（光学工程专业论文）二维psd在石油钻杆曲率检测中的应用.pdf

大连理1 ：火学硕+ 学位论文 摘要 石油钻杆曲率的检测是石油勘探中一项关键的技术，本文提出了一种新的基于二维 位置敏感探测器p s d 的石油钻杆曲率检测系统。本系统是利用p s d 位置传感器，将光 电子技术与单片机技术结合在一起的精密的石油钻杆曲率测量系统，与传统检测方法相 比它有着测量精度高，测量装置体积小，使用简单，功耗低，响应快等特点。具有很高 的经济效益和科学实用价值。 本系统采用光敏面有效面积为1 0 m m l o m m 的p s d 器件$ 5 9 9 1 0 1 ；前置放大器选 择低偏鼍电流特性、低输入噪声，低零漂移的器件；系统中选用的光源是近红外线半导 体激光器，原因是其辐射光谱与p s d 的峰值响应波长有良好的匹配性；系统中的m s p 4 3 0 系列单片机软件设计采用了c 语言，这使软件功能的扩展具有了较大的灵活性，可以引 入实时操作系统，实现多任务操作。 具体的设计方案是在石油钻杆一端放置位置敏感探测器p s d ，另一端放置半导体激 光器，中间放置光学系统。经过光学系统的光照射到p s d 上，如果石油钻杆没有弯曲， 则光斑应该位于p s d 的中心，否则会有一个偏离。石油钻杆弯曲程度不同，引起照射到 p s d 光敏面上的光斑位置的不同。通过对位置敏感探测器p s d 受到光源照射后输出的 模拟交流电流信号进行电流一电压转换，信号放大，信号加减，然后选用单片机m s p 4 3 0 进行数据采集和a d 转换，并对数据进行曲率解算。本论文工作的具体内容包括该系统 的光路设计，器件选型，电路设计、制版、调试以及m s p 4 3 0 的编程；并对照射到p s d 光敏面上的光斑重心位置进行了检测，实验表明p s d 传感器对光斑位置的检测精度较 高，验证了将该系统用于石油钻杆的实时曲率检测的可行性与可靠性。 关键词：曲率；二维p s i ) 器件；单片机；测量系统 维p s d 在彳i 油钻杆曲率检测中的应用 t h ea p p l i c a t i o no ft w od i m e n s i o n a lp s di nc u r v a t u r eo fo i ld r i l lt e s t i n g s y s t e m a b s t r a c t c u r v a t u r eo fo i ld r i l lp i p et e s t i n gi sa l li m p o r t a n tt e c h n o l o g yi no i lp r o s p e c t i n g i nt h i s p a p e r an e wc u r v a t u r et e s t i n gs y s t e mb a s e do np s di sd e v e l o p e di no i ld r i l lp i p ed e t e c t i o n t h i ss y s t e mi sap r e c i s ec u r v a t u r et e s t i n gs y s t e mi no i ld r i l lp i p ed e t e c t i o nw h i c hu s e sp o s i t i o n s e n s o rd e t e c t o rc o m b i n i n gp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g ya n ds e n s o rt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o nm e t h o dt h i ss y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g i lp r e c i s i o n ，s m a l lv o l u m e ，e a s yt o b eu s e d ，l o wp o w e r , f a s tr e s p o n s ee t c ，s oi th a sh i g he c o n o m i ce f f e c ta n ds c i e n t i f i cu t i l i t y t h ep o s i t i o ns e n s o rd e t e c t o ro f $ 5 9 9 1 0 1i ss e l e c t e di nt h i s s y s t e mw h i c hh a st h e e f f e c t i v ea r e ao fp h o t o s e n s i t i v es u r f a c el o m mxl o m m ；as e m i c o n d u c t o rl a s e rw h i c hc e n t e r w a v e l e n g t hi sa b o u to 9 6 mw a su s e da st h el i g h ts o u r c e ，b e c a u s ei t sr e f l e c t i n gs p e c t r u m s a n dp e a kr e s p o n s ew a v e l e n g t ho fp s dm a t c h e sw e l l ；i ns o f t w a r ed e s i g n i n gcl a n g u a g ei su s e d w h i c hm a k et h ef u n c t i o no ft h es o f t w a r ee a s ye x p e n d ，m a k et h er e a l t i m eo p c r a t i n gs y s t e m e a s yd o w n l o a d ，m a k et h em u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e me a s yc a r r yo u t t h ec o n c r e t ed e s i g ns c h e m ei sa sf o l l o w s ：p o s i t i o ns e n s o rd e t e c t o ri ss e to no n es i d eo f o i ld r i l lp i p e ，s e m i c o n d u c t o rl a s e ri ss e to nt h eo t h e rs i d eo fo i ld r i l lp i p e ，a n dt h e nt h er a y w h i c hp a s s e dt h r o u g ho p t i c a ls y s t e mw i l li r r a d i a t et h ep o s i t i o ns e n s o rd e t e c t o r i ft h e r ei sl i t t l e b e n d i n go ft h ep i p e ，t h eb e a mw a i s tw i l lb ei nt h ec e n t e ro fp s d ，o t h e r w i s et h eb e a mw a i s t f r o mt h ec e n t e ro fp s dw i l lb ee x i s t e d a c c o r d i n gt oa m o u n to fc u r v e dr e a c ho ft h ep i p e ，t h e p o s i t i o no fb e a mw a i s tw i l lc h a n g e t h ea c c u r r e n ts i g n a lf r o mp s d w h i c hi si l l u m i n a t e db y t h el i g h ts o u r c ep a s s e st h r o u g hc u r r e n t - v o l t a g ec o n v e r s i o n ，s i g n a l a m p l i f i c a t i o n ，v o l t a g e o p e r a t i o n ，t h e ni sc o l l e c t e d ，a db ym s p 4 3 0t og e tc u r v a t u r ed a t ao fo i ld r i l lp i p e ， k e yw o r d s ：c u r v a t u r e ；t w o - d i m e n s i o n a lp s d ；s c m ；t e s t i n gs y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：鱼董夔日期：也： 人连理r ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保整并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：童重亟： 导师签名：趁屋塾 型年月上日 人连理工大学硕士学位论文 弓 口 近年来，微型计算机和传感器技术飞速发展，在精密测量技术中有所应用。已有的 应用实例包括自动跟踪全站仪、电子数字水准仪，g p s 定位技术，数字测图技术，数字摄 影等，并向着测量方式的多样化发展：多传感器融合技术，多功能化，便携式测量仪器 以及智能化“。本文利用单片机和传感器技术，提出了一种新的基于p s d 器件的石油 钻杆曲率检测系统。该系统测量精度高、响应速度快、成本低、体积小、可以反复使用、 操作简单，具有很高的经济效益和科学实用价值。 p s d 器件自上个世纪7 0 年代研制成功后，1 9 8 5 年前后日本和美国相继运用p s d 研 制了各种仪器与装置，如激光测试微仪等。由于位置敏感探测器p s d 器件具有体积小、 灵敏度高、线形范围大、噪声低、分辨率高、光谱响应范围大、响应速度快、价格便宜 以及应用电路简单等优点。