汽车四轮定位光点位置传感器（PSD）设计

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 前言随着汽车技术的发展, 汽车的行驶速度越来越高, 汽车的操作稳定性对汽车行驶安全性的影响越来越大。现代汽车不仅前轮具有前束、车轮外倾、主销内倾和主销后倾等定位参数,许多轿车和车速较高的某些客车后轮也设定了前束、外倾以及推进角等参数。这些设定参数会随着汽车的使用而逐渐发生变化,从而引起转向沉重、前轮行驶摆动、方向盘抖动、行驶跑偏、轮胎磨损加剧、车辆转向后自动回正能力变差、保持直线行驶能力变差等,导致驾驶员驾驶疲劳,车辆操作稳定性变坏,车辆的行驶安全性降低, 此外也将造成车辆动力性下降、油耗增加。因此需要定期用四轮定位系统对车辆定位参数进行检测和调整,以恢复车辆的行驶稳定性及行驶安全性等性能。为了测量汽车的各种定位参数, 汽车四轮定位仪需配备相应的各种传感器。对于目前常用的8 束汽车四轮定位仪, 通常需用1418 个不同形式的传感器。其中与水平面垂直平面内各角度的测量, 如车轮外倾角、主销内倾角及主销后倾角等均是通过各种倾角传感器实现的, 而水平面内的各定位参数, 如前束、轴偏等的测量则需通过其它的检测方式实现。目前在四轮定位仪中所采用的检测方法主要有三种, 即采用角度传感器、CCD 传感器和PSD 传感器。第一种方法通常采用电位计式传感器, 且通过弹性线将传感器相互连接, 以确定它们之间的相互位置,从而测出水平面内前束等角度。这种四轮定位仪的缺点是操作不方便,风力吹拂或由于机械原因造成的卡滞将造成测量误差,目前正逐步被淘汰。CCD(电荷耦合器件) 是20 世纪70 年代发展起来的新型半导体器件。CCD 图像传感器具有集成度高、功耗小、寿命长、性能稳定等优点,目前在四轮定位仪中得到广泛应用。但这种器件工作时要求有时钟脉冲发生器向其提供各种逻辑定时信号,且要求这些信号之间有一定的时序关系, 以保证电荷转移、信号检测和信号输出,因此线路较复杂,成本也较高。PSD(光点位置传感器) 也是一种光电转换半导体器件, 与CCD 图像传感器相比,成本低,其成本只有CCD 传感器的约1/6 ,且具有电路简单、分辨率高、响应速度快、测量精度高等优点,因此具有更高的实际应用价值。1 汽车四轮定位参数及检测方法1.1 四轮定位参数设计车轮定位参数的目的是保证汽车的操纵稳定性、制动时的方向稳定性及最小的轮胎磨损，并在各种路况下保证这些要求的实现。但在使用过程中，由于悬架及转向系中元件的磨损、变形、损坏会使定位参数发生变化而失准，从而导致严重事故和轮胎磨损。而在更换球销、摆臂、横拉杆等零件后对车轮定位参数进行调整则是必须的。进行车轮定位就是对悬架及转向系各部件进行调整，以达到原设计功能。且只有光学式四轮定位才是快捷、准确的定位方法。1.1.1 车轮定位参考的理想参数车轮中心线:指轮胎上对车轮轴垂直的中心线，如图1-1。车辆几何中心线:指车身从前到后的中心线，平行于行驶轨道并通过前后轴的轮距中点，如图1-1。 推力线:指后轮总前束的角平分线，如图1-1。图1-1 几个重要的理想参数1.1.2 车轮定位的型式1）几何中心线定位车轮的前束角是指前轮、后轮中心线与一条参考直线的夹角，几何中心线或推力线均可作为参考直线。当几何中心线作为参考直线时，每只车轮的前束便依次调整到规定值。这种定位方式已经沿用了许多年。当后轮位置准确且推力线与几何中心线重合时，定位效果比较好。当后轮位置不准确或推力线与几何中心线不重合时，就会发生转向问题。2）推力线定位 如果采用推力线定位，则由后轮确定的推力线用于前轮前束调节的参考直线。当推力线作为参考直线而不与几何中心线重合时，前、后轮都不与几何中心线平行。在这种情况下，车辆直线行驶时4只车轮都偏离正前方，这就会导致轮胎表面羽毛状磨损。3）完全四轮定位如果采用完全四轮定位，推力线的位置相对于几何中心线测量，这样调节后的推力线应与几何中心线重合。可以通过测量推力角来做到这一点，前轮前束的调节用重合的推力线和几何中心线作为参考。当四轮定位完成时，4只车轮都应与几何中心线平行，而且在直线行驶时，转向盘处于中心位置。现代的计算机车轮定位系统能使四轮定位正确。1.1.3 四轮定位的检测参数 图1-2 推力角1） 驱动偏向角(推力角) 车辆几何中心线与推力线形成的夹角即为驱动偏向角(推力角)，如图1-2。推力线位于几何中心线左侧时角度为正，驱动偏向角使行驶轨迹歪斜。产生驱动偏向角的原因:一是后轮单独前束不等()。总前束虽然不变，但推力线歪斜。 二是轮轴偏移。两个前轮(或后轮)与地接触点的连线与垂直于推力线的直线间存在夹角时，会产生驱动偏向角。 三是轴距偏差。两前轮之间的连线与两后轮间连线不平行，用其夹角表示偏差量。轴距变化，可以引起推力线歪斜，从而产生驱动偏向角。 四是横向偏位。轮距向一侧变长或变短，测量时可测量左(右)前轮和后轮与地接触点连线与推力线的夹角。若测量左前轮和左后轮与地面接触点之间的连线的夹角，则得到的是轨迹宽度偏差。若横向偏位和轨迹宽度偏差不为零，则均可能造成去驱动偏向角的存在。 五是轮轴偏位。实际的前后轴中心线与理论车辆几何中心线的夹角，两前轮或两后轮同时横移其它参数如前、后轮总前束不改变，也存在驱动偏向角。根据四轮定位的定义，只有使几何中心线和推力线重合，则在此基础上进行车轮定位后，才可以达到正常稳定行驶。所以测量到驱动偏向角不为零时(或不在公差范围内)应针对以上几点来排除偏差引起的夹角。