（精密仪器及机械专业论文）基于光电自准直的二维小角度测量技术研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着工业生产和科学技术的发展，在机械、光学、航空、航天、航海等领域 对小角度测量技术提出了高精度和新方法的要求。二维小角度的测量方法很多， 本文是基于自准直法对二位小角度测量进行研究。 考虑激光具有良好的准直性，目前，目视的自准直法开始被激光准直的方法 取代。但激光准直对二维小角度的测量还存在许多技术上的问题。一是受电源噪 声、电路及外界环境干扰，测量的精度难以提高；二是测量仪器所占空间较大， 比较笨重；三是对激光信号的处理还存在诸多的难点。 针对上述技术难题，本文研究内容及创新主要如下： 基于自准直的原理，在设计一定光路的基础上，选用偏振分光棱镜、1 4 波片、 聚焦透镜、高灵敏度的四象限探测器( q p d ) ，研制了激光自准直的光学测量装置， 具有结构紧凑特点。 为了消除低频环境噪声与电噪声的影响，提出采用交流调制，对半导体激光 进行正弦调制的思想。设计了一种应用晶振分频加多次带通滤波产生高幅值稳定 度和高频率稳定度正弦信号的方法，并进行了相关的理论分析。实验分析表明： 该信号用于激光器，使四象限硅电管得到的信号与激光器信号具有良好的线性关 系。 考虑到外界噪声干扰与运放自身引入电压偏置等因素的影响，使信号产生偏 移，本文设计了专门交流放大电路来消除这些影响。交流调制虽然能够保证很高的 测量精度，但在后续的处理电路中要求进行相敏检波。本文针对目前相敏检波电 路的不足，采用有源全绝对值电路检波的方法对信号进行处理，详细论述了其原 理、优势，以及设计参数等。 针对测量系统，对信号处理电路、a d 转换电路和液晶显示从硬件设计到软件 开发进行了详细的说明。结合电路的合理布局与布线、电子元器件的选择与安装、 电路的调试等方面的考虑，设计了系统电路。 最后，对测量仪的特性及误差进行了分析。实验数据表明该测量仪线性度、 重复性好，测量精度高。测量范围为一3 0 0 ” - - - - + 3 0 0 ”，精度为o 0 3 ”，达到了预期的 测量目的。 关键词：激光调制，二维小角度，自准直，绝对值检波，单片机 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a n yf i e l d sl i k em a c h i n e r y ，o p t i c s ，a e r o n a u t i c s ，r e q u i r et h eh i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g ya n dn e wm e t h o d s t l w o d i m e n s i o n a ls m a l la n g l ed e t e c t i o nh a sm a n y m e t h o d s t h i sa r t i c l ei sb a s e do na u t o c o l l i m a t i o nt od e t e c tt w o - d i m e n s i o n a ls m a l l a n g l e c o n s i d e r i n gl a s e rc o l l i m a t o rh a sag o o dn a t u r e ，v i s u a ls e l f - c o l l i m a t i o nm e t h o dh a s b e e nr e p l a c e db yl a s e rc o l l i m a t o r ，a tp r e s e n t b u t ，t h e r ea r es t i l l m a n yt e c h n i c a l p r o b l e m si n t h em e a s u r e m e n t f i r s t ，i ti sd i f f i c u l tt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n tb e c a u s eo ft h ep o w e rs u p p l yn o i s e ，t h ec i r c u i ta n dt h ee x t e r n a l e n v i r o n m e n ti n t e r f e r e n c e ；s e c o n d ，i