1 ，所以广泛应用于光电位置测量、光学遥控、位移和振动的 检测与监控、激光准直、方向探测、光学边界判别、医用器械、形位误差测量、三维位 置测量系统以及机器人视觉等方面n “”。 我国于8 0 年代末才开始这方面的研究工作，近几年来发展迅速。对p s d 的研究报 告越来越多，如中国计量科学研究院研制了半导体激光自动测厚仪，哈尔滨科技大学袁 峰“1 报告了位置敏感器p s d 应用系统的设计，袁雅珍”1 报告了位置敏感器p s d 特性及其 在三角测量中的应用，林华、王晓秋”1 报告了一种新型的位置敏感器p s d 检测元件等等。 p s d 测量系统的进展主要在两个方面：一是p s d 器件性能的提高：近年来对p s d 器 件的研究有很大进展，p s d 器件的分辨率大大提高，已有分辨率高达0 3 p m 的p s d 的研 究报导，p s d 器件的线性度和稳定度也有很大改善。二是计算机技术及新的信号处理技 术的研究与应用：利用微机或单片机可简化电路设计，使系统设计更灵活，且可实现各 种非理想因素( 如非线性) 的补偿，这样可以提高测量精度。高速信号处理器的应用， 使各种信号处理算法容易实现，信号采集速度提高，可大大提高测量速度嘲“”。 在石油工业中，石油钻杆的准直性对钻井成功率有着极其重要的影响。钻杆在钻井 过程中要长期受到拉，扭，弯曲等交变应力作用而产生弯曲变形，这使钻井成功率大大 降低，从而造成重大的经济损失1 。因此，对钻杆曲率的检测是石油勘探中一项关键的 技术。 鉴于在钻井勘探中对钻头准直性的要求，工程上一般针对管道进行管道曲线的曲率 检测。实际上，反映曲线局部几何性质的参数除曲率、挠率、曲线切向矢量、主法向矢 量和副法向矢量外，也可以利用管道中心线的位移变化来检测管道的准直性。检测管道 曲线几何参数的方法主要有石膏拓模法、管体剖开检查法、超声波无损检查法以及内轨 二维脚在石油钻杆曲率检测中的应用 迹仪器等方法，它们都存在一些缺陷：石膏拓模法及不方便，也不能给出准确结果：抽 样有损检测既费时又不经济；超声波法不能实现连续测量；内轨迹仪不能给出数值的大 小。这些方法有的对环境条件要求过高，有的测量精度较差，有的外围处理电路过于复 杂，存在很多不完善之处“”“。 由于对石油钻杆曲率的测量是在极其恶劣的环境中进行，因此我们选用既不受环境 影响又能满足高测量精度的p s d 传感器。p s d 传感器可以获得与光斑强度、形状、尺 寸无关的准确定位信息，加上它输出线性好、分辨率高、响应速度快、噪声低；器件尺 寸小，易于实现测量装置小型化；外围电路简单，具有很高的性价比。本系统应用的是 日本h a m a m a t s u 公司生产的$ 5 9 9 1 一0 1 型号的改进表面分流型二维p s i ) ，实现了对 石油钻杆曲率的非接触式精密测量。 本文是基于二维p s d 的应用开发系统：石油钻杆曲率实时测试系统的研制。该系统 要求能够嵌入到石油管道底部并且适应管道内壁的几何形状发生弯曲，利用光斑在p s d 光敏面上的不同位置来对石油钻杆曲率进行快速准确的测量。文中对常用的光电探测器 用于位置测量时的优缺点进行了比较分析：介绍了二维p s d 的特性以及原理；论证了基 于二维p s d 器件和单片机的石油钻杆曲率测量技术的可行性、可靠性，并在此基础上实 现了石油钻杆曲率实时测量系统；对系统实现的关键性技术进行了分析讨论并给出了实 验结果，在对实验结果进行分析的同时，探讨了系统的性能和误差，提出了提高基于二 维p s d 器件的石油钻杆曲率测量系统测量精度的措施。 本文第一章介绍位置敏感探测器p s d ，第二章描述系统的方案设计和硬件实现，第 三章是系统的软件部分，第四章是基于p s d 器件的石油钻杆曲率检测系统应着重考虑的 问题，最后是总结与展望。 大连理【大学硕士学位论文 1 位置敏感探测器p s d 1 1 常用的用于位置测量的固体光电器件的介绍 常用的用于位置测量的固体光电器件有光敏二极管阵列c m o s 固体器件、象限探测 器、电荷耦合器件c c d 和位置敏感探测器p s d 器件。 光敏二极管阵列c m o s 固体器件是由许多光敏二极管以线阵或面阵的形式在一块 芯片上集成的光敏二极管阵列，各个光敏二极管将其所在位置的光强转化为电信号，然 后在采样电路驱动下以扫描方式输出，所以可以用来探测光斑图像和位置“。由于 c m o s 固体成像器件是分割型器件，有源象素结构的大小使c m o s 的分辨率受到了一定 的限制：信号输出时需要对整个器件表面进行扫描，从而降低了响应速度；在对光斑位置 成像时要求像斑清晰、形状规则，对被测物体表面、光源、成像系统要求较高，使得后 续处理电路设计复杂，提高了制造成本，价格较高n ”。 象限探测器也称象限光电池，是为满足激光准直、定位、跟踪等要求的特种光电探 测器。通过光刻，把一个圆形光敏面分割成数个( 二、四、六、八) 相互隔离的面积相等、 形状相同、位置对称的区域( 象限) ，并分别镀上前极，引出输出线，而后极则仍为一个 整片。实际上每个区域相当于一个光电二极管，在理想状况下，每个区域的暗电流应相 等；在均匀照明下，产生的光电流也应相等。使用中通过比较各个象限的电流确定光斑 位置，具有可以探测目标位置的连续变化、位置分辨率高、响应速度快等特点“。