在四轮定位步骤中，首先测量在正前行驶位置(推力角为零的位置)时后轮的前束吞外倾角值，目的在于保证2个基准重合，不至出现由于驱动偏向角的存在而使汽车行驶轨迹歪斜的情况。2） 前束图1-3 车轮前束车轮前束是指从上往下看两个车轮指向的方向(如图1-3所示)。在前端指向内的一对前轮(或后轮)是车轮前束，指向外的则称为车轮后束。车轮的前束或后束可用英寸、毫米或角度来表示。（1）后轮单独前束 驱动偏向角为零(或在误差之内)时推力线与车辆几何中心线重合，后轮单独前束是指车轮中心线与车辆几何中心线的夹角。两单独前束值应相等。（2）前轮单独前束 后轮前束测好后且推力线正确，以推力线做基准测前轮前束，两前束值也应相等。若调整正确，此时车辆几何中心线与推力线重合，正前行驶位置准确。（3）前轮前束转向车轮在装配时，两前轮中心平面相互向内偏转一个角。使车轮间后端的距离大于前端的距离，一般地说，转向轮后端距离与前端距离之差值即为前束（通用的定义）。当后端的距离比前端大时为正（前束），当后端的距离比前端小时为负（后束）。 （4）总前束(单独前束之和) 3) 车轮外倾角图1-4 车轮外倾角 车轮外倾角是指车轮中心平面与汽车垂直平面的夹角，如图1-4所示。当车轮顶部向汽车外部倾斜时角度为正，反之为负。车轮外倾角主要作用是使车轮与地面的动态承载中心得到合理的分配，从而达到提高机械零件的使用寿命，减少轮胎的磨损等效果。若车轮外倾角不正确，轮胎会出现异常的磨损，汽车在行驶时也会发生偏驶的现象。车辆急转弯时，由于车轮上跳和回弹使内侧轮外倾减小，外侧车轮外倾变大使内侧轮内边缘和外侧轮外边缘与地面接触阻力增加而能防止侧滑。车轮外倾角过大，车载集中在轮胎外缘，使轮胎外缘直径小于内缘，车轮转过同样的距离时外缘比内缘转的快而连滚带滑，增加了外缘磨损，外倾角小则内缘磨损。车轮外倾使车轮向外滚，即倾斜的车轮趋向于向倾斜的方向转向，若车轮外倾角不等，车向外倾大的一侧转向，从而产生转向拉力。4） 主销内倾角 主销内倾角是指悬架上球头或支柱顶端与下球头的连线与铅垂线，且从汽车的正面观察的夹角。上球头向内为正，反之为负。合理的主销内倾角可使汽车转向行驶时转向轻便，减少路面通过转向轮传导到转向盘的冲击力，同时也具有一定的自动回正作用。主销内倾是指主销装在前轴略向内倾斜的角度，它的作用是使前轮自动回正。角度越大前轮自动回正的作用就越强烈，但转向时也越费力，轮胎磨损增大；反之，角度越小前轮自动回正的作用就越弱，因此这个主销内倾角都有一个范围，约58之间。5） 主销后倾角图1-5 主销后倾角 主销后倾角是指悬架上球头或支柱顶端与下球头的连线(称为主销，汽车在转向时车轮绕其旋转)与铅垂线，且从汽车的侧面观察的夹角(如图1-5)。上球头在铅垂线的后方为正，反之为负。主销后倾角的主要作用是当汽车行驶时转向轮形成可自动的回正力矩，使汽车保持直线行驶。因此主销后倾角会影响汽车转向稳定性和方向盘的自动同下作用。但过大的后倾角使转向费力并易产生路面冲击和前轮摆振，而过小的后倾角会使转向发飘。左右后倾角不等，汽车会向后倾角小的一侧跑偏，产生转向拉力。车身高度变化会使后倾角变化，后备箱重载时主销后倾角变大，因此前轮易摆振。6） 转向负前束(转向前展)转向负前束是指转向时内侧车轮相对外侧车轮的角度差。转向系的结构使车轮角度随转向角度变化而变化，该角度的变化由转向梯形保证，如负前束不正确，将加剧轮胎磨损，并出现转向噪声及转向跑偏。1.2 前轮定位与四轮定位1.2.1 前轮定位为什么有些汽车喜欢走偏？为什么有些汽车转弯很费力？为什么有些汽车的轮胎磨损得快？这些问题大多涉及到一个轮胎安装角度问题一个非常重要的转向轮位置角度，叫做“前轮定位”。它的作用是保障汽车直线行驶的稳定性，转向轻便和减少轮胎的磨损。前轮是转向轮，它的安装位置由主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束等4个项目决定，反映了转向轮、主销和前轴等三者在车架上的位置关系。1.2.1 四轮定位前轮定位、四轮定位都要。主要是因为后轮设计各家车厂的不同，因此有的品牌、有的车款的后轮需要定位，有的则不需要。需要做后轮定位的，大概也只有外倾角一个项目而已。先解释为何需要前轮定位。这类似于人的行走方式，当您以为自己的双脚是很平整地着地的时候，其实不然，身体的重量绝大部分都落在脚跟的外侧后方，因此造成那个部位的 鞋跟磨损特别快速。同样地，如果眼睛看起来轮胎是垂直于地面的话，由于车辆本身重量的压力、加上行走于地面所产生的摩擦力交互作用的结果，轮胎胎面的磨损是不可能均匀的，因此，必须根据车辆悬吊系统的设计，计算出一个最好的悬吊几何(Suspension Geometry)，让前轮有一个外倾角(Camber)，有了这样一个外倾角之后，虽然轮胎看起来好像不是垂直于地面，但车辆真正行走的时候，轮胎才有办法真正让胎面整个儿接触地面，胎面的磨耗也才会均匀。走到车头正前方，蹲下来仔细端详左右两只前轮，您会发现两只前轮好像有一点向内收拢、一副像是人的脚“内八字”的样子，没错！别怀疑，这就是所谓的“前束”(ToeIn)，前轮需要前束的道理，乃是因为车辆行走的时候，来自于地面的摩擦力会逼使两只前轮愈来愈向外张开，如果没有前束，那到后来，两只前轮甚至都无法同方向前进了！1.2.2 四轮定位的内容和目的四轮定位前轴的定位角度包括后倾角、外倾角、前束角、大王肖内倾角、转向前展差、轮轴偏移、最大总转角,后轴的定位角度包括外倾角、前束角、推进线(角)。