n s t r u m e n ti st o ob i ga n dh u l k i n g ；t h i r d ，t h e r ea r es t i l l m a n yd i f f i c u l t i e st op r o c e s s i n gl a s e rs i g n a l t h er e s e a r c ha n di n n o v a t i o nc o n t e n ta r ea sf o l l o w s ： t h i st h e s i sd e v e l o p e dal a s e rc o l l i m a t o ro p t i c a lm e a s u r i n gd e v i c e ，b a s e do n s e l f - c o l l i m a t i o np r i n c i p l e ，b yd e s i g n i n gac e r t a i no p t i c a lp a t ha n dc h o o s i n gp o l a r i z a t i o n b e a ms p l i t t e rc u b e ，1 4w a v ep l a t ea n df o c u s i n gl e n s ，h i g hs e n s i t i v i t yf o u r - q u a d r a n t d e t e c t o r ( q p d ) ， i no r d e rt oe l i m i n a t el o w f r e q u e n c ye n v i r o n m e n t a ln o i s ea n de l e c t r i c a ln o i s e ， p r o p o s ea cm o d u l a t i o nm e t h o dt os e m i c o n d u c t o rl a s e r b a s e do nt h i st h o u g h t ，a p p l y c r y s t a la n db a n d p a s sf i l t e rt om a k es t a b i l i t yh i g ha n da n a l y z et h er e l a t e dt h e o r y e x p e r i m e n t a la n a l y s i ss h o w e dt h a t ：t h el a s e rs i g n a li sl i n e a rt ot h eq p ds i g n a l c o n s i d e r i n gt h eo u t s i d en o i s ei n t e r f e r e n c ea n da m p l i f i e r o f f s e te f f e c t ，t h i sp r o j e c t d e s i g n e das p e c i a l i z e da ca m p l i f i e rc i r c u i t a l t h o u g hm o d u l a t i o nc a ne n s u r eh i g h m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，t h ef o l l o w u pt r e a t m e n tc a l l sf o rd e m o t i o n i nv i e wo ft h e d i s a d v a n t a g eo ft h ea b s o l u t ev a l u ed e m o t i o n ，a d o p tt h ee n t i r ea b s o l u t ev a l u ed e m o t i o n c i r c u i tt od e a lw i t h t h i sa r t i c l ed i s c u s s e di t sp r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e s ，a sw e l la st h e d e s i g np a r a m e t e r si nd e t a i l t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l