但是 象限探测器用于位置测量时，还有一些不足之处： ( 1 ) 象限探测器需要进行分割，从而产生死区，尤其当光斑很小时，死区的影响更为 明显。 ( 2 ) 如果被测光斑全部落入某个象限时，输出的电信号再也无法反应光斑的位置；因 此它的测量、控制范围不大。 f 3 1 测量精度与光强变化和漂移密切相关，使分辨率和精度受到限制。 c c d 是一种光电转换器件，用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式存储和传送 信息；c c d 有面阵和线阵之分，光敏像元排列为一行的称为线阵c c d ，面阵c c d 器件 像元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。c c d 器件的光敏区是由大量紧密排列 的独立光敏像元组成的，每个像元相当于个m o s 电容器，当一定波长的入射光照射 到光敏面上时，各个像元通过光电效应采集信号电荷，信号电荷与光照时间和光照强度 成正比，每行像素的信号电荷随着时钟信号被送到模拟移位寄存器上，然后再串行转换 为电压信号被顺序读出。c c d 器件作为位置探测器使用时，相当于对光斑“摄像”， 二维只如在石油钻杆曲率检测中的应用 根据成像输出信号的脉冲数和光敏像元的尺寸等解算出光斑的位置。这种位置检测原理 和工作方式可以同时对多个光斑进行检测，当背景光较弱时可以通过设定阈值的方法消 除背景光的干扰，检测的位置精度较高“”1 。但是电荷耦合器件c c d 用于位置测量时， 也有一些不足之处： ( 1 ) 采用了扫描方式输出，不仅需要多重电源偏置和专门的处理器，而且降低了响 应速度。 ( 2 ) 由于c c d 是分割型器件，像素的大小限制了c c d 的分辨率，c c d 的象素一 般为4 7 t z m 。 f 3 ) 当c c d 用于位置测量时相当于对光斑“摄像”，要求成像清晰且形状规则，因 而对光源、成像系统和被测物体表面较高。 f 4 ) c c d 生产过程复杂、成品率低，价格比较昂贵。 位置敏感探测器p s d 是一种新型的光电器件。它利用半导体横向光电效应“，能检 测入射光点的照射位置。与其它位置探测器完全不同的是，p s d 是一种连续型的模拟器 件，避免了阵列式器件分辨率受像元尺寸限制的缺点。当p s d 的光敏面被非均匀光照射 时，由于横向光电效应，在平行于结平面的方向形成电势差，光电流在扩散层被分流， 通过电极收集的电流与入射光斑的重心相关，因此根据输出的电流能连续、直接的检测 出入射光斑重心的位置。与其它光电器件相比，p s d 器件有许多独特的优点： ( 1 1 没有工作死区，可以给出光点在整个光敏面上移动的连续性位置数据； ( 分辨率高，响应速度快，线性较好： ( 3 1 不需要扫描，从而简化了外围电路，具有较高的性价比； 检测时不受入射光束的形状以及光强波动的影响。 1 2 半导体的光吸收 当光照射半导体时，由于光具有粒子性，光子与半导体中的电子、杂质、晶格缺陷 等相互作用会产生光吸收，其中与半导体光电导相关的主要是本征吸收、杂质吸收和自 由载流子吸收“”。半导体吸收光辐射能量后激发束缚的电子或空穴进入高能态，从而 形成自由电子或自由空穴，即形成光电流。 本征吸收也叫带间吸收，是电子从价带跃迁到导带所引起的吸收，电子从价带跃迁 到导带成为自由电子，价带中留下一个空穴，形成电子一空穴对，只有能量大于或等于 半导体禁带宽度的光子才能引起本征吸收，因此半导体本征吸收波长最大为： 厶= h c e 。= 1 2 4 e p ( 胛) 大连理j ：大学硕士学位论文 其中s ；的禁带宽度e g = 1 1 2 e v ，因此九t 1 1 k e n 。 杂质吸收是电子从杂质能级跃迁到导带，或是价带电子跃迁到杂质能级引起的光吸 收，引起杂质吸收的光子的最小能量等于杂质的电离能e ，因此杂质吸收波长最大为： 九= h c e 1 ( 1 2 ) 自由载流子吸收是自由载流子在同一能带内的跃迁引起的，一般为红外吸收，吸收 强度随波长的增加而增加。 1 3p s d 的结构及工作原理 p s d 的工作原理基于半导体的横向光电效应。所谓横向光电效应，就是当有光点照 射到p n 结时，不仅沿着结的纵向产生光生电动势，而且在结的横向也产生光生电动势， 并由光生电动势产生的光电流在表面向电极分布的现象。2 “2 ”。图1 1 显示了其结构原理 图。p s d 由三层构成，最上一层是p 层，下层是层，中间插入较厚的高阻，层，形成 p 一，一结构，此结构的特点是，层耗尽区宽，结电容小，光生载流子几乎全部都在， 层耗尽区中产生，没有扩散分量的光电流，因此响应速度比普通p 结光电二极管要快 的多。