另外,还有垂直且平分前后轴的纵向几何中心线、侧向偏角、轴偏位、轮迹宽差值。了解四轮定位的内容后,可以给其描述一个特性概念:“使汽车后轮推进线与几何中心线相重合且平分并垂直于前后轮轴,把四个车轮分别安装在前后轴相应位置的关系特点称四轮定位”。部分四轮定位角度的计算式如下: =+ （1-1）=+ （1-2）A=(-)/2 （1-3）式中:为总前束;为左轮前束；为右轮前束；为包容角；为内倾角；为外倾角；为后轮推进角；为轴偏位。四轮定位的目的是为了使汽车稳定、轻便、维持直线行驶,保证汽车操纵稳定性和轮胎的正常磨损。1.2.3 做四轮定位的前提和益处为了测得精确的四轮定位角度,避免维修失误,在做四轮定位前必须检查汽车底盘,尤其应检查悬架是否有明显碰撞和零部件损坏,还应检查轮胎气压、轮胎尺寸、胎纹深度、四轮轴承间隙等。四轮定位是汽车行驶稳定、安全的重要条件。四轮定位的维修会增加汽车行驶安全性、操纵稳定性,减少轮胎磨损,保持行驶时转向归正自如,维持汽车居中直线行驶,减少悬挂机件磨损。1.3 四轮定位仪简介当今社会汽车已进入了千家万户，每个驾驶汽车的人都希望自己的汽车拥有最佳的舒适性的同时，还具有最可靠的安全性，而在汽车结构中能够提供此保障的主要部件之一就是汽车的车轮和悬挂。在现代汽车中，为了使汽车直线行驶、转向轻便、受控力好，并减少轮胎及相关部件的磨损，在轮胎安装和前、后轮的悬挂系统均设置车轮定位角度（各汽车生产厂家根据不同车型，设置不同数据）。由于更换轮胎或减震器、机械的磨损、机件在剧烈颠波中疲劳变形或车架和机件在碰撞后变形，都会导致四轮定位参数发生变化。所以一般新车在驾驶3个月后就应做四轮定位检测，以后每行驶l0000公里或更换轮胎及减震器，以及发生碰撞后都应及时做“四轮定位”，检测其是否符合原车标准，并及时进行维修与调校。1.3.1 四轮定位仪简介当前担当车轮定位检测的仪器大部分为“四轮定位仪”，检测时四轮定位仪先测量出汽车现时的四轮定位参数，然后由计算机自动与相应车型的存储值对比，对汽车四轮定位算出偏差值，维修人员按照定位仪的提示进行修正就可以恢复原状了。现代高档四轮定位仪由软件系统和硬件系统两部分组成：软件系统主要包括：客户信息管理数据库；国内外各类汽车生产厂、年代、及型号的原始定位参数；车辆预检查及其定位故障诊断；标定调校程序等，程序运算、执行、数据存储和输出通过高档计算机、CD-ROM及打印设备完成。硬件系统除了计算机及外设，主要还包括:车轮倾角检测用的传感器和配套安装夹具，调整标定设备、光学传感器、遥控操作器等。对于不同四轮定位设备，起关键性作用的是测量传感器是否精确，软件功能是否完善，至于外观、体积以及是否有无线通讯功能都不是关键所在，毕竟汽车驾驶者所需要的是将汽车的安全与良好的运行状态。如图1-6所示，为光学式四轮定位仪工作情况。图1-6 光学式四轮定位仪1.3.2 四轮定位仪技术分类1） 按通讯方式：a 无需通讯b 有线通讯c 红外无线通讯d 蓝牙无线通讯2） 按测量方式：a 拉线式角位移传感器+重力锤式倾角仪b 拉线式角位移传感器+电子式倾角传感器c 激光与光电接收板+电子式倾角传感器d 红外与PSD+电子式倾角传感器e 红外与CCD+电子式倾角传感器 f 红外与CMOS图像传感器 g 3D技术（采用面阵CCD）3） 显示方式：a 传感机头直接显示（一般采用液晶屏）b 数码管显示c 电脑显示 1.3.3 基本概念 1） 上位机：即进行数据运算，显示输出的电脑，这台电脑是四轮定位仪的控制中心，操作者想完成何种操作，均是通过控制电脑来实现的。对于数码管显示方式的四轮定位仪，电脑一般是由生产厂家采用单板机自行开发的。对于电脑显示的四轮定位仪，上位机指的即是市场上流行的PC机。 2） 下位机：即我们通常所说的传感机头，它是整个四轮定位仪的核心部件，均是由各生产厂家研发、生产的。实际意义上讲，下位机也是一台电脑，只不过其功能比较单一，它内部包含了中央处理器、存储器、控制部件等，在软件的协调下，完成上位机下达的命令。 3） 拉线式角位移传感器：该传感器实际上是一只精密可变电阻，在轴的带动下，产生电压的变化，通过模拟量到数字量的转换，形成相对转动角度。 4） 激光：是一种新型光源，它的本质是光，四轮定位仪用激光都是半导体激光器，给其注入正向偏压进行激励后，PN结相互交合，并把多余的能量以光的形式放射出来，形成激光。 5） 红外线：红外线是自然界普通存在的光源，它的本质也是光，只不过这种光不可见，用于四轮定位仪的红外发射管是一种半导体器件。 6） 重力锤式倾角仪：它实际由两部分组成，即：锤部分和电子部分，由于重力的作用锤始终垂直大地，带动电子部分产生角度的相对变化。 7） 电子式倾角仪：为一高科技产品，该倾角仪有多种形式，如：电容式、磁阻式、重力式等几种，全为非接触测量产品，根据原理不同，其性能也有较大差异。 8） PSD：又称光点位置传感器，它是一种光电转换器件，当PSD的受光面某一位置存在光照的情况下，其输出电流会有相应变化，从而可以得到光照位置，它是一种模拟器件。 9） CCD：又称电荷藕合器件，是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件，它是在一块硅面上，集成了数千个各自独立的光敏元，当光照射到光敏面上时，受光光敏元将聚集光电子，通过移位的方式，将光量输出，产生光位置和光强的信息。它分为线阵CCD和面阵CCD两种，线阵CCD即是光敏元沿X方向排列1到2排，所以测的是光在X方向上的位置及强度信息，面阵CCD的光敏元排列成矩阵方式，它所测的是光在X方向和Y方向上的位置及强度信息。 