eo fs e l f - c o l l i m a t o r , s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，a d c o n v e r t e rc i r c u i t sa n dl c dd i s p l a y , f r o mh a r d w a r et os o f t w a r e i ta l s od e s i g n e dt h e s y s t e mc i r c u i t ，c o m b i n e dw i t ht h er a t i o n a ld i s t r i b u t i o no ft h ec i r c u i tw i r i n g ，e l e c t r o n i c c o m p o n e n t sa n dt h ec h o i c eo fi n s t a l l a t i o n ，c o m m i s s i o n i n go ft h ec i r c u i t a tl a s t ，t h i st h e s i s a n a l y z e dt h e i n s t r u m e n t sc h a r a c t e r i s t i c sa n de r r o r t h e e x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a tt h ei n s t r u m e n t l i n e a r i t ya n dr e p e a t a b i l i t ya r eg o o d ；t h e m e a s u r e m e n t a c c u r a c yi sh i 曲n em e a s u r i n gr a n g ei s - 3 0 0 ” - + 3 0 0 ”a n dt h ep r e c i s i o n i s0 0 3 ”w h i c ha c h i e v e dm e a s u r i n gt h ed e s i r e dp u r p o s e k e y w o r d s ：l a s e rd e m o d u l a t i o n ，t w o - d i m e n s i o n a ls m a l la n g l e ，a u t o c o l l i m a t i o n ， a b s o l u t ev a l u ed e m o d u l a t i o n ，s i n g l ec h i p 溯班二堂大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：( ，盯：匆锻 日期叫年厂月2 7 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 0 0 1 言 幽 御一0 0 2 00 0 0 0 20 0 0 0 40 0 0 0 60 0 0 0 80 0 0 1 时间幽 图3 4 激光交流输入与交流输出曲线 对图3 4 的分析均表明：光电输出信号与输入信号之间具有恒定的相差，其 中输出与输入之间良好的椭圆关系啪3 ，表明输出信号具有良好的正弦性。 在实验分析的整个过程中没有发现输出信号幅值的变化。 3 2 2 输入输出信号的幅值与相位的准确计算 既然在固定频率信号的激励下，激光器能够产生幅值稳定、相差恒定的同频 率光强信号，那么就可以用在该频率上具有同样特性的传递函数来等效激光器与 光电池光电转换输出的特性。为此，必须首先精确计算输入与输出信号的幅值与 相差。 假设加载激光器两端的电压信号为一带偏置的正弦输入信号： 石o ) = d ，+ a is i ( 2 刀r t ) ( 3 1 ) 其中，为加载信号频率。 那么，光电转换输出信号也为一带偏置的正弦信号： y o ) td o + 彳。s i n ( 2 7 驴+ 妒) ( 3 2 ) 对激光输入电压与光电转换输出电压的交流成分同步采集，假设采样频率为 氕，那么得到采样序列为： 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 不考虑量化误差的影响，通过公式( 3 3 ) 首先计算信号幅值4 、a 。： 根据正弦信号的正交性，根据公式( 3 - 4 ) 进一步计算相差 s f ! 