当p s d 表面受到光照射时，在光斑位置处产生比例于光能量的电子一空穴对流过 p 层电阻，分别从p 层的两个电极上输出光电流，和，：，由于p 层电阻是均匀的，电极 输出的光电流反比于入射光位置到各自电极的距离，光电流，和，：可以用下面两种方式 表示1 ： ( 1 ) 当坐标原点选在p s d 中心时： ，= i o ( l x ) 2 l ，z = i o 仁+ x _ ) e l ( 2 ) 当坐标原点选在p s d 一端时 ，l = 1 0 ( 2 l x 日) z l i2 = i o x8 2 l ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 二维p s d 在石油钻杆曲率检测中的应崩 p 层 i 层 n 层 图1 1 脚结构原理图 f i g 1 1i l l u s t r a t i v ed i a g r a ma b o u tt h es t r u c t u r eo f p s d 由上式可知j ，、l z 是光能量( j 。) 与位置的函数，实际应用中，由于光源光功率的 波动及光源与p s d 间距离的变化，。并不是一个恒定值，为了消除，。的影响，通常把 输出电流的差与和相除作为位置检测信号，即： 当坐标原点选在p s d 中心时： x _ = l ( 1 2 - 1 1 ) ( ，2 + 1 1 ) 当坐标原点选在p s d 一端时： x 口；2 l 1 2 ( t 2 + 1 1 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 只要检测出，和，的大小，即可算出光点所在的位置。 1 4 常用p s d 器件的类型 p s d 器件从结构上可分为一维的和二维的，维的p s d 器件在光敏面两端有两个 电极，二维的p s d 器件则有四个电极。 1 4 1 一维p s d 器件 图1 2 为一维p s d 器件的结构示意图。当入射光斑照射在光敏面q 位置处时，由于 入射光子产生的光生载流子被电场分开，在外电路形成光电流，图1 3 是其等效电路图 “”，其中，4 ，8 为p 侧电极，c 为侧电极，d ；为理想二极管，c ，为结电容，r ，为外 围电路所接电阻( 设计外围电路时，通常使吃= o ) ，。为入射光照射在q 点时形成的 光电流。设电极a ，b 间的电阻和距离分别为凡和l ，q 点离a b 中点距离为x ，由图 1 3 可得： 查堡里：三奎堂堡主兰篁堡苎 实际检测中，对，、1 2 进行如下归一化处理： 生量； 三生 ：h ，2 + ，1 ( r s + 2 r l ) 工 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) ( 1 1 2 ) 这样便消除了光强波动的影响，若设计的外围电路输出为雨1 2 - - i ，则该量便仅与位 置有关。 图1 2 一维p s d 结构示意图 f i g 1 2s t r u c t u r eo fo n e d i m e n s i o np s d p j n m 一一一 一一一 二维只s d 在i i 油钻杆曲率检测中的应用 = 图1 3 一维p s d 等效电路图 f i g 1 3e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f o n e - d i m e n s i o np s d 1 4 2 二维p s d 器件 二维p s d 器件的工作原理与一维基本相同，但为面结构，具有相互垂直的两对电 极，二维p s d 器件主要有一下几种。“： ( 1 ) 四边形p s d 器件( t e t r a l a t e r a lp s d ) 四边形p s d 感受x ，y 两个方向上光点位置的感光层在同一面内，等效电路如图 1 4 所示。在设计外围电路时，使外接电阻均为r ，于是有： 月= 墨些墨丝墨丝墨些 其中 a 一r r 3 + r 月“+ 墨足皿z + 恐r m r “ r 2 l = r 2 + r ，r 3 上= r 3 + r 【，r 4 l = r 4 + r l 。 可得： 卜等= 等粤k 扣等r = 等牛，。 2 。 ( 1 1 3 ) ， r u = r l + r l ， ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 火连理工大学硕士学位论文 综合得归一化公式： 盟= 堡! 生2 二坚2 生! i! 生x 2 + i ，( r 1 + 也) + 僻：+ 也) 似5 + 2 吃江 盟。鱼! 生2 二堡! 生2 ；堡】， ，4 + 3俾3 + 吃) + 僻4 + 吃)氓s + 2 r 弘 i 。 图1 4 四边形p s d 等效电路图 f i g 1 4e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo ft e t r a l a t e r a lp s d ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 2 ) 二面型p s d 器件( d u o l a t e r a lp s d ) 二面型p s d 在x ，y 两个方向上的感光层是独立的，分别感受x ，y 方向光点位置 的变化，其等效电路如图1 5 所示。 仿照式1 1 2 可得其归一化公式： 半 半 坚氏 一 二维肿在石油钻杆曲率检测中的鹿_ i = j 垒二兰! ：生尘。 丝 x 工2 + 工l1 4 + ，3( r s + 2 r l 皿 ! 