激光追踪测量系统的跟踪性能体现在PSD的输出电压的准确性和光电转换电路响应的快速性。PSD的位移电压转换系数的选择可以有效提高激光追踪测量系统的跟踪性能，当位移电压转换系数α_p为1000时，PSD的响应时间短，激光追踪测量系统动态响应曲线的超调量低，稳定时间短，系统响应的动态超调误差小，PSD光电转换电路输出电压值的误差低，稳定时间短。

技术领域

本发明涉及一种系统模型建立方法，特别是基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法，属于精密测量领域。

背景技术

自从上世纪80年代激光跟踪测量系统第一次被研制出以来，面向现场的坐标系统——激光追踪测量系统解决了坐标测量机标定效率和精度提高的难题。激光追踪测量系统由于基准球的设计，使得空间距离的测量精度得到了大幅提高，可以实现对三坐标测量机、机床和加工中心的校准。激光追踪测量系统利用位置敏感探测器(Position-SensitiveDetector,PSD)检测由于猫眼的移动引起的反射光束和入射光束的偏移，通过电机控制万向节式回转轴系，进而使光束保持对目标镜的跟踪。位置敏感探测器是一种基于非均匀半导体横向光电效应进行工作的光电器件，是对入射光位置敏感的光电器件。其探测的信号大小与入射光斑的分布情况无关，只与入射光的能量重心位置有关。位置敏感探测器的性能决定着激光追踪测量系统的跟踪性能，因此基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器的模型建立对激光追踪测量系统跟踪性能研究具有重要意义。

为了进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统跟踪性能的影响规律的研究，为此，有必要发明一种基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法。

发明内容

本发明的目的在于根据位置敏感探测器原理，提出一种基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型的建立方法。对提高激光追踪测量系统的跟踪性能具有重要意义。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型建立方法，建立位置敏感探测器的测量原理模型，基于位置敏感探测器的原理分析，建立基于激光追踪测量系统的位置敏感探测器模型，最后进行位置敏感探测器的性能对激光追踪测量系统的跟踪性能影响规律的研究，包括以下步骤：

步骤一：建立位置敏感探测器的坐标系统。如图1所示，设PSD的中心为坐标原点O，根据右手定则，建立O-xy直角坐标系，x轴方向为水平方向且y轴方向为垂直方向。P(x₀,y₀)为照射到PSD上的入射光斑能量中心点。以P点为中心建立P-x’y’直角坐标系，x’轴方向为水平方向且x’轴与x轴平行；y’轴方向为垂直方向且y’轴与y轴平行。P-x’y’直角坐标系，把PSD接收面分成四个区域，且四个区域的面积分别为S₁、S₂、S₃、S₄。四个电极的长度均为2L。I₁—I₄分别为四个电极输出的电流值。

步骤二：建立光斑能量中心与位置敏感探测器的关系。根据步骤一建立的位置敏感探测器的坐标系统，可以得到PSD的每个电极上的电流表达式，进而得到入射光照射到PSD上的光斑中心坐标的归一化表达式。当入射光斑的能量中心与PSD光敏面的中心重合时，没有估计误差，有：