二维激光微角度测量装置及其关键技术研究

摘要

角度测量是计量技术中的一个十分重要的部分，其到目前为止发展已经相对完备，各种用于检测其精确度的的手段较为丰富。从测量方式上来分，可以将角度测量分为动态测量与静态测量两种。对于测量角度而言，我们的主要目标是为了提高角度测量的分辨率和测量精度。与传统的角度测量方法相比，光学测角法有着非接触式、高测量精度等多方面的优势，从而受到人们的广泛重视。尤其是随着稳定的激光光源的发展，光学角度测量方法的应用越来越广泛。目前较为流行的基于激光技术的激光干涉仪、自准直仪等测量仪器，因为尺寸较大，或者频率太低等原因，其应用场合受到一些限制。
　　针对上述问题，本课题研制了一种基于激光自准直原理的二维微角度传感器。它在原有传感器的基础上整合了多项用于微角度测量的关键技术提高了二维微角度传感器多方面的性能，使其在微角度测量上的性能可以与光电自准直仪相近，同时其体积小巧便于精密加工运动平台的集成。论文的主要研究内容如下:
　　第一章回顾了国内外有关角度测量技术的研究现状及其发展趋势，同时分析了这些角度传感器上所存在的问题与不足，在此基础上提出了本课题的主要研究内容。
　　第二章结合激光自准直原理及原有的微角度传感器，在其基础上研究了微角度测量的关键技术。半导体激光器光斑圆化的方案，优化二维微角度传感器的光路及光学器件的构成，采用离焦测量技术，优化信号处理技术，通过坐标交换来解决由于四象限光电探测器安装误差引起的二维角度测量的耦合。
　　第三章对所研发的微角度传感器的各方面的性能进行了测试，同时使用其进行了微角度测量并将其测量结果与光电自准直仪进行了对照。
　　第四章建立了二维微角度测量系统。分别对二维微角度测量系统的硬件及软件进行了设计，研制了二维微角度测量仪。
　　第五章对全文的工作进行了归纳总结，对下一步的研究工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 光学内反射小角度测量法

1．2．2 基于牛顿环的小角度测量的研究

1．2．3 圆光栅测角法

1．2．4 环形激光器法

1．2．5 激光干涉测角法

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小节

第2章 二维激光微角度传感器工作原理及其关键技术

2．1 二维激光微角度传感器测量原理

2．2 二维激光微角度传感器光学系统

2．3 二维激光微角度传感器关键技术研究

2．3．1 光斑圆化处理技术

2．3．2 光学器件整合技术

2．3．3 高焦测量技术

2．3．4 优化噪声处理技术

2．3．5 二维测量解耦技术

2．4 本章小结

第3章 二维微角度传感器性能测试及分析

3．1 实验设备

3．2 实验方案设计

3．3 测量系统稳定性测试

3．3．1 电源稳定性测试

3．3．2 信号处理电路稳定性测试

3．4 传感器性能测试及角度测量实验

3．4．1 角度传感器稳定性及漂移测试

3．4．2 量程及线性度

3．4．3 分辨率测试

3．4．4 重复性误差测试

3．4．5 对照实验

3．5 微角度测量实验误差来源分析

3．6 本章小节

第4章 二维激光微角度测量系统

4．1 二维微角度解耦测量系统硬件研制

4．1．1 四象限光电探测器特性及工作模式

4．1．2 前置放大电路设计

4，1．3 主放大电路及滤波电路

4．1．4 DSP选型及通用外围电路设计

4．2 二维微角度测量系统软件设计

4．2．1 软件开发环境简介

4．2．2 软件总体设计

4．2．3 系统初始化模块

4．2．4 A／D采样模块

4．2．5 通信模块

4．3 二维微角度测量仪的研制

4．4 本章小节

第5章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献