液体表面反射式二维光电水平倾角测量系统

摘要

角度是精密制造、仪器仪表、天文研究、水利工程、导弹卫星发射以及军事瞄准等领域中的重要参数之一。近年来，随着精密制造技术的迅猛发展，各个行业对角度测量的精度、范围、稳定性等不断提出新的要求。本文针对高精度、大范围水平倾角测量的应用需求，主要设计并研制了一种基于液体表面反射式的二维光电水平倾角测量系统，完成了系统软、硬件设计，并对所设计系统进行了标定、对比、重复性实验以及误差分析。论文主要研究内容如下： 1、叙述了课题实施背景及研究意义，详细分析了目前国内外角度测量技术的发展现状以及未来发展趋势，并着重对各种不同水平倾角测量原理及方法进行讨论，在此基础上提出了本课题测量方案。 2、阐述了系统总体测量方案及系统各部分测量原理，对系统准直方案进行了讨论，介绍了作为系统角度变化媒介的液体的选取以及系统各部分光学元件的选型及安装，并对系统整体机械结构进行了设计。 3、确定了硬件整体设计方案，对系统可采用的接收传感器，包括CCD、QPD以及PSD特点进行了分析，确定使用PSD作为系统光电转换传感器，并对PSD原理、结构、参数进行深入分析，选取合适PSD进行系统设计，并给出PSD选取时应遵循的几条准则。在电路设计方面，主要分析了多路开关法以及直接转换法，在直接转换法中对普通跨阻放大电路和 T 型网络跨阻放大电路 S/N 进行讨论，对跨阻放大电路的实际输出模型进行分析，根据运放参数结合电路实际模型选取合适运放，实现微弱电流信号处理，并对电路稳定性进行了分析。 4、研制了二维光电水平倾角测量系统。对所研制测量系统进行了标定、对比以及系统重复性测试实验，对实验数据进行分析，对系统S/N、量程、误差、线性度等参数进行了测试。实验结果表明，仪器在±10mm/m测量范围内，信噪比达73.97dB，线性度优于0.25%，绝对误差不超过±0.05mm/m。 5、对系统各部分误差源进行了详细讨论，对系统液面处折射光以及PBS分光时所导致背景光进行了分析，通过建立数学模型对其进行仿真并给出误差消除方案；对PSD非线性误差进行讨论，并根据PSD实际模型以及电路噪声等效模型对 PSD 测量误差进行计算。最后对本课题进行总结，并提出后续工作改进意见。

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