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一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置及其方法

文檔序號:5890978閱讀:365來源:國知局
專利名稱:一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種用于測量平面鏡擺動姿態(tài)的方法及其裝置,屬于光電測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
目前現(xiàn)有技術(shù)中比較先進(jìn)的平面鏡擺動姿態(tài)檢測裝置,大都基于光學(xué)干涉測量原理,利用該原理制成的測量裝置,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大,使用起來不夠靈活;傳統(tǒng)的平面鏡擺動姿態(tài)檢測裝置是光電自準(zhǔn)直儀,光電自準(zhǔn)直儀一般采用普通白熾燈泡作為光源,光源發(fā)熱經(jīng)常帶來儀器機(jī)械變形和熱漂移,并且其結(jié)構(gòu)中的振子狹縫環(huán)節(jié)也帶來了不穩(wěn)定的因素,高精度的光電自準(zhǔn)直儀體積也比較龐大;有的利用光電自準(zhǔn)直儀的測量原理,以線陣CCD作為檢測元件,進(jìn)行二維角度的測量,如“線陣CCD用于二維小角度測量的研究”(航空計量技術(shù),1997,18(1),3-6),采用該方法雖然處理電路簡單,速度快,但儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜;總之,上述這些測量方法及裝置用于測量平面鏡的擺動姿態(tài)時,結(jié)構(gòu)比較龐大,安裝調(diào)整起來比較繁雜,當(dāng)檢測裝置的測量傳感器的軸向尺寸小于30mm時,不能達(dá)到小于一角秒的測量精度。
現(xiàn)有技術(shù)中也有利用光電自準(zhǔn)直儀的測量原理,用位置靈敏探測器PSD(PositionSensitive Detector,簡稱PSD)作為檢測元件來測量二維小角度的,如“利用二維PSD器件測量小角度的研究——一種新型的自準(zhǔn)直儀”(現(xiàn)代計量測試,2001,2,40-43),其測量儀器結(jié)構(gòu)比較小巧,但是由于其模擬信號處理部分采用了模擬除法器電路,其模擬輸出信號的穩(wěn)定性和精度也不高。
因此,研制一種小巧、簡易、方便并且穩(wěn)定性和可靠性較高,測量精度優(yōu)于一角秒的平面鏡擺動姿態(tài)測量裝置,在科學(xué)實驗中將會用途廣泛,解決一些實際問題;并且利用該裝置也可以比較方便地進(jìn)行一些目標(biāo)檢測的研究,在科學(xué)研究和工業(yè)測量上有很大的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量平面鏡擺動姿態(tài)的方法及裝置,更確切地說是提供一種結(jié)構(gòu)小巧,安裝測量方便,穩(wěn)定性和精度都比較高,并且能夠快速檢測平面鏡擺動姿態(tài)的方法及其裝置。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測方法,其特征在于該方法包括如下步驟a.用交流調(diào)制的方法驅(qū)動半導(dǎo)體激光器,使發(fā)出光強周期性變化的調(diào)制光,半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)整形準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄?,再?jīng)偏振分光棱鏡、1/4波片變成圓偏振光,入射到平面鏡上;b.平面鏡的反射光沿原光路返回,經(jīng)1/4波片后圓偏振光變?yōu)榫€偏振光入射到偏振分光棱鏡上,偏振方向偏轉(zhuǎn)90°,經(jīng)聚光透鏡后成像到四象限硅光電探測器的光敏面上;c.光電探測器的輸出信號由前置放大電路放大處理后,再通過和差計算處理電路,輸出反應(yīng)平面鏡在二維方位上擺動幅度的交變電壓信號;d.用鎖相檢測處理電路,將上面得到的二維方位上的交變電壓信號處理成兩個方向的直流電壓信號;這兩個直流電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī),通過固化在單片機(jī)中的軟件處理程序,利用上述兩個直流電壓信號和二維角度之間的計算關(guān)系式θx=a0+a1x+a2x2+a3x3θy=a0+a1y+a2y2+a3y3其中其中θx、θy為偏轉(zhuǎn)角度,x、y為采集的數(shù)據(jù),a0、a1、a2、a3為系數(shù),計算得到平面鏡的二維擺動角度的大小。
