基于象限探测器大范围空间角度测试系统的设计毕业论文doc版本.doc

1 引言1.1 测角技术国内外发展概况角度测量是计量科学的重要组成部分。随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛的应用于机械、光学、航空、航天、航海和军事等领域，技术水平和测量精度也不断提高。国内外许多部门和研究机构相继研制出许多测角仪器，以满足经济，国防和科研的需要。由于采用先进的科学技术和现代化设备，使测量范围和精度不断提高。近年来，特别是计算机技术的蓬勃发展，使得角度测量得以实现自动化1。各种测角技术和测角装置根据不同的技术要求和应用环境，有着各自不同的特点。1.1.1 机械式测角技术以多齿分度盘为代表的机械式圆分度器件，具有工艺好，工作可靠，结构简单，寿命长，对环境要求底等优点，是一种基于机械分度定位原理的技术。当两个齿数相同，模数相同的齿盘啮合后，由于平均效应，使准确度大大提高。我国在弹性多齿分度台的研制方面达到很高的水平，不确定度达到0.1到0.5，重复性达到0.02多齿分度盘测量角度，虽然准确度高，但由于多齿盘和齿数不能无限的增加，因此细分受到限制，为解决这一矛盾，可用两组或多组叠放在一起，利用差动法实现细分。由于差动多齿分度台操作复杂，所以从原理上讲，完全可以设计四层或更多层，但往往很难实现，原因就在这里2。1.1.2 光学式测角技术用光学方法测量角度，比一般的机械方法有更高的准确度，而且易于细分，目前，国内外用于测角的光学式测角技术主要有光学分度头测角、圆光栅测角、环行激光器测角、激光干涉测角等3。1光学分度头测量光学分度头的规格型号较多，用光学分度头测量试件，常采用多次测量，用算术平均值作为测量结果，以提高测量结果。为了消除分度头度盘偏心引起的误差，以进一步提高测量准确度，还可以将被测试件相对于分度头度盘依次按放在三个等分位置上进行测量，取其平均值作为测量结果。由于分度盘上周围封闭的特点，可以将大部分分度盘偏心的影响消除。2圆光栅测角圆光栅是目前角度测量的主要器件之一，对于高准确度、高分辨力的角度测量来说，产生能够细分的原始信号是十分重要的。利用圆光栅摩尔条纹现象产生的信号很大程度上能满足这些要求。圆光栅测角技术已有广泛应用，如光栅刻度机、光栅编码器、光栅分度头等。我国研制的光栅式度盘检查仪，利用两切向圆光栅形成的摩尔条纹进行分度，由于环行摩尔条纹本身有很好的平均效应，在圆光栅上采用多块光电池组成整周封闭的光电接受系统，使圆光栅形成准确度较高的角度定位标准，以比较法检验被检度盘，就可以用于检定50160的盘度。航空航天部第一测量测试研究所的精密数显转台，是具有高准确度，高分辨率、多功能的测角仪器，静态分辨率为0.001。英国的NPL最近研制了一台有径向光栅的测角仪作为角度基准，该仪器利用两个32400条径向光栅和两个读数头，其中一个固定，一个随工作台转动，采用两个相同的干涉光路作为光栅的读数。该测角仪稳定性好、噪音小、可靠性高。法国研制的高分辨率光栅数字测角装置，采用光测角原理，其分辨率为0.31，测量装置的总误差不超过0.54。3光电角编码器测角将转角大小转换成相应数字代码的装置叫角编码器。角编码器有许多类型，其中最常用的是光电角编码器，光电角编码器的输出信号根据取信号的方法分为两种：一是绝对测量法，另一种是增量测量法。由于绝对编码器结构复杂，价格高，需要运算，应而不太普及。在增量式测角装置上附加了绝对零为信号后，便具备了绝对编码器的部分优点。目前，日本生产的高准确角度传感器几乎都是增量式的。其分辨率与角度积累误差都是几秒级，可用于实现角度基准。4环行激光器测角两传播方向相反的光束在闭合环路中行进时，若闭合环路以一定的角速度旋转，则此反向的光束将产生误差，且光程差的大小与环路旋转的角速度成正比。这就是赛纳克效应。这一现象为测量角度提供了理论依据，而高稳频激光的出现又使这一精确的测角方法能应用于实际工作。利用这一现象来测量角度的装置叫环形激光器。以环形激光器组成的测角仪容易实现自校，可以在测量进程中确定环形激光器的比例因子，从而大大减少测量误差，使用方便可靠。在0-360范围内，测量角度不必再划分子范围，其输出信号是调频信号，容易转换成数字形式，并可以用计算机作进一步处理。为了进行统计处理，可以在短时间内较容易地累积大量数据。而且，由于环形激光器实际上没有惯性，这就可能用真实的时间刻度来进行测量。