10） CMOS：是互补金属氧化物半导体的统称，应用于四轮定位仪产品的是由COMS做成的图像传感器。 11） 通讯：即两个以上单元进行信息交换的方式。 12） 有线通讯：在四轮定位仪的上位机和下位机之间进行信息交换时，若使用线缆做介质，则称有线通讯。 13） 红外无线通讯：在四轮定位仪的上位机和下位机之间进行信息交换时，若使用调制的红外光做载体，则称红外无线通讯。 14） 蓝牙通讯：蓝牙的英文名称是bluetooth，是1998年5月由爱立信，IBM、英特尔、诺基亚、东芝等5家公司联合制定的近距离（10米内）无线通讯技术标准，它是由无线电波做载体进行数据交换。1.3.4器件特点及功能 1） 上位机：四轮定位仪的控制中心，在四轮定位仪中，上位机有两种形式，即单板机和PC电脑，采用单板机做上位机的四轮定位仪其特点如下： a 由于单板机的资源较小，且其软件都是出厂前固化的，因此，功能简单，不可能进行快速，大容量数据计算，显示多以数码管方式。 b 没有辅助的测量功能，对于车型的选择都是借助于标准数据书籍，历史数据都无法保存，辅助调车的帮助功能根本无法实现。 c 通讯方式都采用有线方式进行。 d 系统升机，系统维护都很麻烦。 因此，这种四轮定位仪都是低价、低档产品。 采用PC电脑做上位机的四轮定位仪有如下特点： a 电脑资源丰富，互换性、可扩展性强，因此，它可以做到快速、准确地进行大数据量运算，在软件的配合下，显示灵活、生动、具有人性化的特点。 b四轮定位仪的辅助功能丰富，像车型选择、数据保存查询、三维动画演示、声音提示以及网络功能都可实现。 c 系统升级简单，更换软件即可完成，车型数据可以随用随加。 d 系统维护简单。 电脑应用于四轮定位仪产品，对电脑的要求并不很高，因为四轮定位仪的数据处理量相对很少，对资源的要求并不高，考虑到性价比的因素，四轮定位仪用电脑对用户而言够用即可，且不可盲目追求时尚，配备目前最流行的高端高价电脑。但是四轮定位仪要求电脑有很好的稳定性，有很高的抗干扰能力，当然这也是各厂家所必须考虑的。 液晶显示用于四轮定位仪是大可不必的，首先液晶显示器是场致发光器件，即被动发光，其亮度、色度都无法与CRT显示器相媲美。 其次，液晶显示器怕油污等腐蚀物，恰恰这一点是修理厂所不具备的条件，它的理想使用环境是办公室等清洁场所。 再次，液晶显示器成本高，寿命短，会影响到用户的采购成本及使用成本。 触摸屏应用于四轮定位仪同样是哗众取宠，因为现在四轮定位仪在汽修厂及轮胎店基本属于普及产品，用户不可能也没必要再花一份工资雇一员工进行电脑操作，而修车又是较脏的工作，双手沾满油污、灰尘、水等是常有的事，用这样一双手在触摸屏上按来按去，试想触摸屏的寿命将如何？维修工能否看清屏幕？ 在电脑中，最常使用的部件是键盘，因此键盘是一个易损件，对用户而言理所当然的应选择一种常见，易采购，通用性好的键盘。PC标准键盘是再好不过的。 2） 激光：激光是作为测量系统的光源而应用于四轮定位仪的，与其它光源相比，它具有单色性好，方向性强，光亮度极高的特点。因此，激光光源可以实现较小的功率，测量较远的距离，由于其单色性好，因此它可以避免环境光对测量系统的干扰。在四轮定位仪中与激光配合使用的接收器，为光敏元阵列，而不可以用PSD和CCD；因为激光的光斑均匀性差，且具有干涉和衍射的特性，不利于PSD和CCD的接收。激光用于四轮定位仪中，激光都是以垂直的直线输出，决定了激光产品束角的测量范围较小，好在汽车的前束值不会很大，因此，用激光做光源用于四轮定位仪是一种较好的选择。有人提出激光对人体有害的论点，这不必小题大做，因为四轮定位仪用激光器都是几毫瓦功率的半导体激光器，只要眼睛不直视它，照射身体任何部位，不会对人体产生任何损害。 3） 红外线：红外线在四轮定位仪中有两种功能，首先，在通讯系统中可以使用，其次，它还用于测量系统，这两个系统的功能不同，使用方法也不同；用于通讯系统红外线是作为通讯的载体，它采用调频的方式。而应用于测量系统时它作为光源，接收部分无论采用PSD还是CCD光源出口均是散光的，照射到对面后经过光学处理，提供给CCD或PSD使用，由于红外发射管光斑均匀（特点），因此CCD或PSD的光源必须使用红外或可见光，而不能采用激光。 4） 倾角传感器：倾角传感器是四轮定位仪的非常关键的部件，它的功能是进行车轮外倾和主销的测量。因此，它的好坏直接影响到产品的性能。该传感器的关键参数有如下几个： a 线性度 b 每度输出电压值 c 频响 d 温度系数 经过实践检验，采用日本米多利和德国HL的倾角传感器，性能均能得到保证，而韩国倾角产品，很难达到要求，因为韩国产品每度输出的电压很少，要提高测量精度，就需大倍数放大，由于放大器件的特点，放大就要失真，就会影响线性最终导致测量误差加大。另外，其温度系数较差，往往早晨的零位和中午的零位就有几十分的误差，想得到一个准确值，就必须经常校正。 5） PSD PSD是光敏感器件，它有三个引脚，一个加偏置电压，两个输出端，因此它是一种模拟的线性器件，它具有以下特点： a 分辨率高达0.1um b 光谱范围宽380mm?1100mm范围 c 响应速度快，0.5ms d 位置和光强同时测量 e 驱动简单 f 成本低 PSD是以连续电压或电流的方式输出，由于其位置分辨率可达0.1um，好于CCD。因此，它有很高的分辨率，但它输出的是模拟信号，需经过A/D转换，因此要有一定的失真，同时，PSD有更严重的问题，温度漂移严重和环境光线的影响。