本發(fā)明的方法中所述光電探測器光敏面上的光斑半徑r的范圍為0.4 mm<r<0.5mm。
本發(fā)明提供的一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置,主要包括光電成像系統(tǒng)和以單片機(jī)為核心的二次處理儀表,其特征在于在所述的光電成像系統(tǒng)的光路中依次設(shè)有半導(dǎo)體激光器、對激光束準(zhǔn)直的整形準(zhǔn)直透鏡、偏振分光棱鏡、1/4波片,以及對從平面鏡反射的光進(jìn)行處理的聚焦透鏡和四象限硅光電探測器;所述二次處理儀表主要包括以單片機(jī)為核心的對光電探測器輸出信號進(jìn)行交流放大的前置放大電路、與前置放大電路輸出端相聯(lián)的和差電路、對和差電路輸出信號進(jìn)行處理的鎖相電路以及與鎖相電路輸出端相接的A/D轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點及突出性進(jìn)步本發(fā)明采用四象限硅光電探測器作為檢測元件直接用來測量平面鏡的擺動姿態(tài),測量原理比光學(xué)干涉方法簡單,測量裝置小巧;采用的光學(xué)系統(tǒng)能量利用率較高;采用交流調(diào)制電路驅(qū)動半導(dǎo)體激光器的輸出,利用鎖相檢測式的信號處理方式,有效消除了直流信號漂移的影響,提高了穩(wěn)定性和測試精度;測量裝置的測量傳感器的外型尺寸大小為Φ20mm×30mm,測量范圍為±30′,測量精度優(yōu)于0.5″;測量裝置小巧、簡單,可以很方便的應(yīng)用在科學(xué)實驗和工業(yè)測量中,對平面鏡的擺動姿態(tài)進(jìn)行在線測量。


圖1為本發(fā)明的測量原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的光電成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明的四象限光電探測器檢測原理圖。
圖4為輸出電壓信號和偏移量之間的關(guān)系。
圖5為本發(fā)明的以單片機(jī)為核心的信號處理結(jié)構(gòu)框圖。
圖6為本發(fā)明的整體處理電路及鎖相檢測式處理電路框圖。
圖7為本發(fā)明的單片機(jī)系統(tǒng)原理圖。
圖8為本發(fā)明的程序流程框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的測量原理、結(jié)構(gòu)和最佳實施方式。
圖1為本發(fā)明的測量原理示意圖,當(dāng)平面鏡7有一角偏轉(zhuǎn)θ時,照射到平面鏡上的激光束,經(jīng)平面鏡反射并聚焦到四象限光電探測器6上時,將有一偏移量S,偏移量S與平面鏡的角偏轉(zhuǎn)θ有如下的關(guān)系θ=12arctg(s/f′)≈s/2f′....(1)]]>其中,θ為平面鏡的偏轉(zhuǎn)角,S為像位移,f′為透鏡的焦距??梢匀菀椎臏y量出光斑圖像在四象限光電探測器上的二維位移Sx、Sy,進(jìn)而求得相應(yīng)的平面鏡二維偏轉(zhuǎn)角θx、θy,從而完成平面鏡擺動姿態(tài)的測量。
圖2為本發(fā)明的測量裝置的光學(xué)系統(tǒng)原理圖。半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光經(jīng)整形準(zhǔn)直透鏡2后變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)偏振分光棱鏡3、1/4波片4變成圓偏振光后,入射到平面鏡7上。平面鏡7的反射光沿原光路返回,經(jīng)1/4波片4后圓偏振光變?yōu)榫€偏振光入射到偏振分光棱鏡3上,由于此時線偏振光的偏振方向相對于初始時已發(fā)生了90°的偏轉(zhuǎn),該光不能再返回激光器,而是由偏振分光棱鏡反射出去,經(jīng)透鏡5聚焦到四象限光電探測器6上。
圖3為四象限硅光電探測器。當(dāng)光照到四象限的光敏面上時,四個硅光電管產(chǎn)生的電流分別為I1、I2、I3和I4,因此可用四象限加減法來求得光斑的空間位置即光斑中心(X,Y)X=kx[(I1+I4)-(I2+I3)]/∑I(2)Y=ky[(I1+I2)-(I3+I4)]/∑I(3)其中,∑I=I1+I2+I3+I4,kx和ky是常數(shù)因子.