在一个具有60mm的等边三角形共振腔环形激光器中，不用任何细分就可达到2.65个数/s的分辨率5。5光波干涉测角自从上世纪60年代激光出现以来，其技术水平和应用都得到了迅速发展。由于它的亮度高，单色性好，方向性好和相干性好四大优点，使它在计量科学领域的应用愈来愈广泛。由于角度可以表示成长度之比，而长度的变化又可以激光干涉条纹数的变化来表示，因而，在长度测量中准确度最高的激光干涉法在角度测量中的应用日益广泛，技术水平也日益成熟，尤其在小角度测量方面6。角度干涉仪的优点是准确度高，缺点是装置复杂，较难使用。这一点随着激光干涉测量仪器的研制而有所改进。目前，干涉测角仪采用的干涉光路大多为迈克尔逊干涉光路，将光程差变换成角度实现测量。它们普遍存在的缺点是必须经过检定，而且测量范围在90以内。因为光程差与角度不成线形关系，而且计数得到的干涉条纹只有与该装置有关的一个辅助配合使用时，才能测出角度。当干涉仪只用于测量小角度，将非线形保持得很小，而且不需要准确知道辅助时，才能避免上诉缺点。除了上述介绍的几种光学方法外，利用偏振光、光纤、双频激光测角也有所应用。随着计算机、电子技术和激光技术的发展和应用，为进一步研制高准确度的光学测角装置创造了条件，今后会有更先进的测角技术出现。1.1.3 电磁分度测角技术电磁分度技术是新的测角技术，主要利用各种参数进行分度测角，大量应用于进一步细分，使分度和测量范围扩大，仪器的分辨能力高使用范围广泛7。1圆磁测角在一个圆盘基体的表面镀上一层磁膜，当圆盘均匀旋转时，把由一标准频率发生器发出的频率极为准确、稳定的正弦波电压信号记录在磁膜上，磁膜经交流反复磁化，就形成与磁极对应的磁格，被记录磁盘就是以磁波为分度标准的圆磁栅。利用圆磁栅测角时，磁栅和被测试件同轴旋转，再利用放磁头将磁栅上的标准录磁信号释放出来进行处理。按拾起信号方式的不同，放磁头分为静态磁头和动态磁头两种。利用静态放磁头在理论上可以获得秒级的分度准确度，但由于磁栅强度分度、主轴回转跳动和电路系统的不稳定等因素的影响，往往影响准确度的提高；而利用动态放磁头可以提高分度准确度。由于旋转栅盘在使用中不停的旋转，因此动态放磁头降低了对磁栅盘录磁的准确度要求，可获得较高的分度准确度。磁栅的分度测量准确度略低于光栅、同步感应器。但由于录制方便、时间短、价格低廉、可方便地录制任意节距的磁栅、避免安装误差等独特优点而倍受青睐。2感应同步器测角感应同步器是利用电磁感应原理将位移量转换为电信号，并以数字脉冲形式输出的基准量，它日益广泛的用于角度测量领域。感应同步器的一个节距为一个对极，根据使用要求的不同，感应同步器的对极有很多种，如180对极、360对极、540对极和720对极等，其相应的切距分别为2,1，40和30。工作时许多节距同时起作用，故和多齿盘相似，有平均作用，也可获得较高的分度准确度8。总之， 随着各种新技术的不断涌现，角度测量的方法和准确度也不断完善和提高，国民经济发展的各个部门需要各种测角仪器，而各种测角仪器又都需要更高级的角度基准或检定方法来检定。为此，就需要建立高准确度的角度基准和测角方法，角度测量也正是在不断满足这种需要的过程中不断完善和发展的。而且随着技术的发展，科学的进步，角度测量也将向着更高准确度、更高分辨率、更高测量速度的方向发展，测角仪器将趋向于小型化、智能化。12本设计要研究的内容和意义以基本光电原理为依据的测试技术，早已证明是行之有效的，特别是在非接触测量和测试精度两方面的优越性更是其它方法所不及。随着半导体激光器和各种新型光电探测器的发展，光电检测法的优越性更加明显。光电测角就是以激光为光源，以光电转换原理为基础的测角系统。本课题是要测量空间大型构件的旋转角度问题，根据当前的传感器技术，自动控制技术和计算机技术的发展，选择光电测角法。因为光电测量的响应速度快，利用光电信号作为步进电机转动的起止控制信号，而电机的转角可以从控制面板上直接读出。对于这样一个系统，需要研究的内容有以下几个部分：1探测器：在此设计中选择的是四象限光电探测器，它具有较高的准确度和测量分辨率。所以首先要对四象限探测器的原理和功能有很好的理解。由于探测器的信号还要作为步进电机的起停信号，因此还要对探测器输出的信号要进行电流电压转换和放大。2精密转台：此设计是采用旋转测量，因此要把激光器和精密转台连接，可以把二维精密位移台和步进电机组合在一起共同调节激光束的方向。