温度变化可以使其输出零位变化几十毫伏，光线的影响使系统取值不稳定，这两项叠加在一起，便使PSD产品失去了测量精度。南韩技术生产的四轮定位仪或其OEM国产产品无一例外地使用该技术，用户可能仅通过读数看不出其有什么问题，因为瞬间温度，光线是恒定的，但当两个参数变化时，误差便会显现，因此，用这类产品须经常校准。 6） CCD特点如下： a 位置分辨率高11um11um b 光谱响应宽380mm-1100mm c 响应速度快 d 可靠性高，无温度漂移，一致性好 e 输出稳定，可直接输出光斑的数字位置，无需A/D转换 f 低功耗 g 长寿命 h 驱动复杂 CCD是由数千个相对独立的光敏元构成，且各光敏元集成在同一硅底。入射光的位置可以直接以数字的形式反映出来，因此，CCD产品具有测量精度高，无温度系数，使用寿命长等诸多优点。 7）CMOS：市场上以CMOS器件做四轮定位仪的厂家很少，这一技术应用于四轮定位仪产品有其先天缺陷。首先，CMOS图像传感器的动态范围远比CCD差，一个很说明问题的例子；凡是高档的数码相机无一例外的都使用了面阵CCD，只有在低档数码相机里才能见到CMOS产品，从它们拍摄的图片质量上可以清楚地判断出来。其次，CMOS图像传感器的分辨率低，最多也不过640线，因此精度低。再次，CMOS图像传感器对环境要求较高，稍微暗一点或稍微明亮一点就不能正常工作。综上所述，由于CMOS器件本身的特点，决定了四轮定位仪产品很难使用该器件。 8） 通讯 通讯分有线通讯，无线通讯，无线通讯应用于四轮定位仪有红外线式和蓝牙式，这几种方式各有优缺点： 有线通讯是所有通讯方式中最稳定可靠的方式，比喻座机的信号清晰度比手机好，有线电视比无线电视优越，便可说明此问题。但有线通讯由于需要一条较粗的线缆连接，因此，故障率增加，使用的方便性降低（手机比座机方便每个人都有感受）。 红外通讯采用非常成熟的红外通讯技术（比如家电的遥控器大多是采用红外通讯），且成本较低，因此也是一种好的无线通讯方式，至于它的不好处都是相比较而言的，它与蓝牙通讯比较，有怕强光、怕阻挡等不利因素。因此对环境要求较高，而蓝牙通讯便不存在这种问题，它不怕阻挡，不怕光，数据吞吐量较大，但它怕强无线电干扰，（比如2003年的太阳黑子对整个世界的无线电通讯都造成影响），另外由于其历史短，成本较高。 因此总体而言，目前蓝牙通讯的四轮定位仪要方便于红外通讯四轮定位仪，也要优于有线通讯产品。1.4 汽车故障与四轮定位的关系从实际测得的捷达轿车的部分定位角度(左前轮部分定位角度和后轮左右外倾角、推进角,见表1-1)可以看出汽车故障与四轮定位的关系。表1-1 捷达轿车的部分定位角度及故障现象位置定位角度实际角度值与标准值比较故障表现零部件情况左前轮后倾角219太大转向沉重,不能自动归正,有向右跑偏现象副车架或下支臂有变形外倾角029太大轮胎外缘严重磨损,有向左跑偏现象下支臂变形内倾角941太大转向不稳定(羊角)转向节或半轴有轻度变形前束角023太大轮胎严重单边磨损,80100/时有“嗡嗡”声可调整转向拉杆包容角010相对增大转向操纵不良控制臂和车架有变形后轮外倾角左007右-021太大轮胎内侧严重磨损后桥变形推进角025正值偏大右后轮严重磨损后桥或羊角轴变形2 光点位置传感器（PSD）及其在四轮定位仪中的应用PSD(Position Sensitive Detector) 是一种光电测距器件, 其是基于非均匀半导体“横向光电效应”,达到器件对入射光或粒子位置的敏感。PSD 的主要特点是位置分辨率高、响应速度快、光谱响应范围宽、可靠性高、处理电路简单、光敏面内无盲区、可同时检测位置和光强、测量结果与光斑尺寸和形状无关。由于其上述特性, 因而在位置、位移、距离、角度及其相关的检测中获得了越来越广泛的应用。2.1 PSD的结构与工作原理图2-1 PSD横向光电效应 图2-2 PSD位置测量原理如图2-1所示, PSD 的PN结是由重掺杂的P+型半导体和轻掺杂的N型半导体构成,和一般PN结一样, 由载流子扩散在结区建立一个与结面垂直的有N指向P+的自建内电场。但由于P+为重掺杂,载流子密度大,故电导率比N区高。因此当入射光照射A点时,光生载流电子和空穴集中在A点附近的结区, 在自建内电场作用下, 空穴进入P+区, 由于电导率高很快扩散到整个P+区, 成为P+区等电区位。而在A点附近N区的电子, 由于其电导率低而不易扩散, 仍集中在A 点附近, 具有较高的负电位, 因此形成一个平行于结面的横向电场,这种现象称为横向光电效应。 实用的PSD是做成P+ IN结构,I 区较厚而具有更高的光电转换效率, 更高的灵敏度和响应速度。其表面P+层为感光面,两边各有一信号输出电极。中间为I 层,底层引出一公共电极,用来加反偏电压。如图2-2与图2-3所示,当入射光照射到光敏面上某点,由于存在平行于结面的横向电场作用,使光生载流电子形成向两端电极流动的电流和, 它们的和等于总电流。如果PSD 面电阻是均匀的,且其阻值和远大于负载电阻, 则R1 和图2-3 一维PSD的结构及等效电路R2 的值仅取决于入射光的位置, 此时有以下关系式成立: (2-1)式中 LPSD中点到信号电极间的距离x入射点距PSD中点的距离将与式（2-1）联立得： （2-2） （2-3）由式(2-2)和式(2-3)可以看出, 当入射光点位置一定时, PSD 单个电极输出电流与入射光强成正比。而当入射光强不变时,单个电极的输出电流与入射光点距PSD 中心的距离x 成线性关系。