鳃掣 ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 由于实际采样数据量不可能无穷大，为了尽量减少误差，n 的取值非常关键。 理论证明在采样数据量相当的情况下，如果采样长度为信号周期整数倍，应用公 式计算参数4 、a o 、驴所得误差最小。 根据前面的计算分析，已知信号频率，一5 4 0 0 h z ，其精度很高。为了准确得 到参数的值，应用采样间隔严格的数据记录分析仪a r i1 0 0 ，其采样频率为1 0 0 k ， 采样数据量为8 0 0 0 时，选n = 8 0 0 0 ，即4 3 2 个信号周期时，计算图所示的4 f 、4 、 驴： f a i 20 0 3 4 3 v a o = 0 0 4 5 0 v ( 3 - 6 ) l 9 = 2 7 9 8 5 根据上面的计算结果，建立一个频率等效传递函数。 为了得到最简单的模型，应用一阶惯性系统d u 等效： g ( s ) 。圭 ( 3 7 ) 口? t - 上 按照一阶系统的相频特性，可以得到如下公式： 经过计算可得，七：一1 3 8 1 2 3 5 ， 所以最终等效传递函数为： t a n 够 f = 一 。l ( 3 8 ) 砉厨丽 叫哪 f 一9 7 0 4 1 0 击。 1 4 - 、缈 堡六一，一， 似v 堡丘 r ， l，一 鳓 n 4 “ 、l _ - ， ； 卜 x 仅 仁忙一，一广 一。荟一。荟 一2一n一2一厅 一雪一量 厂p厂nv 4 以 湖北工业大学硕士学位论文 g g ) ；一菇面1 3 丽8 1 2 3 5 3 3 高稳定度的正弦激励信号的产生方法 ( 3 9 ) 论文采用的调制方法是交流调制，即在整个的电路设计中都是针对交流信号 的，所以对交流信号的品质有很高的要求，如何产生高稳定度的正弦激励信号就 显得很重要。 首先利用晶振、分频器s n 7 4 h c 4 0 4 0 得到方波信号，依据方波信号的傅里叶 级数展开公式m 1 ： 州= 等+ 孚( 咖r o t 一1 3 s i n 3 t o t + 扣一一) 泞 利用多次二阶带通滤波，得到高稳定度的正弦信号。 3 3 1 方波信号源的产生方法 对于频率单一稳定的信号发生，最理想的是石英晶体振荡器口5 堋，石英的物理 特性十分稳定，而且品质因数高，选频特性好，波形失真小，在一2 0 c - - 一6 0 c 的范 围内其频率的稳定度可以达到1 0 。7 ，有源晶振的频率稳定度更是达到了1 0 4 数量 级，所以电路采用了由有源晶振和计数器构成信号源，如图3 5 所示： 信号 图3 5 方波信号产生电路设计 这里选用的是频率为1 1 0 5 9 2 m h z 的有源晶振，利用1 2 位二进制计数器 s n 7 4 h c 4 0 4 0 进行2 0 4 8 分频，则可以得到频率为5 4 k h z 的方波信号。 3 3 2 带通滤波电路 有了稳定的方波信号后，要想得到正弦信号必须消除其中的高次谐波，在经过 湖北t - 业大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! l 1 1 1 一= i ! ! ! 苎! ! ! 苎 比较后选择用带通滤波( 如图3 6 ) 来对高次谐波、高频噪声以及低频噪声进行滤 除3 。 r 办咐 图3 6 二阶r c 有源带通滤波器 制盘； 浯 彳( _ 甜) 巡避 ( 3 _ 1 1 ) 1 + j 口竺+ fj 旦1 式中：t o o 、口、彳吖分别是滤波器的谐振角频率、阻尼系统和集成运放的闭环增益， 可以从以下各式求取： 口= 藤晤限1 + 警悯矧】 仔 c o o 。 ( 3 - 1 3 ) 彳“- 1 + 坐 ( 3 1 4 ) 1 月5 根据式( 3 - 1 1 ) 画出的幅频特性曲线如图5 4 所示。由图可知当一时，二 阶带通滤波器的增益最大，称为带通滤波器的中心频率，即带通滤波器的中心 频率等于其谐振频率。频率特性与品质因数q ( = 1 口) 有关，当中心频率一定时， 品质因数q 越大，特性曲线越陡直，表示滤波器的选择性越好。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 图3 7 二阶带通滤波器的幅频特性曲线图 令其中r 1 = r 2 = r = 9 1 k q ，r 3 = 2 r = 1 8 k f f 2 ，r 。一r = 1 0 k q ，r ，= 1 8 k q ， c l ；c 2 = c 一3 3 n f ，则式( 3 1 1 ) ( 3 1 3 ) 可简化为： 劬小际瓢h a 习l 函 2 丽 口。