3数据采集：数据采集是数字信号处理的系统的前端部分，最基本的功能就是将模拟信号转换成数字信号，即通常所说的A/D转换功能。可以把探测器的输出通过数据采集卡和计算机连接而显示出来。上述这些内容就是本设计所要研究的方向，详细的讨论将在后面的具体方案设计中展开说明和阐述其实现的功能。做本设计的意义在于：通过完成毕业设计，设计一个完整的测试系统的思路和设计过程，本设计通过光电探测原理，选用高灵敏四象限探测器作为光接受器件，精确实现角度的测量。通过这段时间，温习并巩固了理论知识以及把理论与实践相结合，熟练掌握一些测试器件的使用方法，并且通过查资料来拓宽自己的知识面，锻炼动手能力，提高分析问题和解决问题的能力。2 总体方案论证2.1 总体方案描述本课题要解决空间大型构件的角度测量问题，选择光电测角法。总体方法是以半导体激光器作为光源，以高灵敏度的四象限硅光电探测器作为检测元件，组成激光准直装置。再利用步进电机控制器控制精密转台的旋转，得到测量结果。本课题以大型回转构件为实际研究对象，大型回转构件的两点在理论上的空间角度是85，但由于制造工艺和装配精度的原因，使得实际与理论值有一定的偏差，要对整个回转体构件空间角度进行检测。但由于回转体构件 各段的轴线不一定重合，不能直接旋转测量。 可以先对检测架上的两个传感器的空间角度进行测量，再以检测架上传感器的位置来检测回转体构件上两点的空间角度。把理想回转体构件放在检测架上，使它的轴线和精密转台的中心线重合，此轴线也就是检测架的上两个探测器空间角度测量的基准轴线。此时就可以旋转精密转台对两探测器的空间角度进行测量了。图2.1测试系统示意图在这主要解决两个问题：1.回转构件轴线与转台中心合。 解决办法：精密转台旋转时，在转台中心放置一激光器，激光器发出垂直与转台的激光束。精密转台上的激光器可以通过调节X、Y方向和与转台轴线的偏角，当激光束的光斑不是进行圆周扫描而是汇聚于一点旋转时，激光束就垂直于转台。此时的激光发射方向与转台垂直。把激光器与转台固定在一起，使激光束通过理想回转体构件两端安装的两个十字分划镜的中心。把回转体构件加工成如图2.2所示的形状，把他加工成空心是为了调节回转体构件轴线和转台的中心线重合。激光束发出的激光束和回转体构件的中心三点共线，从而保证回转体构件 轴线与精密转台垂直。2. 射到四象限探测器的激光束要与回转体构件轴线平行。解决办法：在实际实验中，我们把理想回转体构件加工成如图2.2所示：图2.2理想回转构件简图反射镜在安装时精度要求和回转体构件轴线垂直，且使反射镜和四象限探测器在同一个半径上。反射镜轴线与回转体构件轴线平行，此时从激光器发射的激光束射到反射镜上，利用自激光准直原理，当激光器的入射光与反射光重合时，射到反射镜的激光束就与回转体构件轴线平行。此时就可对发射架上的四象限探测器的空间角度进行测量。利用调节好的发射架上传感器的空间位置检测实际回转构件的空间角度是否达到85。2.2 系统框图该方案的总体框图如下： 2.3 方案可行性分析激光束经过光学系统入射到四象限探测器上，探测器把获取的光信号转换成与位置有关的四路电信号输出，一般传感器的输出为弱信号，经过高精度前置放大器，和信号处理后，可得到光斑沿X，Y方向的偏移量所对应的电压和光斑功率P对应的电压，信号处理器由偏移量所对应的电压判断执行机构的运动，使光束能够垂直地入射到四象限探测器的中心。同时还可以从显示设备上直观读出偏移量和光斑功率的大小。当偏移量显示为0时，可根据P的值来判断光束是否入射到探测器的中心上，对于四象限探测器，偏移量显示为0 有两种可能：一是光束未照射到探测器上，二是光束刚好照射到探测器的中心。当判断到光束位于探测器的中心时启动电机开始转动，直到下一次光束照射到探测器的中心为止。此时可以读出电机转过的精确角度。也就是构件上的两个探测器的空间角度，此过程可以精确实现角度的测量，因此可认为此方案是具有可行性的。2.4 需要设计的内容根据上述设计思路，本人做其中的硬件设计，需要设计的内容如下：1. 光源激光器的选型2. 四象限探测器的选型及其处理电路设计3. 精密转台设计4. 步进电机的控制5. 数据采集本设计中的软件主要用于把探测器的信号用计算机显示出来，比较探测器的各路信号，以确定激光束是否打在探测器的中心。从而执行电机的起停。