联立式(2-2)和式(2-3)得： （2-4）通过这个关系就能很准确地确定光点位置的偏移量。2.2 PSD 的特性1) PSD 的位置检测输出信号与入射光点强度、光斑尺寸大小都无关。入射光强增大有利于提高信噪比,从而有利于提高位置分辨率。但入射光强不能太大, 否则会引起器件的饱和。PSD 的位置输出只与入射光点的“重心”位置有关,而与光点尺寸大小无关。这一显著优点给使用带来很大的方便。2) 反偏压对PSD 的影响。反偏压有利于提高感光灵敏度和动态响应速度,但会使暗电流增加。3) 背景光的影响。背景光强度的变化会影响位置输出的误差,这是因为有背景光电流I时,其位置输出信号为: （2-5）显然,背景光强度的变化会对位置输出产生影响。因此,在实际应用中,应采取一定措施,消除背景光的影响。4) 环境温度的影响。环境温度上升时,暗电流将增大。实验表明,温度上升一度,暗电流增大1. 15 倍。因此,实际应用中也应采取相应的措施,消除或减小环境温度变化对检测精度的影响。2.3 一维PSD在四轮定位仪中的应用目前常用的定位仪有拉线式、光学式、电脑拉线式和电脑激光式四种，它们的测量原理是一致的，只有采用的测量方法（或使用的传感器的类型）及数据记录与传输的方式不同，这里仅介绍光学式四轮定位仪PSD传感器测量原理。1） 四轮定位仪中PSD的使用情况PSD 分为一维PSD 和二维PSD , 前者用于测量入射光的一维位置坐标,后者用于测量入射光的二维位置坐标。四轮定位仪中采用的是对红外线敏感的一维PSD , 光源为红外发光二极管。目前,汽车四轮定位仪根据所用的PSD 传感器数的不同,可分为6 束和8 束四轮定位仪, 它们分别采用了6 个和8 个PSD传感器。8 束四轮定位仪的测量精度要高于6 束, 是目前国内市场上的主流产品。整个定位测量系统由一个上位机和四个下位机组成。上位机为PC微型计算机,其主要负责对下位机的测量过程控制、读取下位机所采集的数据、数据处理与计算以及结果显示、存储、打印及管理等。下位机由单片机系统组成,它们分别位于左前、左后、右前和右后机头的壳体内,机头与卡具相连,测量时机头通过卡具分别固定到汽车四个车轮的轮辋边缘上，如图2-4所示。图2-4 固定在轮辋上的PSD机头2） 车轮前束和推力角的测量原理 在测量前束时，必须保证车体摆正且方向盘位于中间位置，为了提供车轮前束值（或前束角）的测量精度，无论是拉线式、光学式还是电脑式的四轮定位仪，在检测车轮前束之前，常通过拉线或光线照射或反射的方式形成一封闭的直角四边形如图2-5所示。图2-5 8束光线形成封闭的四边形将待检车辆置于此四边形中，通过安装在车轮上的光学镜面或传感器不仅可以检测前轮前束、后轮前束，还可以检测出左右车轮的同轴度（即同一车轴上的左右车轮的同轴度）及推力角。因为四轮定位仪系统采用的传感器不同，测量方法亦有所不同，这里就光点位置传感器来说明一下车轮前束的测量原理。 8 束四轮定位仪PSD传感器的布置情况如图2-6所示(图中只给出了一侧的布置况) 。每个PSD 传感器组件包括红外发光二极管、透镜和PSD 传感器,透镜位于PSD 的前部。测量时,发光二极管所发出的红外光经透镜聚焦到一维PSD 上, 根据PSD 上入射红外光的位置或PSD 两电极的输出，利用式（2-4）便可计算出后轮相对于前轮的角度。8 个PSD 传感器的测量光源形成一封闭的四边形,据此可测出水平面内前束、推力角、左右车轮的同轴度和前后轴的平行度等各种定位参数。图2-6 PSD 传感器的布置14.PSD传感器组件 5.发光二极管 6.前轮 7.后轮 8.机头3 方案比较与总体设计本设计汽车四轮定位的检测为前提，基于PSD 在其中的应用条件，对PSD 的测量原理系统进行较为详尽的设计。本章从为什么要选择PSD来进行四轮定位的测量入手，结合影响PSD测量精度的各种因素，最终到PSD 信号处理系统方案的选择与设计。3.1 四轮定位仪中位置传感器的选择由第一章的四轮定位仪简介知道，可用于四轮定位仪中的传感器有：倾角传感器，PSD称光电位置传感器，CCD电荷藕合器件和CMOS图像传感器。由于倾角传感器是用来进行车轮外倾角与主销的测量；CCD 要求检测的条件高，且价格昂贵；CMOS图像传感器对环境要求较高，稍微暗一点或稍微明亮一点就不能正常工作；所以，最适合用语四轮定位水平面内参数测量的传感器只能是PSD。使用PSD具有响应速度快、位置分辨率高、位置输出与光强度及光斑尺寸无关、可同时进行位置与强度的检测、信号检测方便、价格较便宜等优点。3.2 影响PSD测量精度的主要因素 PSD应用系统设计的考虑因素: 1） PSD应用系统中的光源 PSD灵敏波长范围为300-1150nm,因此多种发光二极管和激光器都可作PSD的光源，特别是波长在900nm左右的光源将会使信噪比显著提高，所以选用诸如GaAs之类的二极管是PSD的理想光源。 2） 前置放大器的技术问题考虑 由于位置信号以电流输出的形式从PSD电极输出，前置级应选用由运算放大器构成的电流-电压转换电路，该放大器应选择低偏置电流特性、低输入噪声、低零飘的器件。 3） 入射光斑的变化对测量结果产生的影响 虽然PSD器件的电流输出只与光斑的位置(其重心位置)有关，但这种特性只适合于某种特定情况。即不管光斑形状如何，在测量过程中应保持其形状不变，若不满足这个条件，PSD的电流输出就不仅仅取决于光斑位置了。所以，在测试系统中如果涉及到光源与PSD的距离经常变化的情况，应尽量保持光斑的尺寸不变。