去；3 一如 口l 一# j 一以。 q 岬 ( 3 - 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 由式( 3 1 5 ) 可见，当甜一o ) o 时，彳( ，) 的模最大，称一0 9 0 时的陋( ，甜) i 值为 带通滤波器的通带增益a 。，即 a = i a u 石f 础小一h o k 1 ( o - 一针1 1 7 ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) 湖北工业大学硕士学位论文 】= 名 ( 3 2 1 ) 因此从式( 3 2 0 ) 中可以求出带通滤波器的截止角频率，。和p ：为： 一警 腼一( 3 一如) ( 3 - 2 2 ， 嘞z 警 腼+ ( 3 喝) 】 仔2 3 ， 而带通滤波器的通带宽度 a e o = o ) p 2 一( - ) p 1 = 【3 一a 矿) 5 0 0 ( 3 2 4 ) 上式又可改写为： 鲤。上；q ( 3 2 5 ) 一目一目i ， 1 一 3 - a “， 式( 3 2 5 ) 表明，带通滤波器的品质因数q 等于中心频率与通带宽度a w 的比值。 在一定时，q 值越大，则a w 越窄，说明滤波器的选择性越好。 通过上面的式子可以得出集成运放的闭环增益为如；2 8 ，那么此时的品质因 素q = 5 。为了得到效果好的正弦信号，仅仅做一次带通滤波是不够的，这里就再 经过一次品质因数为2 的带通滤波器来进行巩固。由于滤波器的放大，为了避免后 续电路的失真，在经过第一次滤波器前做一个低通滤波，既可以滤波又可以不改 变幅值。 图3 8 是第一次滤波后的信号与方波信号的仿真效果图，图3 9 是经过实验数 据采样后的实际波形图，可以看出方波信号源的高次谐波分量被消除了很多，但 是这样得到的正弦信号不是很理想，用肉眼很难分辨该正弦信号的好坏，于是将 采样得到的信号数据与其自身进行椭圆拟合，如图3 1 0 所示，可以看到此时的椭圆 并不是很理想，说明正弦信号还是有较大的失真。 1 8 滋b l 。5 言 。 蓦 r j o _ 图38 第一次滤波后的信号与方波信号的比较 厂、厂八厂、八p 1 0f 。枷卜卜fe 。”m 1 ，o f - c 1fi 1fi f vvv v v 朵种自1 鞭 图39 实际波形效果 ，一一一一一?”、。 f。：、 2。1 5 1 “5 。”5 t l - 图3i f ) 第一次滤波后椭圆拟合罔 湖北工业大学硕士学位论文 那么经过第一次和第二次滤波后，仿真出来的信号如图31 1 所示，其中a 是第 二次滤波后的信号，b 是第一次滤波后得到的信号。图31 2 是实际波形图，从图巾 可以看出虽然在进行带通滤波前有经过分压电路，但信号还是被放大了，这是带 通滤波的电压通带增益造成的。 言 口 图31 1 第一次滤波和第二次滤波后信号比较 m 弋瓜限爪a 、 拶妒伊泸 图31 2 两路信号的实际波形比较图 可见，仿真电路得到的波形和实际的波形的差别还是很大的，这主要是因为 在仿真的过程中使用的都是理想元器件，但是在实际电路中的元器件很难达到那 么高的精度。 图31 2 所示的两个信号的好坏并不能很直观的从仿真图或者是实际的波形图 湖北工业大学硕士学位论文 上看出来，所以还是对实验数据进行采样分析，同样利用椭圆拟合的概念对第二 次滤波后的信号进行处理，于是得到图3 1 3 。 玑可 。 厂0 n 4jj 、j ， 一 旧弋_ _ - 0 ；一i 0 2 6 o 卜i 一 图3 1 3 弟二次滤波后椭圆拟合图 比较图3 1 0 和图3 1 3 ，可以明显看到椭圆要平滑很多，这说明第二次滤波后 比第一次滤波后的正弦信号的效果要好很多。 通过实验数据分析，可以充分的证明用这种方法得到的正弦信号的失真度很 小，且频率和幅值的稳定度很高，保证了测量系统的精度。 3 3 3 正弦信号失真度分析 已知方波信号傅立叶级数展开级数为： 州一鲁+ 警( 咖耐一j 1 咖3 耐+ 扣一) 仔2 6 ， 第一次经过品质因数为5 的带通滤波后信号变为： u o ) = 警 s i l l 以一嘉s ；d 姒+ 僻) + 丽1s ；n 缸+ 1 ( 3 哪) 第二次带通滤波后： 圳= 警卜一去s ；枷训+ 去s ；渤+ 】 净2 8 ， 第三次带通滤波后： 础) 一等【s i l l 耐+ 志s ；n 陆惕) + 去s t n 5 耐+ 】 净2 9 ， 忽略掉5 次谐波对最后正弦信号的影响，那么3 次谐波的幅值为： 彳= 击s i n ( 3 耐+ 驴3 ) ( 3 3 0 ) 3 1 5 、。