應用位置敏感探測器檢測平面度的方法研究*

韓金玉，王守志

(天津中德應用技術大學 a.電氣與能源學院；b.航空航天與汽車學院，天津　300350)

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應用位置敏感探測器檢測平面度的方法研究*

韓金玉a，王守志b

(天津中德應用技術大學a.電氣與能源學院；b.航空航天與汽車學院，天津300350)

摘要：為實現平面度誤差值的在線檢測，文章在分析平面度最小二乘法評定方法和位置敏感探測器測距原理的基礎上，提出了一種基于應用直射式光學三角法的平面度在線檢測方法，并設計了一種試驗裝置。該方法首先應用3組位置敏感探測器檢測組件逐次檢測被測表面的Z向偏離值，確定各被測點的坐標值，然后應用最小二乘法計算平面度,評定基準面后，計算平面度誤差值。仿真試驗結果表明，文中方法對于一般平面的測量精度較高，優于千分尺指示器法，其測量結果可靠有效。

關鍵詞：平面度；檢測；位置敏感探測器

0引言

平面度是產品的一種重要形位公差，其誤差值大小對產品的工作質量和工作性能有著直接影響。間隙法、液面法、指示器法等傳統的平面度檢測方法檢測評定步驟復雜，檢測精度不高，較難實現在線連續測量[1]。為此，國內外學者應用CCD探測器提出了多種平面度測量方法，如陳寶剛等人基于光學及圖像處理提出的內調焦平面度測量方法[2]，陳小寧等人基于雙目視覺和投影圓提出的非接觸式測量方法[3]，VMaurizio應用斜射式光學三角法提出了平面度迭代測量方法[4]，LZhao等人提出的基于機器視覺的平面度測量方法和柔性校準方法等[5]。但這些平面度測量方法均采用了CCD探測器技術，其檢測數據量大、響應速度慢，且斜射式光學三角法對表面粗糙度較為敏感，無法滿足先進制造技術的發展需要。因此，本文應用具有成本低、響應快、分辨率高、線性精度高等多種優點[6]的位置敏感探測器(PositionSensitiveDetector，PSD)，提出了一種對粗糙度敏感度低的直射式平面度測量方法。

1檢測方法與系統設計

1.1平面度誤差檢測評定方法

平面度誤差值是被測平面對理想平面的允許變動量，即用平面度最小包容區域的寬度f表示的數值[1]，如圖1所示。

圖1　平面度誤差

現有的平面度評定方法有多種，如最小二乘法、三遠點平面法和對角線平面法等。本文選用計算快捷簡單、應用廣泛的最小二乘法評定平面度誤差。最小二乘檢測評定法的關鍵工作是測量實際平面上各測量點的位置，然后確定最小二乘中心平面SLS及各測量點相對于平面SLS的偏離值，然后以中心平面SLS作為評定基面，應用式(1)計算平面度誤差值fLS。

fLS=dmax-dmin

(1)

式中，dmax、dmin為各測得點相對中心平面SLS的最大和最小偏離值。

1.2PSD檢測原理

1.2.1PSD工作原理

位置敏感探測器(PositionSensitiveDetector，PSD)是一種基于半導體“橫向光電效應”的光電位置敏感器件[7-8]，可以連續檢測光斑位置，且檢測位置是光斑的能量重心位置，與光斑面積大小和能量分布無關。PSD有一維和二維兩種類型，其工作原理均與光電二極管相似，為PIN結構[7]，如圖2所示。

圖2　一維PSD結構

在光照射時，入射光照射位置P處將產生一個與光強成比例的電荷。假設光敏面的電阻層均勻分布，那么兩個輸出電極的光電流的關系為：

(2)

由(1)式可得：

(3)

式中，d為入射光照射位置P到PSD中心的偏移距離；I1為輸出電極1的電流；I2為輸出電極2的電流。

可見，理論上入射光相對于PSD中心的偏移距離與光敏面長度和輸出電流值有關。檢測時，可以通過檢測兩個輸出電極的電流值,間接獲得入射光相對于光敏面的位置。

但是，在實際檢測過程中，PSD的檢測精度受背景光、暗電流、入射光波長及光斑大小等多種因素的影響，呈非線性特點。本文選用抗干擾能力強、線性度好的S3979型一維PSD。S3979型PSD的峰值響應波長為920nm，波長在400nm～860nm時，其溫度特性較好，而背景光主要是可見光，為避免背景光的干擾，在PSD前放置濾光片，濾除背景光，同時激光波長取800nm，光斑大小取φ0.2mm。此時，該PSD的溫漂較小，為提高精測精度，采用阻容耦合電路進一步抑制溫漂問題。