4） 非线性误差的处理由于PSD的输出电流并非与光点的位移成线性关系。当光点越靠近中心，其非线性误差就越小。为了减小非线性误差，采用通过光学系统压缩位移范围，使光点的运动限制在PSD线性度较好的范围内，达到减小非线性误差的目的。3.3 提高PSD抗杂光干扰的措施利用PSD器件构成的光电位置检测系统，可以直接测出目标的位置和动态位移，适合要求实时控制，快速结果反映的测控场合。从PSD的特性可知，PSD器件是全光谱范围内都响应的，因此，和其它光电检测系统一样，PSD在工作时，其输出信号会受到除目标光源以外的外界杂散光和自身暗电流的影响，它们叠加在有用信号上面造成测量误差，下面将分析它们如何对位置测量产生干扰及一些抗干扰的措施。3.3.1 杂散光对PSD的影响在用PSD构成的系统中，一般采用成像镜头将发光目标物成像于PSD的光敏面上，以检测目标物的动态位置或是位移，由PSD的工作原理可知，其产生的光电流所反映的位置信息就是光斑的光强的重心；因此在检测中如果除了目标物发光外，还有其它杂散光线进入镜头，则杂散光也会在PSD上造成响应，影响检测精度。从杂散光对PSD的作用形式的不同，可将其分为两大类：一类是漫射杂散光；另一类是集中光源。 漫射杂散光经光学镜头成像后落在PSD上呈均匀光强分布，光能分布的几何中心与PSD的几何中心重合，在PSD的各个电极收集到的电流强度相等，因此漫射杂散光的作用等效于在PSD光敏面几何中心作用的一个光点。成像镜头内的集中光源经镜头后在PSD的光敏面形成真实的光点，位置由光源的方向来决定。这样，在测量时无论是哪种杂散光进入镜头，都相当于在PSD上除了目标物光点外还有一个干扰光点，此时PSD的输出信号是两个光点共同作用的结果，测出的位置也包含两个光点的信息。下面将以方形PSD为例推导由PSD输出电流解算的位置与两光点位置的关系。设目标物经光学镜头成像于PSD上点，等效干扰光点作用于PSD上的点，目标光源单独作用时PSD输出电流为()；干扰光源单独作用时PSD输出电流为()； PSD在两个光点的共同作用下输出的电信号是它们叠加的结果，既(，)，此时由PSD输出电流求解出的位置X为： X (3-1)若记=，=，K=/并考虑到与目标光源成正比，与目标光源成反比，则有： (3-2)由上式可知，当两个等效光点和Xt共同作用于PSD上时，由PSD输出电流求解出的位置X是两光点和Xt的内插点，即实际点位于两等效光强重心的连线上，并且距离两等效光强重心的距离之比与两光束入射的光强成反比。从上述的推导可知，漫射光的作用是使求解位置比目标物实际位置靠近PSD中心，而集中光源的干扰使求解位置比实际位置靠近干扰源。因此，无论是哪种杂散光产生的干扰，都会带来测量误差，且误差的大小不仅和干扰点的位置有关，还与信噪比有关，信噪比越小，杂散光的干扰越强。3.3.2 克服杂散光干扰的方法由上述的分析可以看到，当干扰光源位置确定时，误差的大小取决于照射到PSD上的目标物光强与干扰光强之比，即光信号的信噪比。为减小干扰光的影响，根本的方法是确保照射到PSD上的光信号有较高的信噪比，或是根据干扰信号的模式特征，将其与目标信号分离，提高参与运算的信号的信噪比。消除干扰光的方法有：1) 光学方法为了提高照射到PSD上的光强信号的信噪比，可采用光学滤波的方法。PSD的光谱响应峰值在900nm附件，属近红外区，由于其对全光谱均响应，因此其对可见光也有良好的响应特性。考虑到自然光和人造光源的干扰多数为可见光，因此，可以将目标物发光的波长选在900nm附近，并使其光谱较窄，这样就可以在光学镜头上附加与目标光源的光谱特性匹配的干涉滤光片，使得通过滤光片后照射在PSD上的光强对目标光源有最大限度的响应，而对干扰信号有最大的衰减。所以通常是选定红外发光二极管或是半导体激光器作为目标光源，并根据其特性设计与之匹配的滤光片，以保证在光学设计上使入射到PSD上的光信号有良好的信噪比。这样既可以避免器件受强光照射时输出信号饱和，又能提高输出响应的幅度，增强抗杂光干扰的能力，提高位置测量精度。2) 电学方法上面光学滤波的方法是建立在目标光源与干扰光源的波长不同的基础上的，在实际应用时，二者的波长一般总有重叠，因此还需考虑从PSD的输出信号中将二者分离，采用电学的方法有以下几种：a 采用交流调制频率分离的方法，由于系统在使用时，干扰杂散光多为自然光或是人工照明，这类干扰源的特点是其亮度变化是缓慢的，在PSD上产生的响应为直流低频信号，如果对目标光源进行高频调制，使PSD的响应为高频调制信号，则可以在电路中采用带通滤波的方法将信号与干扰源分离。经带通滤波器输出的信号再进行直流恢复，由单片机采样后，进行位置运算，得到显示结果。电路框图如图3-1所示：图3-1 调制法PSD信号检测电路框图b 采样-保持法，考虑在多数场合，干扰源多为自然环境光，其特点是光强稳定，位置固定。因此在进行动态测量前，可先测出干扰源在PSD上的位置和强度(利用位置检测系统自身即可完成)，测出杂散光单独作用下PSD的响应It和Xt值，这些值均为常量，在进行动态测量时，实时检测目标光源光强和，并对系统进行校正，由和求解出目标物的实际位置，从而消除杂散光和暗电流对测量位置的干扰。电路框图如图3-2所示，图中S/-S/是采样保持器，目标光源调制信号U及采样保持器的控制信号、的时序图如图3-3所示，S/和S/在没有信号光时采样得到背景光电流及暗电流信号后保持，S/和S/在有信号光时采样得到信号光电流、背景光电流及暗电流构成的总信号后保持，然后由减法器将它们相减，得到消除背景和暗电流信号成分的信号光电流的电压转换值和。