3 关键器件的选择3.1 光源光源是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多测试系统中需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间分布的光源。在系统设计和应用过程中，正确合理选择光源或辐射源，是检测成败的关键。一切能光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人造的，都是光源。在一般的光电检测系统中，电光源是最常用的。按照发光机理，光源可分为热辐射光源、气体放电光源、固体发光光源和激光器。激光是靠介质的受激辐射向外发出大量的光子而形成的，对受激辐射光源采取适当的措施后，就可能获得光能量集中在某一方向上的传播，光强度极高，而且相干性很好的光源，这就是所谓的激光。在具备了激活介质和谐振腔后，并非一定能获取激光输出，这是因为光束在腔内振荡过程中，对光强的变化有正反两种因素在起作用。其中受激辐射使光强有所增益，而谐振腔中有限孔径的衍射镜面的吸收和透射等会使光强衰减。所以，为形成激光输出，激光介质的增益必须满足一个阈值条件，即其增益系数必须大于某个最小值，只有这样才能弥补谐振腔内的损耗而形成稳定的激光输出9。激光的单色性好，是因为激活介质和谐振腔都有对振荡频率的选择作用，根据光的驻波形成条件，不是所有频率的光波都能形成驻波而相干加强的。只有谐振腔内的光学长度等于光波半波长的整数倍时，才能形成稳定的光驻波。或者说只有这是，反射波不是削弱入射波，而是在加强它。这是维持稳定振荡的必要条件。3.1.1 激光器激光器一般由三大部分组成：工作物质、谐振腔和激励源。产生激光的具体过程是：工作物质在激励源的作用下，不断的把低能级上的粒子抽运到高能级去，例如从能级1抽运到能级3，在能级3上粒子停留时间或称寿命很短，能级3上的粒子很快转移到能级2上，能级2上的粒子停留时间或寿命较长，这样抽运到能级3上的粒子大量积聚在能级2上，使能级2上的粒子多于能级1上的粒子，在能级1和能级2之间实现了粒子数10。实现粒子数反转分布的工作物质可以产生受激辐射放大，开始时这种受激辐射光强度很弱，由于光学谐振腔的存在，使得一定方向上的受激光在两块反射镜之间多次往返，当往返足够多的次数后，就可以在腔内建立稳定的相干光振荡，其中一部分振荡光通过一块具有一定透射率的镜面输出腔外，就是激光。图3.2 光学谐振腔由于激光光源的这些特点，它的出现成为光学上的划时代标志。目前常用的激光光源主要有：气体激光器、固体激光器、液体激光器、染料激光器和半导体激光器。而半导体激光器以其体积小、效率高、结构简单、价格便宜等优点，越来越被广泛应用。3.1.2半导体激光器半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉巴索夫的工作最为杰出11。 在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.61.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.500.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。 光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。半导体激光器的工作物质是半导体材料，有砷化钾、硫化镉、磷化姻、硫化锌等。激励方式有p-n结注入、电子束激励和光泵浦三种。由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。1. 半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。2. 掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大。在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一个空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。3. p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。4. 半导体激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米。