王量：生生；鲨! y y 2 + k，2 + ，1( 月s + 2 r 弘 图1 5 二面型p s i ) 等效电路图 f i g 1 5e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fd u o l a t e r a lp s d ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) 四边形p s d 具有很小的暗电流和较高的反向击穿电压，但其位置线性度比较差， 而二面型p s d 具有很好的位置线性度，但其暗电流比较大。四边型p s d 具有一个公共 的电极可以用来加上足够大的反偏电压，而二面型p s d 没有一个公共的电极，其反偏 电压是通过信号电极加上去的，因而必须把信号电流从反偏电压中分离出来，这样就增 加了信号处理电路的复杂性。因此发展一种具各以上两种p s d 优点的新的二维p s d 是 人们所希望的。 ( 3 1 枕型p s d 器件( p i n c u s h i o np s d ) 枕型p s d 对感光表面进行了改进，具有暗电流小、响应时间短、易于偏置应用、 环境噪音低等特点，其等效电路如图1 5 所示。 设光点q 在y 方向上恒定，则流经e ，j ，的电流之和相当于一维p s d 中的i ：相 应地，流经x ，中的电流之和相当于，故得x 方向上的归一化公式： 大连理l 大学硕士学位论文 ! 垄! 蔓2 = 竖! 兰1 2 ：! 墨! x ( x ：+ k ) + 隅+ x 1 ) r s + 2 吼弘 同理，若光点在x 方向上的位置恒定，则可得y 方向上的归一化公式 ! 兰! 兰2 = 坚! 蔓2 ：竺5 y ( x ：+ e ) + ( x 1 + 一) ( 凡+ 2 r 。弘 p s d 的归一化公式是设计外围电路检测光点位置的依据。 图1 6 扰型p s d 等效电路图 f 追1 6e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fp i n - c u s h i o np s d ( 1 2 2 ) ( i 2 3 ) 1 5p s d 的特性参数 p s d 的主要性能参数有受光面积、光谱响应范围、峰值响应灵敏度、位置测量误差、 位置分辨率、暗电流和极间电阻信号光源与敏感波长范围、电极间电阻、光感度、量子 效率、最大反向电压、上升时间、饱和光电流、暗电流、响应速度、位置检测误差、位 置分辨率、电极间电阻以及反向偏置电压和饱和电流之间的关系1 ： ( 1 ) 受光面积 二维憨d 在石油钻杆曲率检测中的应用 p s d 是检测受光面上点状光束的重心( 强度中心) 位置的光检测元件，因此，通常 在p s d 前面设置聚光透镜，在受光面上得到光点，选择最适宜的受光面积的p s d ，确 保这个光点进入受光面。例如，测量位于p s d 前面左右一定范围移动物体的位置，如 图1 7 所示： 图1 7 左右方向移动物体的位置测量 f i g 1 7p o s i t i o nt e s t i n g 这时在此物体上安装发光二极管l e d ，移动l e d 通过聚光透镜在p s d 上成像，测 量该移动像点的位置即可。根据简单的几何光学计算光点移动范围为： 1 0 0 0 m mx 旦；1 0 m m 2 0 0 0 因此，选择受光面为1 1 2 r a m 的一维p s d 。 ( 2 ) 光谱响应范围 在单位光功率的单色光照射下，p s d 的输出电流随波长变化而变化的关系称为光谱 响应范围”1 ，下图是系统中选用的p s d 的光谱响应范围特性曲线： 大连理工大学硕士学位论文 主 妻 塞 磊 蚕 。 呈 l | ， 。 f w a v i i l e n o t hf 删 图1 8p s d 器件的光谱响应图 f i g 1 8s p e c t r a lr e s p o n s eo fp s d 由图1 8 可知，当被测量对象、光源及p s d 在外部有遮挡的情况下，由于周围的光 不能进入p s d ，在其敏感波长范围内采用任何光源都不会出现问题。然而，在外部没有 遮挡的场合，通常白炽光、荧光、水银光、太阳光等入射到p s d 上，来自信号的光就 被淹没了。这时，要采用可见光截止型的窗口材料的p s d ，信号光源使用红外l e d 及 白炽灯。 ( 3 ) 电极间电阻 极间电阻是指在黑暗条件下，相匹配的电极间的电阻值，它是一个很重要的参数 尤其会影响p s d 器件中的响应速度、位置分辨能力和饱和光电流等参数的值。说明书 中的数据表所列的一维p s d 的极间电阻值是在两极间加载o ，1 v 电压，并且公共端悬空 的情况下测得的，二维p s d 的极间电阻值是在其他所有电极悬空时，对相匹配的电极 加载上o 1 v 电压时的测值。 ( 4 ) 光感度 灵敏度的度量单位是入射到装置上的一定量的光与其产生的光电流之比。通常，它 既可以表述为绝对灵敏度( w ；也可以表述为相对灵敏度，相对灵敏度是指测量的 光电流值与相对最大波长的值之比，通常用百分数表示。说明书中已提供p s d 的数据 表格中的光感度被表述为绝对灵敏度，同时光谱响应范围被约定在不超过相对灵敏度最 大值时的光谱5 以内。 ( 5 ) 量子效率 所谓量子效率是指组成光电流的电子或空穴数与入射的总光子数之比，通常用百分 数表示，在一定的光波长情况下，量子效率与光感度之间存在如下关系： q e ；s x l 2 4 0 1 0 0 二维只如在石油钻杆曲率检测中的应_ | = i a ：光波长( r i m )s ：一定波长下的光感度： ( a w ) ( 6 ) 最大反向电压 无限制的增加p s d 的反向电压会使其在一定程度上损坏，也可能使其性能产生退 化，为了避免这样的结果，指定一个绝对的最大值( 这个值在任何时候都不能被超过) 称为最大反向电压，这个最大反向电压值稍微小于器件的击穿电压。 ( 7 ) 上升时间 这里的上升时间定义为当一个阶跃响应光源照射到p s d 时，p s d 输出的信号脉冲 由其稳定输出值的1 0 上升到9 0 所需要的时间。 ( 8 ) 饱和光电流 饱和光电流是指p s d 作为位置传感器正常工作时所能获得的最大光电流值，这个 值的大小与反相电压和极间电阻的大小有关。它要求在p s d 整个工作区域有光入射时， 当光的波长一定的时候，光强增加所能获得的最大光电流值。 ( 9 ) 暗电流 当p s d 被加载上一个反向电压时，即使在没有光入射时，p s d 也会产生一个极小 的电流，这就是暗电流。它来源于整个系统中的噪声。 ( 1 0 ) 响应速度 光点在p s d 受光面上高速移动时，或者为消除周围的光成分而将信号光源采用脉 冲光源时，p s d 的响应时间，即上升时间t ，和下降时间t ，就会成为一个重要的参数。p s d 的电极问基本上相当于电阻工作，在需要高速响应工作时，应选用电极问电阻小的p s d ， 加上较大的反偏置电压和在结电电容较小的状态下使用。即响应时间在1us 左右。 ( 1 1 ) 位置检测误差 位疑检测误差是指实际移动量与计算移动量间的差值，实际移动量是电学中心位置 的光点的移动量，计算移动量是指用该位置得到的电流进行计算的移动量，也就是实际 的光点位置与检测的光点位置的差值，最大约为全受光长的2 3 。p s d 位置的检测 精度也就相当于此程度，a x = x x 。如果是二维p s d ，分为x 方向误差艏，y 方向误 差y 和总位置误差a r ，a r ；麟2 + a y 2 。若要求更高的检测精度时，则需使用查表 补偿或调整增益等。 ( 1 2 ) 位置分辨率 位置分辨率是指在p s d 受光面上能检测的最小变位，用受光面上的距离表示。位 置计算为： 人连理工大学硕士学位论文 ，2 一，1 奴 ，1 + ，2 工 由微小变位a x 引起的位置计算的变化量为： ( 糌) = 剖= 三缸 所以有： 缸；生垒也二! 12 2 1 0 ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) ( 1 2 6 ) 若电流差为无限小，则电流，和如中含有的噪声电流分量决定了位置分辨率。电路 中含有的噪声电流分量主要有三种，即电流中含有的散粒噪声电流、电极间电阻产生的 热噪声电流和运放的输入换算噪声电压除以电极问电阻的电流等。 ( 1 3 ) 电极间电阻以及反向偏置电压和饱和电流之间的关系 p s d 多在周围有光的情况下使用，重要的是周围的光强到什么样的程度p s d 具有 位置检测功能，作为其饱和电流值的大致标准。电极间电阻极低，反向偏置越大，饱和 电流越大，在周围为强光的情况下，p s d 照样能工作。 表1 1 给出了一些常用p s d 的主要特性参数，在使用时作为参考。”： 表1 1 常用p s d 的主要特性参数 t a b 1 1e l e c t r i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp s d 一维p s d 二维p s d 特性参数s 3 9 3 2s 2 0 4 4 -s 5 9 9 1s 1 8 8 0s 1 2 0 0 1 + 1 2 r a m4 7 4 7 m m9 + 9 m m1 2 1 2 m m1 3 + 1 3 r a m 感光范围 3 2 0 1 1 0 0 3 2 0 1 0 6 03 2 0 - 1 1 0 03 2 0 1 0 6 03 2 0 1 0 6 0 ( n m ) 最大感光波 9 2 09 2 09 6 09 2 09 2 0 长( n i t i ) 二维p s d 在石油钻杆曲率检测中的应用 f 感光强度 0 5 50 60 60 6o 6 l ( a d w ) 极问阻抗 5 01 0 71 0 1 0 ( k q ) 位置检测误 6 0 4 0 1 5 08 d1 5 0 差( x m ) 饱和电l 梳值 1 0 05 0 05 0 05 0 05 0 0 ( “a ) 响应速度 3 oo 321 51 s ( xs ) 位置分辨率 o 306 1 51 51 4 ( “1 n ) 由该表可知： ( 1 ) p s d 的光谱范围很宽，在红； b 9 0 0 n m 附近具有最大光谱响应。所以很多p s d 的应 用使用红外发光二极管、红外半导体激光器或氮氖激光器作为光源。 ( 2 ) p s d 的响应速度很快，这种快速响应是p s d 很突出的优点。 ( 3 ) p s d 具有很高的位置分辨率。 火迮理i f 大学硕士学位论文 2 系统的方案设计和硬件实现 2 1 石油钻杆曲率检测系统原理 在石油钻杆曲率实时检测系统中，我们通过确定光源在光电位置探测器p s d 上的 位置来检测石油钻杆的曲率。其检测系统框图如图2 1 所示。将光电位置传感器p s d 和 近红外半导体激光器分别固定在石油钻杆的两端，中间放置光学系统。光学系统的作用 是将半导体激光器发出的光束在p s d 器件上形成一个极小的光斑，当石油钻杆没有弯 曲时，光斑重心的位置在p s d 器件的中心，否则会有个偏离，石油钻杆的弯曲程度 不同，照射到p s d 器件光敏面上的光斑重心的位置会发生相应的变化。我们利用外围 处理电路对反映p s d 器件上光斑位置的信号进行放大、运算，再利用m s p 4 3 0 单片机 对信号进行采集与a d 转换，从而得出照射到光电位置探测器p s d 上的光斑位置，这 样便可解算出石油钻杆的曲率。 图2 1 检测系统原理图 f i g 2 1i l l u s t r a t i v ed i a g r a ma b o u tt h et e s t i n gs y s t e m 以光电位置探测器p s d 的中心为坐标原点，设光斑重心的坐标为x 、y ，光斑重 心到坐标原点的距离为r ( x ，y ) ， r ! = x ! + y 2 。 光学系统如图2 2 ，图2 3 所示。透镜1 的作用是使近红外半导体激光器发出的发散 光束汇聚；透镜2 的作用是使光束在透镜3 的焦点处成像；透镜3 的作用是使光束变成 平行光照射到光电位置探测器p s d 上。实际上透镜2 与透镜3 组成了一个限束系统。 二维脚在石油钻杆曲率检测中的应用 图2 2 光学系统( 石油钻杆没有弯曲) f i g 2 2o p t i c a ls y s t e m 图2 3 光学系统( 石油钻杆弯曲) f i g 2 3o p t i c a ls y s t e m 2 2 p s d 信号处理电路设计 p s i ) 2 2 1 本系统选用的p s d 器件及其性能参数 对p s d 原理及应用的研究，国外起步较早，尤其是日本推出了一系列各种型号的 p s d 产品，而国内研究起步相对较晚，在九十年代才见报道，随后国内在p s d 原理方 面进行了一定的研究，而相应的产品较少。日本滨松株式会社生产了一系列的p s d 产 品，如二面型p s d ( d u o l a t e r a lp s d ) $ 1 3 0 0 ，四边形p s d ( t e t r a l a t e r a lt s d ) s 1 7 4 3 ， s 1 2 0 0 ，s 1 8 6 9 ，枕型p s d ( p i n - c u s h i o np s d ) $ 2 0 4 4 ，s 1 8 8 0 ，$ 5 9 9 1 等。综合考虑了检 测精度、器件价格、供货时间等方面因素后决定在系统中使用日本滨松株式会社生产的 1 0x1 0 ( m m ) 枕型p s d 器件$ 5 9 9 1 0 1 ，其性能参数如表2 1 所示”。器件尺寸如图2 4 所示。 大连理工大学硕七学位论文 表2 1 $ 5 9 9 1 - 0 1 型p s d 器件的性能参数 t a b 2 1e l e c t r i c a la n do p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f $ 5 9 9 1 - 0 1 - - i + 2 1 f l l l oo o o 唧n 1 1 t 川 l i i i i 3 2 0 t o s p e c t r a lr e s p o n s er a n 9 e 九 n m 1 1 0 0 p e a k 酾$ 聊i 脚w a v e + o + h 、囊j 蕊鬟霎秘。 i 爱。= 。- 蠢：j 窘孵鬻 ； 。n m p h d os e n s i t i v i t y s 拓沁 o 6w j n 搪穗赣女镕潮8 悖s j s 坶n 醣1 i i ii 灞蘸黧糍镌熏錾曩誊誊i薯萋露，；鹱磐娥j 。k 蛙- x = 9 0 0t i m p o s i t b nd e t e c f i o ne f f o rev m = 5v ，s p o tl i g h t1 5 02 5 0h m s i z e ：。2 m m 嘲n ，口i 蝴u r 悖玳 i 鬻 鬓瀚t 峨鬻雠；滗誊 ；戆 鬻量、 疆誓!；。i黼瀵蘸纛i 澈；!纛薯、蠢。：鬈j j 黪 d a r kc l g i _ e r li dm r = 5 v 15 0n a r i s e 姆獭j ji 蒸囊戮鬻；尊鳓鬻i鬻豢| 。1 2 i i 、h s o 豁粕稿汹。j ：熏嚣； ：_ 一， t e r m i n a lc a p a c i t a n c ec tv r = 5v ，f = - 1 0k h z5 0 01 0 0 0d f p o $ j l b h 瞪霸嘲o n 誓 、鬻黼鬻菊黼、峨韵黼