[发明专利]基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法、测量系统

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种基于位置敏感探测器(Position Sensitive Detector，PSD)的运动参数测量系统的标定方法。本发明同时还涉及一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统。 

背景技术

位置敏感探测器(PSD)是一种基于横向光电效应的探测器，多用于光学信号位置测量。运动参数测量系统中使用的二维PSD，在x和y方向两端分别安装一对输出电极。当来自被测物体的光线入射到PSD的光敏面上时，四个电极会有光电流输出，根据这四个电流值就可以计算得到光斑的坐标。经PSD处理电路处理之后，四个电流值转换成与坐标相关的两个电压值。例如，输出电压与光斑坐标之间呈1V/mm的线性关系，即若光斑落在PSD光敏面上(1mm，-0.5mm)处，则对应x和y方向的电压输出分别为1V，-0.5V。 

在运动物体上安装指示光源，用PSD跟踪光斑落点的位置从而得到物体的位置信息，就构成了典型的光学非接触的测量方法。由于该方法对运动中物体实时监控具有实时、高分辨力的优势，且通过实时监控物体的位置信息，还可计算得到速度、加速度等运动信息，因此这种方法被广泛用于运动参数检测。 

但由于材料和探测机理的原因，PSD光敏面的部分范围输出具有非线性。因此在PSD运动参数测量系统投入使用之前，需要对其进行标定以减小系统测量误差。同时，PSD作为二维光学位敏器，加上光学投射系统后，虽然可以对更大范围的二维空间进行位置感知，但在光学系统主面位置不明的实际系统中，无法借助单一的探测轴向距离，推算出器件输出信号与实际空间位置坐标的关系。 

发明内容

本发明提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，本发明的标定方法自动化程度高，标定后可使用系统对不同纵深位置上进行精确的三维测量。本发明同时还提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统的标定方法，包括如下步骤， 

1)确定位置敏感传感器的有效探测区域； 

2)在位置敏感传感器的近平面和远平面分别选取若干对相对于中心旋转对称点作为取样点；其中，所述近平面和远平面分别指位置敏感传感器有效探测区域沿轴向的最远端和最近端的平面； 

3)将标定用光源依次设置于每一取样点位置，记录每一取样点的位置坐标以及设置于该位置的光源在位置敏感传感器上的输出坐标，并建立二者之间的对应关系，形成标定数据库。 

可选的，确定位置敏感传感器的有效探测区域的步骤包括确定位置敏感传感器的沿轴向的有效探测范围以及沿径向的有效探测范围。 

可选的，在位置敏感传感器的光学系统焦距范围内任意位置选取与光学系统光轴垂直的面作为基准面。 

沿径向有效探测范围确定为与位置敏感传感器测量系统轴线成2arctan(d/2f)锥角的圆锥体内的区域，圆锥体顶点为所述基准面与光轴交点。 

可选的，确定位置敏感传感器沿轴向的有效探测范围包括如下步骤： 

将指示光源沿圆锥体母线由远到近轴向移动； 

观测位置敏感传感器输出的光斑能量信息；输出能量为位置敏感传感器可有效探测能量下限时光源所在平面为远平面；输出能量为位置敏感传感器可有效探测能量上限时光源所在平面为近平面。 

可选的，基准面设置为位置敏感传感器光学系统的前端面。 

可选的，还包括根据标定数据库确定待测光源坐标的步骤。 

可选的，根据标定数据库确定待测光源坐标的步骤包括： 

由标定数据库选取与待测光源测量值最接近的两个点的坐标值； 

根据标定数据库获得所述两个点的坐标值在远平面和近平面的实际值，分别称为远端实际值和近端实际值； 

根据远端实际值和近端实际值确定待测光源分别在远近两平面的投影值，分别称为远端投影值和近端投影值； 

根据远端投影值和近端投影值以及待测光源与所在面沿光轴方向与基准面的距离确定待测光源的实际坐标。 

本发明还提供一种基于位置敏感传感器的运动参数测量系统，该系统由上述任一所述的标定方法所标定。 

与现有技术相比，本发明的标定方法自动化程度高，标定后可使用系统对不同纵深位置上进行精确的三维测量；此外，此标定数据库的使用方法简洁，为系统计算软件的开发和编制提供核心算法。 

附图说明