半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95%以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。3.1.3半导体激光器的选型型号：DB635-5-3(5)外形尺寸：1645mm输出波长：635nm工作电压：DC 3V 或 5V工作电流：70mA光束发散度：0.3mrad出瞳孔径：7mm出瞳功率：3mW工作距离：10m(可调焦距)光学系统：光学镀膜玻璃透镜光斑形状：点状光斑导线：2100mm(或者插头线)工作温度：-10+40存储温度：-40+80使用寿命：5000小时可选附件：LPS-1、LPS-2、LPS-5激光器专用电源3.2 四象限探测器及其处理电路光电探测器是一种用来探测光辐射的器件。它通过把光辐射转换成易于测量的电学量来实现对光辐射的测量。当光辐射到光电材料上时，光学材料发射电子或其电导率发生变化，或产生感应电动势，这种现象称为光电效应。光电效应实际上是入射光辐射与物质中束缚于晶格中的电子或自由电子的相互作用所引起的。按是否发射电子，光电效应分为内光电效应和外光电效应。内光电效应包括电导效应、光伏效应、光子牵引效应和光磁效应等。在光辐射作用下，材料发射电子的现象称为外光电效应。在探测过程中，光电探测器的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提供必要的信息，本设计选用的是四象限光电探测器。3.2.1 四象限探测器工作原理四象限探测器是根据光波强度检测理论，使用光电探测器将光信号转换成电流或电压信号，在实际的光纤传感技术中，由于传输的信号一般较弱，通常还要送到前置放大器中进行处理。当入射光照的感光面位置不同，所得的电信号也不同，从输出的电信号我们可以确定入射点在感光面的位置12。一维工作原理如图所示： 图3.3 一维工作原理光入射到M点，当光敏面表面理想均匀，则阻值与长度成正比，从而有： I1I=（2L-X）2L I2I=X2L 由（1），（2）得： X=L-L（I1-I2）（I1+I2） 当以中心为原点，则M的坐标为：X=L（I1-I2）（I1+I2） 一般为： X=K（I1-I2）（I1+I2） K是与材料有关的常数。同样可得二维时： X=K（I1-I2）（I1+I2） Y=K（I3-I4）（I3+I4） 而四象限就是在同一个芯片上做出四个探测器，这四个探测器具有相同的基本参数，并分别称为A，B，C，D四个象限，四象限探测器就是通过测量来自激光束的光斑中心的位置变化来确定光斑在X，Y两个方向上的偏移量。如图所示：图3.4 四象限探测器与光斑每个象限相当于一个光电管，当激光垂直入射时，经聚焦的光斑照在四象限的中心位置上，四个区域因受光照的面积相同，输出相同的光电流。当光目标上下移动时，圆形光斑的位置就在四象限光敏面上有相应的偏移，四个探测器因受照光的面积不同而输出不相等的光电流。设四个光电管产生的电信号分别为：I1、I2、I3、I4，则光斑的偏移量（x、y）、相对功率P可用下列公式表示 其中，I=I1+I2+I3+I4，k是标定系数，s是探测器的相应度。K和四象限探测器的孔径大小有关，在实际系统中，K的选取应使X，Y的最大值处在四象限探测器的边缘。利用四象限加减法得到的光斑的偏移量与光斑中心实际位置并非成完全的线形关系，其线形程度与光斑的大小关，光斑的增大使的光斑的位置偏移量与光斑中心的实际位置曲线斜率变缓，但其线形区域较宽。综合各种因素考虑，当四象限光敏面的半径为R，光斑半径为r时，应取r=R/213。3.2.2 高精度放大器传感器的输出信号是弱电流信号，因此设计了电流输入型前置放大器进行放 。其原理如图所示： 图3.5前置放大器原理图电路应用了电流-电压转换原理，并选用高精度放大器件，较好地解决了传感器暗电流的影响。处理后的信号就可以经过A/D转换、处理器、D/A转换。计算机把四路信号I1、I2、I3、I4换算成位置信号x、y和功率信号P，这三路信号经D/A转换送出14。3.2.3 本设计所选用的四象限探测器在本设计中选用的四象限探测器是QP506SD，它是把四象限探测器和电流电压转化及放大电路做在一块版子上，使用时直接可以把X，Y和光电流的功率P这三路信号由数据采集卡和计算机连接，不需要再进行信号放大处理15。