假如光斑是光強均勻分布的圓斑,光斑半徑為r,可以推導(dǎo)出輸出電壓信號與光斑位移量的關(guān)系為Vx=Kx[1-2πarcsinr2-x2r2+2xπr2r2-x2]....(4)]]>Vy=Ky[1-2πarcsinr2-y2r2+2yπr2r2-y2]....(5)]]>圖4為依據(jù)上述公式,模擬計算出光斑在X向移動時,光斑偏移量和輸出電壓的關(guān)系曲線。由圖4可以看出,在光斑半徑取r=0.5mm、1mm、1.5mm、2mm時,光斑偏移量和輸出電壓信號之間的關(guān)系。在偏移量為半徑的0.6倍以下時,曲線基本是線性的,但對于精密測試來說,還是有一定的偏差,不能完全按線性來處理。由圖4還可以看出,探測器的靈敏度與光斑的大小有關(guān),光斑越大其靈敏度越低,雖然此時線性范圍大了,但不可取。為了得到比較好的測量效果,考慮各種綜合因素,本發(fā)明的光電成像系統(tǒng)中,取光斑半徑的范圍0.4mm<r<0.5mm。
圖5為本發(fā)明提供的測量裝置中的二次處理儀表的信號處理結(jié)構(gòu)框圖。高靈敏度四象限硅光電探測器6將接受到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后,經(jīng)過前置放大電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,然后送入和差處理電路求出X、Y兩個方向的交變電壓信號,該信號再經(jīng)鎖相檢測電路處理后得到X、Y兩個方向的直流電壓信號,將這兩個直流電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器件的輸入端,A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)由單片機(jī)采集,在單片機(jī)內(nèi)經(jīng)過計算處理后得到平面鏡的二維擺動姿態(tài)。
圖6為采用鎖相檢測的原理設(shè)計的整個模擬信號處理電路框圖。該電路可提高測量精度,并可抑制直流漂移。由本地振蕩器輸出的交變信號對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行調(diào)制,使其輸出光能隨時間變化的正弦交變信號。四象限探測器將調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換成電信號后,經(jīng)交流放大電路輸出各象限的電壓信號,然后通過加減法電路,得到X向電壓分量、Y向電壓分量。將這兩個電壓分量輸入到由高速模擬開關(guān)CD4066組成的檢相器。在檢相器里,輸入信號和參考信號進(jìn)行檢相比較。參考信號為方波信號,輸入信號為正弦信號。參考信號為高電平時,開關(guān)導(dǎo)通,檢相器輸出為正弦信號的半波波形,參考信號低電平時,開關(guān)斷開,檢相器輸出為零。輸入信號和參考信號都是由一個振蕩器產(chǎn)生的,它們的相位頻率相同。低通濾波器從頻率特性上說,有濾波作用,而從時間特性上,它是一個積分器。因此經(jīng)過低通濾波器積分后的輸出電壓為V0=12π∫0πEssin(ωst)d(ωst)=Esπ....(6)]]>式中,ωs為正弦交流信號的角頻率,Es為正弦交流信號的振幅大小。
由(6)式可知,輸出信號的直流分量只正比例于輸入信號的幅值大小。在本測試電路中,輸出信號正比于光斑在X及Y方向的偏移分量的大小。鎖相放大電路具有很高的信噪比,可以將淹沒在噪聲中的信號提取出來,大大提高儀器的分辨率。
圖7為單片機(jī)系統(tǒng)框圖。X向分量和Y向分量電壓信號經(jīng)過由單片機(jī)控制的多通道切換電路送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC。A/D轉(zhuǎn)換器選用高分辨率雙積分ADC MAX132,該ADC分辨率可達(dá)到18位,由晶振提供時鐘,能有效克服工頻干擾,轉(zhuǎn)換速度最快可達(dá)到90次/S。單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后,經(jīng)過特定的計算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,輸出相應(yīng)的小角度數(shù)字量,由顯示器顯示。為了方便和主機(jī)通訊,還備有光電隔離的RS485接口。為了單片機(jī)可靠的工作,電路上選用了X5045芯片,該芯片集EEPROM、電源監(jiān)視和看門狗電路于一體,用于保存校準(zhǔn)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)以及對單片機(jī)運行情況進(jìn)行監(jiān)控。電路設(shè)計時,利用了SPI串行接口的特點,使測量儀器體積小、功耗低、工作穩(wěn)定可靠。