1.2.2PSD測距方法

激光三角測量是一種非接觸測量位移的重要方法，廣泛應用于三維輪廓、厚度、寬度及振動測量[9]。本文采用對表面粗糙度不敏感的直射式光學三角法測量實際平面的Z向偏移量，如圖3所示。成像透鏡用于收集入射光在被測物體表面的漫反射光線，并在PSD光敏面上成像。為使不同實際表面點在PSD光敏面上精確成像，應滿足Scheimpflug條件，即PSD的光敏面、成像透鏡的主平面與激光組件軸心線延長線應相交于一點[10-11]。

圖3　光學三角形法原理圖

由三角形相似原理可得：

則：

即：

(4)

若被測表面向下偏移時，PSD檢測獲得的偏移量d為負數，即k=-d。同理，可證明式(4)同樣適用于向下偏移量的計算。

由式(4)可知，通過PSD光敏面的光斑偏移量d可以計算出被測表面的偏離值，且二者呈非線性關系。

1.3檢測系統設計

1.3.1PSD檢測裝置設計

S3979型PSD的光敏面尺寸為3mm×1mm，位置分辨率0.1μm。激光源、聚光透鏡、成像透鏡、PSD等按圖3所示的布局制作成相對位置固定的檢測組件。

檢測組件安裝在固定支座上，如圖4所示。為提高檢測速度，并降低Y向誤差，采用安裝于同一高度的3個檢測組件同時測量被測工件表面的Z向偏移量，其間距為10mm。檢測時，移動支座、被測工件置于同一測量平臺上，并垂直校準支架高度使至少一個檢測組件成像于PSD光敏面中心點后，依此為基準，檢測第一組檢測點的高度偏移量，然后平移移動支座5mm，檢測第二組檢測點的高度偏移量，依此類推，直到檢測完待測工件，如圖5所示。

注意，因各被測點的垂直高度不同，檢測前的校準一般無法保證3個檢測組件都成像于PSD光敏面中心點。若強制使3個檢測組件都成像于PSD光敏面中心點，會給檢測結果帶來較大的誤差。

圖4　檢測裝置

圖5　檢測布點方式

1.3.2檢測方法設計

PSD光電信號經濾波調理電路調理后，由PCI-6040E數據采集卡采集數據，并上傳計算機。檢測數據由自行開發的VisualC++程序處理，確定最小二乘中心平面SLS后，計算出平面度誤差值，其具體步驟如下：

(1)垂直校準后，檢測第一組數據，應用式(3)和(4)分別計算各點的高度值，則可獲得第一組3點的坐標值，記為P11=(0,0，z11)、P21=(0,10，z21)、P31=(0,20，z31)；

(2)平移移動支座5mm，檢測并計算第二組各檢測點的高度值，各點坐標值記為P12=(5,0，z11)、P22=(5,10，z21)、P32=(5,20，z31)，依此類推，將待測工件檢測完。

(3)應用檢測獲得的各點坐標值計算確定最小二乘中心平面z=f(x,y)；

(4)計算各檢測點到相對中心平面SLS的最大偏離值dmax和最小偏離值dmin；

(5)應用式(1)計算平面度誤差值。

2試驗與分析

為了驗證本文方法的有效性和測量精度，選擇尺寸為22mm×200mm×30mm試驗工件10塊，分成2組，每組5塊。設定2個試驗，一組試驗工件的22mm×200mm表面做研磨處理，另一組不做研磨處理，分別使用本文方法、千分表指示器法及L-740平面度檢測儀(評測精度為0.0025mm/M)等3種方法測量3次被測表面的平面度誤差值，用3次測量結果的平均值表示該種測量方法的測量結果，并以L-740平面度檢測儀的測量結果fL為依據，按照式(5)評價本文方法及千分表指示器法測量結果的最大相對準確度。

(5)

對于一般精度的平面，測量結果如圖6所示。與L-740平面度檢測儀的測量結果相比，本文方法與其相近，最大差異為2.5μm，最大相對準確度為2.6%；千分尺指示器法差異較大，最大差異量為4.5μm，最大相對準確度為5.1%。由上分析可知，本文方法對于一般精度的平面，其測量結果接近與L-740平面度檢測儀，優于千分尺指示器法，其測試結果有效可靠。

圖6　未研磨工件的測量結果對比圖

對于研磨后精度較高的平面，本文方法的測量結果與千分尺指示器法相近，最大差異量為2μm。與L-740平面度檢測儀的測量結果相比，本文方法的最大差異量為3.2μm，最大相對誤差為26.3%；千分尺指示器法最大差異量也為3μm，最大相對誤差為18.7%，如圖7所示。