实物图如下： 图3.6 QP506SD内部电路图如下：图3.7 QP506SD结构简图在QP506SD中所用的放大器是BB公司生产的OPA4131NJ16。管脚图如下： 图3.8 OPA4131NJ管脚图QP506SD工作参数17：工作电压： 4.5V-18V此探测器有PAD1，PAD2，PAD3，PAD4，PAD5，PAD6，PAD7共七路信号输入输出。其中：PAD1加偏置电压，实验时选择+5V。PAD2为（V3+V4）（V1+V2）的输出PAD3为（V2+V3）（V1+V4）的输出PAD4为（V1+V2+V3+V4）的输PAD5加+15VPAD6接地PAD7加15V工作电压Vs：最小4.5V;最大18V；推荐电压：15V偏置电压：0+Vs. 加在Pad1.最大输出电压：+Vs-3V; -Vs+3V工作温度：070注意：不能给Pad加负电压。当光束照四象限探测器，每一个独立的信号区都会产生电流18。由于探测器是单块集成电路，每一个象限的反应都是相同的。通过比较产生的电流，我们能够决定光束的位置。当光束是居中的时候，它可以很平均地照射到探测器的每一个区域。随着通过探测器表面的光的移动，我们能比较如下的输出X = (i1+i2) - (i3+i4) 104 / (i1+i2+i3+i4) （8）Y = (i1+i4) - (i2+i3) 104 / (i1+i2+i3+i4) （9）3.3 机械构件精密转台是本设计中的执行机构，通过精密转台的旋转使激光束转动，从而测出四象限探测器的空间角度。本设计的精密转台是由步进电机、激光器、激光器导轨、精密微调平移台组合而成，可以调节激光器在X、Y方向上的位移。在本设计中选用的是北京光学仪器厂生产的MRS102和上海联谊光纤激光器械厂生产的ALB2-xy型二维精密微调平移台（原型号：S-B-2V）组合成精密转台，再在转台上安装激光器及导轨3.3.1 电移台MRS102MRS102是本设计中的执行机构，在它上面安装激光导轨与激光器，当显示激光束射到探测器中心时，测试通过SC100步进电机控制器启动MRS102旋转， 直到下一次检测到激光束处于四象限探测器中心时，控制MRS102停止。这是电机转过的角度就可以精确测出19。3.3.2 二维精密微调平移台ALB系列精密平移台采用线性滚珠、线性轴承及线性滑块三种不同结构的导轨，调节机构采用不锈钢精研细牙螺杆、精研丝杠及滚珠丝杠三种不同结构，手动调节可配测微头或调节手柄，提供多种行程、多种精度的线性移动的精密微调。手动微调最小分辩率（灵敏度）为0.001mm，最小刻度为0.01mm，一般短行程采用线性滚珠导轨，长行程轻栽采用线性轴承导轨（型号后加d），长行程重栽采用线性滑块导轨（型号后加w）。一般由ALB1组合而成。上下两面多孔位设计适应不同的安装需要，可以调节X、Y、Z任一轴的线性移动，也可以更方便地安装在标准工作台上20。精密转台带动激光器的转动进行角度测量，ALB2-xy型二维精密微调平移台控制激光器在X，Y方向上的位移， 在MRS102和ALB2-xy型二维精密微调平移台连接处加有一个可以调节俯仰的螺栓，当精密转台安装好后，可以调节此螺栓使激光束水平射出，配合ALB2-xy型二维精密微调平移台可以实现对激光束上下左右的调节。激光束垂直于转台轴线后，再经过激光导轨向外平移，移动的距离等于理想弹体上的探测器的半径，此时就可以启动步进电机控制器对转动角度进行测量。3.4 步进电机的控制3.4.1 控制面板步进电机经常被用作系统的执行元件，由于步进电机输入量是脉冲序列，输出量为相应的增量或步进动作，其做连续步进动作时，旋转转速与输入脉冲的频率，保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响，并且步进电机直接接受数字量的控制，所以也非常适合采用计算机进行控制。本设计中采用的是北京光学仪器厂的SC100型步进电机控制器。其控制面板如所示：图3.14 控制面板其液晶显示屏可以分屏显示X轴，Y轴，Z轴的当前坐标、运行方向、运行速度、设置步数和工作模式设置等参数。上电后按面板上的“设置”键，进入工作模式设置状态。运动轴选择键：X，Y，Z，用于选择执行运动的坐标轴。运动方向选择键：+代表正方向，-代表负方向。设置建：用于运动方向和控制方式的设定。归零键：用于电移台回到原点的操作。确认键：当输入参数后需按下此键确认。停止键：步进电机运行过程中按下此键立即停止，再按运行键恢复运行。