图3-2 采样-保持法消除背景和暗电流的PSD处理电路方框图图3-3 光源调制信号和采样保持控制信号波形时序图c 同步检波法，如果信号光比较弱，背景及环境的噪声较大，除了必须对光源进行调制以外，电路方面可采用同步相关检波法将淹没在噪声中的光信号提取出来，用同步相关检波法处理电路的框图如图3-4所示：图3-4 同步检波法消除背景和暗电流的处理电路方框图 对存在复杂的杂散光干扰的应用场合，可以采用锁相放大技术，在系统控制中将目标光源的发光调制与PSD接受后的放大和求解联系起来，利用锁相放大技术将更大限度的将目标信号和干扰信号分离开，但系统设备会成倍增加。 3) PSD环境光的光电补偿法 由上面的分析可知，光学方法不能完全消除背景光的影响，而电学方法会降低整个测试系统的频率，在这里提出了一种光电补偿法可以消除背景光及环境温度变化的影响，由于PSD在正常工作状态下，其总输出电流基本等于各种光单独作用时的电流之和；而位置输出信号不但与各种光的“重心”有关，而且也和作用强度及光谱分布有关，在环境光和目标光源的共同作用下，其输出信号随背景光的变化而发生改变。如果把两块性能参数近似的PSD放在同一环境中，设在没有目标光源工作时工作PSD的四个电极的输出分别为、，而补偿PSD四个电极的输出分别为、当目标光源照射工作PSD时，其各个电极的输出增量分别为和，则有如下的关系： =； =把PSD的输出经前置放大后，接入如图3-5所示的运算电路，从而进一步提高信噪比，通过调整电路中的匹配参数，可使运放A1的输出为:而图中运放A2的愉出为： 从而可求得，用PSD作补偿器可以基本消除背景光和环境温度的影响，这在不降低PSD工作通信指标的前提下，使它在一般的室内环境下能正常工作。图3-5 补偿法PSD测量电路为了提高PSD的位置测量精度，除了以上讨论的一些方面外，还应对各级信号处理电路进行进一步的分析和改进；降低噪声，提高信噪比是根本问题，主要包括以下的几个方面：a 对于前置放大级用来进行电流-电压转换的反馈电阻，由于信号电流为微安级，而反馈电阻一般为几百千欧，阻值精度稍有变化，就会引入较大的误差，通常，通过测量选择各路的反馈电阻，来保证工作时的转换精度。b 对于带通有源滤波器部分，滤波器芯片外围电路的电阻和电容的设计值与实际值总有一定偏差，为了达到与设计值相符合的目的，可以采用阻值相近的器件进行串并联方法；从而保证滤波器中心频率的稳定性和较高的Q值，提高系统的信噪比。c 对于精密整流电路，由于受运算放大器转换速率SR和工作电压的影响，造成了整流输出波形的失真，引入了测量误差；为了减小波形的失真度，应选用转换速率SR较高，工作电压低的低噪声运算放人器。d 单片机的A/D采样和转换能力对测量精度也有一定的影响，为了减小A/D转换的量化误差，应选用位数多，分辨率高的A/D转换单元。e 随着检测距离的增加，目标光源的信号进一步减弱，如果单纯增大反馈电阻，由于电阻的非线性，也造成了位置测量误差，此时我们可以考虑用锁相放大的技术进一步将信号和噪声分离，提高远距离位置测量的精度。3.4 本设计方案的选择和总体设计PSD广泛应用于光点位置和角度的测量、光学遥控、位移和振动检测、激光准直、方向探测和人体运动分析等方面，下面主要以位移检测来介绍PSD的应用。位置运算一般是先对前置放大器的输出进行信号差与和运算，然后用除法器计算两信号的比值，这样可消除由光通量变化所产生的位置信号的变化，获取与光通量变化无关的位置信号。考虑到外界杂散光对系统产生的影响，将对光源进行调制发送，并在接收系统中采用了带通滤波器，有效的滤除了电路噪声信号和外界干扰信号，系统框图如图3-6所示:图3-6 系统框图4 硬件系统设计4.1 基于一维PSD位置测量系统的方案设计根据图3-6的系统框图，综合设计目的及实验条件，本设计采用调制法PSD信号检测电路框图来实现设计目的。可设计系统的电路框图如下：图4-1 调制法PSD信号处理框图由振荡电路驱动的高亮度发光二极管作为调制目标光源，PSD传感器安装于微动工作平台上，二极管发出的光束经过光学系统聚焦后，将光点成像于放置在透镜焦平面上的PSD的接收光敏面上，这个PSD输出的电流信号经过前置放大电路转换为电电压信号，之后通过带通滤波器筛选出杂光干扰信号，接着经直流恢复将交变信号转换成提供位置解算的直流信号，然后由单片机进行A/D控制采样，将采样后的数据通过串行接口送入计算，由计算机来加、减及除法运算，并显示出结果。4.2 PSD的性能参数PSD的土要性能参数有光谱响应范围、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。4.2.1 光谱响应范围在单位光功率的单色光照射下 , PSD的输出电流随波长变化而变化的关系称为光谱响应范围，下图是系统中选用的PSD的光谱响应范围特性曲线:图4-2光谱响应范围特性曲线4.2.2 峰值响应灵敏度峰值响应灵敏度是PSD输出电流与入射光功率之比，即在单位光功率的作用下，PSD的最大输出电流(A/W)。4.2.3 位置测量误差位置测量误差是指实际位置与PSD测量所得的绝对误差，X=X；如果是二维PSD，分为X方向误差XV、Y方向误差Y和总位置误差，。4.2.4 线性度PSD的线性度是指输出电信号与实际位置之间的线性关系程度，即PSD测量位置与实际位置之间的线性关系程度，衡量线性度一般用均方根非线性误差来表示，均方根非线性误差为： 10