圖7　研磨工件的測量結果對比圖

可見，對于精度較高的平面，本文方法的測量結果與千分尺指示器法接近，與L-740平面度檢測儀對比，其相對誤差較大。這是由于本文設計的檢測裝置沒有補償PSD自身的位置檢測誤差、校準誤差及干擾信號引入的誤差。若采取措施補償PSD的非線性誤差等可進一步提高測量精度，將適用于精度較高的平面檢測。

3結論

本文提出的平面度檢測方法可實現平面度的在線檢測，且對一般平面其測量結果可靠有效。若配合水平定位在線控制裝置，可以實現平面度的在線連續測量。

(1)入射光相對于PSD中心的偏移距離與光敏面長度和輸出電流值有關，其偏離值可通過檢測兩電極的電流值確定。

(2)直射式光學三角法可以測量被測表面的Z向偏移量，且Z向偏移值與PSD光敏面的光斑偏離值成非線性關系。

(3)本文方法測量一般平面的精度較高，優于千分尺指示器法，其測量結果可靠有效。對于精度較高的平面，本文方法的相對測量誤差較大，需采取誤差補償措施，提高其檢測精度。

(4)本文方法可以在線檢測平面度，配合水平定位在線控制裝置，可以實現平面度的在線連續測量。

[參考文獻]

[1]GB/T11337—2004，平面度誤差檢測[S].

[2] 陳寶剛,邵亮,李劍鋒.大直徑窄環帶平面平面度的精確測量[J].光電工程,2015(8):14-19.

[3] 陳小寧,郭進,姚一永.基于雙目視覺和投影圓的平面度非接觸檢測方法[J].四川兵工學報,2013,34(3):99-102.

[4]VMaurizio.Absoluteflatnessmeasurementusingobliqueincidencesetupandaniterativealgorithm.Ademonstrationonsyntheticdata[J].OpticsExpress,2014,22(22):3538-3546.

[5]LZhao，QOuyang，DChen，etal.StudyonCCDlaserscanningflatnessmeasurementmethodforhotrolledstrip[J].Ironmaking&Steelmaking, 2015,42(8):600-607.

[6] 段潔,孫向陽,蔡敬海,等.PSD在激光位移檢測系統中的應用研究[J].紅外與激光工程,2007,36(Z):281-284.

[7]RPorrazzo，LLydecker，SGattu，etal.Self-BalancingPosition-SensitiveDetector(SBPSD)[J].Sensors,2015,15(7):17483-17494.

[8] 尚鴻雁.二維PSD動態響應誤差分析[J].紅外與激光工程,2008,37(Z):302-305.

[9] 侯金龍.PSD激光三角測量系統的研制[D].武漢：華中科技大學，2005.

[10] 袁勃，張桂香，陳根余，等.基于CCD傳感器的砂輪輪廓測量系統設計[J].傳感器與微系統,2014,33(1):101-104.

[11] 沈磊，李頂根，褚俊，等.激光三角法位移測量中數字散斑相關法的研究[J].紅外與激光工程,2014,43(1):288-293.

(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0082-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.023

收稿日期：2016-01-18；修回日期：2016-02-26

*基金項目：國家自然科學基金(61571030)

作者簡介：韓金玉(1978—)，女，河北邢臺人，天津中德職業技術學院講師，碩士，研究方向為計算機視覺與智能化檢測與監控研究，(E-mail)715549796@QQ.com。

中圖分類號：TH741；TG506

文獻標識碼：A

Measuring Method of Departures from Flatness using Position Sensitive Detector

HAN Jin-yua,WANG Shou-zhib

(a.ElectricalEngineeringandEnergySchool;b.Aviation,AerospaceandAutomobileSchool,TianjinSino-GermanUniversityofAppliedSciences,Tianjin300350，China)

Abstract：In order to realize online detection of flatness error,a kind of flatness on-line Measuring method of applying the direct optical triangulation is proposed that is based on the analysis of flatness evaluation method of the least-square method and the principle of position sensitive detector, and an experimental device is designed.Firstly the measured surface of the Z axis deviation value is detected gradually by three groups of Position Sensitive Detector,the coordinate values of the measured point are determined,then the flatness is calculated with the least square method,and the flatness error value is calculated.The results of the simulation showed that the precision of the method in this paper for the general plane is high,which is better than that of micrometer indicator,and the measurement results are reliable and effective.

Key words：flatness; departures;position sensitive detector