运行键：在参数设定后，按下此键步进电机开始运行。复位键：按下时控制器系统恢复。SC100步进电机控制器可以直接与北京光学仪器厂生产的MRS系列电动位移台连接。在确认SC100步进电机控制器的电源处于关闭状态后，将电缆插头分别插入电动位移台和控制器的连接插座上，然后旋紧固定螺钉，此后就可以打开电源开关进行操作了。3.4.2 步进电机的手动操作方式SC100步进电机控制器上电后将自动进入手动操作方式21。运行速度设置：开机后按下设置键，显示联机，再按键进入参数设置状态，按3键进入“设置速度”，此时用数字键输入需要的运行速度后，按确认键确认。归零速度设置：在进入参数设置后，按4进入归零速度设置，此时用数字键输入需要的归零速度后，按确认键即可22。启动速度设置：启动速度是指步进电机运行时的起始速度，本参数的设定是为了提高系统的运行速度，改善高速运行时的启动工作状态，一般启动速度的设置应低于运行速度的设置值。进入参数设置后，按键换屏，再按9键，进入启动速度设置，这时只要用数字键输入需要的启动速度，按确认键即可。加速度设置：加速度设置是指步进电机运行速度从启动速度到运行速度的速度变化率，加速度分9级，数值越大加速度越小，可根据步进电机的实际运行情况进行设置归零操作：SC100步进电机控制器具有自动产生虚零的功能，SC100步进电机开启电源后，先显示屏上的各个坐标都显示000000，由于电动位移台的工作位置处于不确定状态， X坐标的归零了，归零运行时X轴的光电开关检测到信号时，根据控制器内部的设定参数自动产生虚零点，并将X 轴的位移量清零。显示为X=000000。同理，可以对Y，Z轴的坐标进行归零。方向设置：手动工作方式时SC100步进电机控制器的运行方向由+，-符号决定，当按“+”键时，运动方向选择正，步进电机控制器控制电动位移台由低端向高端运行。当按“-”键时，运动方向相反。位移量设置；如果要把电动位移台移动到指定位置，首先应实现归零操作，然后用坐标选择键X，Y，Z选定运行的坐标轴。设置好运行速度，启动速度等 参数后计算并设置位移量，位移量=目标位置-当前位置，当计算值为正时，运动方向选择“+”；计算结果为负，运动方向选择“-”，并按确认键确认23。运行中的速度设置：即使在运行中，SC100步进电机控制器也允许对速度进行调整，如果在运行过程中用户觉得运行速度不合适，可以按 或提高或者降低运行速度，将速度调整到一个合适的水平。3.5 数据采集目前，数据采集技术在航天、航空、军事、汽车、电信、医疗、勘探等各领域得到了非常广泛的应用，并且随着计算机技术的不断更新换代，数据采集技术也迅猛发展起来。基于计算机技术的数据采集技术起硬件核心部分就是数据采集卡，一般的数据采集卡都具有最基本的功能将模拟信号转换成数字信号24。实物如图所示图3.15 PMD-1208LSPMD-1208LS 硬件技术指标：12位、8路单端或4路差动的模拟量输入10伏的模拟量输入范围具有可编程放大器，增益为 1，2，4，5，8，10，16 或 20倍采样速率:可高达8K赫兹（在4K缓冲区读模式下）或 1.2K赫兹（在连续读模式下）支持软硬件定时采样。20个数字输入输出口（每个口的速率可达到50赫兹）1 个32位计数器一个USB口可以连接4个PMD从而组成庞大系统百分之百的软件控制，没有任何跳线或开关不需要外部电源可在工业温度范围内使用(-4085)尺寸：80mm 82cm 25c软件说明:PMD1208LS USB口采集器有强大的软件包,接上就通,应用软件基本都有.数据记录仪软件示波器软件波形发生器软件XY绘图软件测控分析软件用户也能用V+,VC+自编程控制PMD采集器。支持第三方软件,Labview，Matlab，Snap-Master Softwir4 系统工作过程本设计采用光电探测原理对空间角度进行测量，系统需要操作的仪器主要包括光发射装置和光接收装置。光发射装置包括激光器，激光器导轨和精密转台。光接受装置包括四象限探测器，数据采集卡和计算机显示。1. 使激光束垂直也转台。把精密转台安装在测试架后，首先调节激光束的同轴度，打开激光器，旋转精密转台，如果激光束不在精密转台中心且和转台的轴线重合，就会跟着转台的旋转而旋转，此时可以调节激光发射器的调节螺栓和精密转台的俯仰调节螺栓，直到激光束不是旋转而是汇聚于一点时，激光束就垂直于转台25。2. 使回转体构件的轴线与精密转台垂直。