7 2 1 湖北5 - 业大学硕士学位论文 失真度为： 一，0 1 9 1 4 - - - - 2 0 l g 志一8 0 拈 ( 3 _ 3 1 ) 而实际应用中是难以达到这么高的精度的。 3 4 本章小结 激光器的使用实现了非接触测量，因此研究激光器的特性非常重要。本论文 的创新点在于使用了交流调制的方法，即给激光器加载具有一定偏置电压的交流 电压。本章详细介绍了激光器静态、动态加载特性、交流电压信号的产生方法及 如何提高正弦信号的品质。 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章光电信号的接收与处理 图4 1 为光电信号的接收与处理2 3 3 1 框图： 图4 1 信号处理框图 4 1 电流电压转换电路及参数选择 光电池可以将光信号转换成电流信号，需要通过电流电压转换电路如图4 2 所示将电流信号转换成电压信号，方便后续电路处理。 湖北工业大学硕士学位论文 图4 2 电流电压转换电路图 通过分析这个电路图4 2 可知，输出的电压值yt 一豫，输出电压值v 与i 的值是相反的，所以从四象限上采集到的输出的数据就是负值。在频率一定，激 光器的光强也不变的情况下，输出电压值v 的绝对值与足成正比例关系。r 的值 越大，v 的值也越大。 从仪器的测量精度分析，理论上要想提高测量精度，则可以采取提高放大倍 数来达到，但放大电路的引入势必带来直流漂移和相差。如果通过增选取较大的 r ，既可以起到放大的作用也可以避免上面提到的问题。当然r 也不能太大，如 果太大会是总光强饱和，选取合适的r 非常重要，通过实验验证，选取1 0 0 k 的足 较为合适。 4 2 光电信号的放大 经电流电压转换后，输出是含直流成份的交流电压，需要在放大过程中滤掉 直流成分汹1 。实验采取了几种方案进行对比，根据实验方案采用放大倍数为1 0 倍。 方案一： c 1 一 r 1 图4 3 方案一 其中，r l = 3 0 k ，c 。= 0 1 u f ，c 2 = o o l u f ，此放大电路理论上可以对交流 湖北工业大学硕士学位论文 信号很好的放大1 0 倍，同时可以抑制前面电路的直流成分。但在实际电路中并没 有达到此效果且发生振荡现象。 经分析，此电路的传递函数和增益分别为： h ( j ) = 丽j t o r l c , ( 4 一1 ) 彳( 叻2 面w 蒸r 1 c 霹1 做出a f 曲线图，如图4 4 所示： 11 0 0 12 0 0 13 0 0 l4 0 0 15 0 0 16 0 0 17 0 0 18 0 0 19 0 0 1 频率f h z ： ( 4 - 2 ) 图4 4a - f 曲线图 由图4 4 可知此电路对频率1 0 0 0 h z 以上的信号均具有1 0 倍的放大，所以需 要改进电路，使之仅对5 4 0 0 h z 的信号放大，于是设计出了方案二。 方案二： 刚 c 1 川卜一 图4 5 方案二 其中，r ，一5 1 k ，r ：一5 6 k ，c 1 一o 0 1 u f ，c ：；0 3 ，l f ，要求此电路仅对频率 为5 4 0 0 h z 的信号放大约1 0 倍，且放大后的信号基本不发生相位的改变。 经分析，此电路的传递函数和增益分别为： 2 o 8 6 4 2 o 籁逛k 校 湖北工业大学硕士学位论文 h ( j ) = 面i 砾j 蕊t o r 2 f c , 丽 彳( 叻2 而i 雨w r 丽z c , 藏 做出a 一，曲线图，如图4 6 所示： 糕 遥璺 必 辎 1 0 ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 1 0 01 0 0 01 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 频率f i - i z 图4 6a - f 曲线图 图4 6 显示，此电路对频率为5 4 0 0 h z 左右的信号具有很好的放大作用，而对 其他频率并没有多大的放大，满足要求。 4 3 检波方法 4 3 1 绝对值检波 表示两个方向角度的信号x s i n ( 耐) 、y s i n ( 耐) 均为正弦信号，需要将此信号变 成可读的信号。这里是通过绝对值检波电路和低通滤波电路啪一钔的联用来实现的。 