在測量裝置進(jìn)行在線測量前需進(jìn)行定標(biāo)。通過精密轉(zhuǎn)臺給出平面鏡的偏轉(zhuǎn)角度,利用高精度的光電自準(zhǔn)直儀為基準(zhǔn)標(biāo)定本測量裝置,記錄下單片機(jī)采集的A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果,及相對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度的大小。利用三次曲線擬合的方法擬合出采集數(shù)據(jù)和偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系公式θx=a0+a1x+a2x2+a3x3(7)θy=a0+a1y+a2y2+a3y3(8)其中θx、θy為偏轉(zhuǎn)角度,x、y為采集的數(shù)據(jù),a0、a1、a2、a3為系數(shù)。
圖8為本發(fā)明的程序流程框圖,單片機(jī)將X、Y向的信號分別采集后,首先與系數(shù)a1相乘計算得到c1、d1, 其次將采集的數(shù)據(jù)平方并與a2相乘得到c2、d2,接著再將采集的數(shù)據(jù)立方并與a3相乘得到c3、d3,然后單片機(jī)將a0、c1、c2、c3相加計算得到θx,將a0、d1、d2、d3相加計算得到θy,至此完成了二維偏轉(zhuǎn)角度θx、θy的計算。
權(quán)利要求
1.一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測方法,其特征在于該方法包括如下步驟a.用交流調(diào)制的方法驅(qū)動半導(dǎo)體激光器,使其發(fā)出光強周期性變化的調(diào)制光,半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)整形準(zhǔn)直透鏡后變?yōu)槠叫泄?,再?jīng)偏振分光棱鏡、1/4波片變成圓偏振光,入射到平面鏡上;b.平面鏡的反射光沿原光路返回,經(jīng)1/4波片后圓偏振光變?yōu)榫€偏振光入射到偏振分光棱鏡上,偏振方向偏轉(zhuǎn)90°,經(jīng)聚光透鏡后成像到四象限硅光電探測器的光敏面上;c.光電探測器的輸出信號經(jīng)前置放大電路放大處理后,再通過和差計算處理電路,輸出反應(yīng)平面鏡在二維方位上擺動幅度的交變電壓信號;d.采用鎖相檢測處理電路,將上面得到的二維方位上的交變電壓信號處理成兩個方向的直流電壓信號;這兩個直流電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī),通過固化在單片機(jī)中的軟件處理程序,利用上述兩個直流電壓信號和二維角度之間的計算關(guān)系式θx=a0+a1x+a2x2+a3x3θy=a0+a1y+a2y2+a3y3其中其中θx、θy為偏轉(zhuǎn)角度,x、y為采集的數(shù)據(jù),a0、a1、a2、a3為系數(shù),計算得到平面鏡的二維擺動角度的大小。
2.按照權(quán)利要求1所述的檢測方法,其特征在于所述四象限硅光電探測器光敏面上的光斑半徑的取值范圍為0.4 mm<r<0.5mm。
3.一種實施如權(quán)利要求1所述方法的裝置,主要包括光電成像系統(tǒng)和以單片機(jī)為核心的二次處理儀表,其特征在于在所述的光電成像系統(tǒng)的光路中依次設(shè)有半導(dǎo)體激光器(1)、對激光束準(zhǔn)直的整形準(zhǔn)直透鏡(2)、偏振分光棱鏡(3)、1/4波片(4),以及對從平面鏡反射的光進(jìn)行處理的聚焦透鏡(5)和四象限硅光電探測器(6);所述二次處理儀表主要包括以單片機(jī)為核心的對光電探測器輸出信號進(jìn)行交流放大的前置放大電路、與前置放大電路輸出端相聯(lián)的和差電路、對和差電路輸出信號進(jìn)行處理的鎖相電路以及與鎖相電路輸出端相接的A/D轉(zhuǎn)換電路。
全文摘要
一種平面鏡擺動姿態(tài)的檢測裝置及其方法,采用交流調(diào)制的方法驅(qū)動半導(dǎo)體激光器,使發(fā)出的激光依次經(jīng)過整形準(zhǔn)直透鏡、偏振分光棱鏡、1/4波片,入射到平面鏡上;反射光經(jīng)聚光透鏡后成像到四象限硅光電探測器上;探測器的輸出信號經(jīng)前置放大電路、和差計算電路,輸出反應(yīng)平面鏡在二維方位上擺動幅度的交變電壓信號;采用鎖相檢測電路將二維方位上的交變電壓信號處理成兩個方向的直流電壓信號;經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送固化有軟件處理程序的單片機(jī),利用兩個直流電壓信號和二維角度之間的計算關(guān)系式計算得到平面鏡的二維擺動角度的大小。該方法測量原理簡單,裝置小巧、簡單,測量范圍為±30′,測量精度優(yōu)于0.5″。
文檔編號G01D5/12GK1487264SQ0315399
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者王東生, 錢建強, 惠梅 申請人:清華大學(xué)
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