当激光束垂直转台后，把激光器固定，激光发射方向与转台垂直。把激光束与转台固定在一起，调节精密转台的X，Y方向调节螺栓，使激光束通过两个十字分划镜，这两个十子分划镜分别为理想回转体构件的两端中心。当转台中心发出的激光束和回转体构件的中心三点共线，则回转体构件的轴线与精密转台垂直。3. 使射到四象限探测器的激光束与回转体构件的轴线平行。当激光束和回转体构件的轴线重合后，把激光器沿导轨移到理想回转体构件的半径处，在理想回转体构件凸台上安装一个反射镜，且使反射镜和四象限探测器在同一个半径上。凸台在加工时精度要求和回转体构件 轴线垂直，反射镜轴线与回转体构件轴线平行，此时从激光器发射的激光束射到反射镜上，利用自激光准直原理，当激光器的入射光与反射光重合时，射到反射镜的激光束就与回转体构件的轴线平行。则测量时射到探测器上的激光束与回转体构件的轴线平行。4. 上面三步完成了对发射装置的调节，在安装四象限探测器前先对探测器的性能进行检测，给四象限探测器QP506SD的PAD1加偏置电压，实验时选择+5V。PAD2为（V3+V4）（V1+V2）的输出， PAD3为（V2+V3）（V1+V4）的输出，PAD4为（V1+V2+V3+V4）的输出。此三路信号与数据采集卡29。PMD-1208LS连接。PAD5加+15V，PAD6接地，PAD7加15V。把PMD-1208LS通过数据线与计算机相连，把激光束射向四象限探测器，三路信号的输出通过计算机软件的实现能从显示器上直接读出，当无激光照射时，理想情况是PAD2和PAD3输出为0，但由于制作工艺和背景光的影响，PAD2的输出为0.002，PAD3的输出为0.001。5. 检测后把四象限探测器安装在理想回转体构件的两点处，把精密转台和步进电机控制器连接，此时就可以进行测量了。用SC100控制器启动步进电机，此时显示PAD2的输出为0.002， PAD3的输出为0.001， PAD4为（V1+V2+V3+V4）的输出，由PAD4判断是否激光束照射到四象限探测器的中心，对于四象限探测器，PAD4显示为0 有两种可能。此时可以读出电机转过的精确角度。5 误差因素分析本设计中的误差主要包括四象限探测器误差，激光束是否垂直与精密转台所造成的误差，以及机械装配所造成的误差。其中四象限探测器的误差影响因素主要有背景光、探测器的暗电流及噪声、放大器的噪声等28。1. 背景光的影响。背景光对探测器的影响是非常大的。背景光中含有各种波长的光，探测器不仅对某一波长的光有响应，而且对附近波长的光也有响应。由于激光比较弱，相应的放大器的放大倍数就比较大，探测器的探测到有用光的同时也探测到无用的背景光，送入放大器一起放大。这对目标方位调整有一定的影响。实验证明，晚上比白天工作效果好。解决背景光的一个有效措施是对激光进行调制。我们在白天做实验时采取了一些光学措施，较好地解决了问题。在实验中得出：当激光束照射到探测器的中心时，探测器的输出信号并不为0，PAD2的输出为0.002，PAD3的输出为0.001。由于系统中精密转台的旋转起停就是又PAD2及PAD3的输出来判断的，所以此误差因素可以通过软件来消除，只要把两路信号的判断条件分别由0修正为0.002和0.001即可29。2. 四象限探测器。四象限探测器是在一个光敏面上用十字沟道隔成四个象限的。十字沟道是盲区，其聚焦太小时，就可能落在盲点上造成错误判断。四象限算得的位置偏移和光斑中心位置的线性程度受光斑大小和形状的影响，束斑半径取r=R/2，R为四象限光敏面的半径30。3. 激光束的同轴度误差。测试过程中要求激光束垂直于精密转台，激光束的同轴度可以有实验测出。把激光束的长度L和旋转的半径R可以测出，则同轴度可得出31。如图所示： 图5.1同轴度误差 （10） 激光束的同轴度误差主要在沿理想回转构件的切线方向上引起误差，当激光束有一的偏差时，对测试转角引起的误差由以下公式得到： （11） 其中：为理想回转体构件的长度，为理想回转构件的半径，为同轴度引起的误差32。4. 精密转台的误差 精密转台是一机械装置，在运转时急停有惯性。照在探测器上的光点比较小，探测器对位置的偏差很敏感，这就造成精密转台有时来回振动，测量系统探测的光斑也就来回摆动，影响了测量。本设计选用的是北京光学仪器厂的MRS102，其重复定位精度小于0.00533。6 结论与展望 本课题用光电测试法解决了空间角度测试问题，精度高、响应速度快，并且激光信号抗干扰能力强。在