就一个方向的被测信号x s i n ( a 牙) 而言，取激励信号为a s i n t o t ，绝对值检波的 原理如下，检波后的输出信号为： x o ) = l a s i n a g + x s i n t o t i _ a s i n t o t x s i n e a t i ( 4 5 ) x ( f ) ，2 x l s i n r o t i ( 4 - 6 ) 其中x 的符号可以表示角度的旋转方向。 绝对值检波信号如图4 7 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 1 5 1 0 5 o 出0 羽 - 0 5 1 l 0 5 之 0 o 器吨5 - l - 1 s ( a ) 采样点个数 ( b ) 图4 7 绝对值检波信号 低通滤波后的信号如图4 8 所示： 采样点个数 ( a ) 2 7 0 432 数字检波 采样点十数 【b ) 剧48 低通滤波后的信号 绝对值检波电路要求，所取参考信号的幅值大于被测信号的幅值且被测信号 不能饱和，这在一定程度上限制了被钡4 信号的测量范围。这里可以采用数字检波 的方法，得到更大范围的测量。 假发参考信号的电压为s = s i n ( o r ，被钡4 信号为x a ( o s i n “，其中a ( t ) 为角 度变化的函数。 图49 为被测信号与参考信号的椭圆拟合图，每个椭圆的近似斜率满足a ( t ) 晒数的性质。 图49 被测信号与参考信号的椭圆拟台图 d 0 0 0 o 0 0 0 o 44 角度标定 4 41 标定装置简介 角度标定机构是一个小角度发生器，小角位移发生器的工作原理足出压电陶 瓷驱动产生直线位移”，光栅对位移量进行计麓，位移绎平台由滚珠传递给悬臂 粟，促使悬臂粱发生旋转，产生小角度。 幽4 1 0 微角度发生器 如图41 0 小角位移发牛器町以分为两个部分：驱动部分和计量部分。驱动装 置是通过给压电陶瓷两端输入电压，逆压电效应使其伸长，推动铰支结构产生位 移。光栅计量”1 是通过半导体激光器发出激光，激光经过定、动光栅产生十涉条 纹，干涉条纹由凹象限光电接收板进行接收处理。由于定光栅固定在基座上，动 光栅固定在平台上，随平台一起移动，光栅干涉条纹也发生移动。通过对干涉条 纹的处理，计算平台的位移量“”。最后通过平台的位移量与接触点的位置关系， 计算出悬臂梁的旋转角度。 如图41 1 为角度标定机构的模型： 湖北工业大学硕士学位论文 绕度绕曲线方程 端截面转角口 最大绕度厶 由上式可以得 图4 11 角度标定机构角度计算模型 y 一一壁6 e 1 向一x ) 、， 卟一篆 厶；一面p 1 3 f 尹j 2 巾b l i 为薄梁的转矩e 为薄梁的弹性模量 厶是已知量，压电陶瓷的位移量 ( 4 - 7 ) ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 一l o ) 4 4 2 硬软件部分 软件编程使计算机通过数据采集卡输出卜4 卜0 的电压，电压以0 1 v 递增 或递减，进入计算机输出电压界面如图4 1 2 所示。 兰一：互刖 “生 产旦j 蚓l 蛐蛆 d m 图41 2 计算机输出冲击相应电压界面 高压驱动电路”将计算机输出的低压信号转变成高压信号，驱动压电陶瓷产 生位移。压电陶瓷选用的型号及参数如表4 1 所示： 表4l 压电陶瓷型号及参数 高压驱动电路如图41 3 所示 罔41 3 高压驱动电路 竺 黼 叫嚣园 湖北工业大学硕士学位论文 443 标定结果 通过对干涉条纹的处理，计算平台的位移量，进而计算出相应的角度，以此 同时利用p c i1 7 1 6 采集输出电压，电压每增加01 v ，采集卡采集5 0 0 0 个数据， 然后对这5 0 0 0 个数据求平均，保存浚数据。进入采集数据界面如图41 4 所示， 最终得到输出电压与角度的对应关系，如图4 1 5 所示。 图41 4 数据采集界面 角度，“ 图41 5 标定结果 湖北工业大学硕士学位论文 4 5 角度显示 绝对值电路和低通滤波电路得到模拟信号，对该信号先通过a d 转换芯片 a d s 7 8 4 1 转换成数字信号，最后根据标定结果显示在液晶芯片s m c l 6 0 2 上显示出相 应的角度。 如图4 1 6 为液晶显示部分，单片机8 0 5 1 控制a d s 7 8 4 1 完成a d 转换，而 s m c l 6 0 2 a 完成角度显示。 ， 韩 霉 尉m 舢啪t 巧 + 篓9 嘿1 1 6 百d c i i 淤； p m姗 剪d d 瑚， d 舯鳓l j 一 斟篆 ；熙篡甫蒜：! ； p l l肿l 孙d n d b l8 d 射啪 2 p u嘲 ”d 船d 珀9 d 船 育- o = ：= 1 3 嘲胃 瓣、3 6d b 3