小角度测量仪的研制

论文摘要

角度是一个重要的几何参数,角度测量是几何量测量的一个重要组成部分。角度测量特别是微小角度的测量,在精密测试、精密加工、定位系统中占有重要的地位。因而研制一种便携式的、小型化和高精度的小角度测量仪器很有必要。小角度测量的方法大多采用光电式的非接触测量方法,其中自准直测量法具有结构简单,使用方便,测量精度高的优点,便于实现小角度测量系统的自动化和小型化。本文在探讨了自准直原理的基础上,设计了基于自准直原理的光学测量系统,运用光电位置传感器(PSD)作为位置探测器件,使用MSP430F149作为嵌入式处理器,研制出了一维小角度的测量仪器。文中介绍了测量系统的光学系统设计方案、信号处理电路的硬件和软件的设计方法。通过使用PSD做为位置探测器,把光点的位置信号转变为电信号,电信号通过PSD调理电路,微弱信号经过放大、滤波和A/D转换后,输入到MSP430进行数据处理,从而得出光点的位置,根据位移量计算得出角度值。其中设计的PSD基于数字运算的调理电路,使得硬件结构得以简化,且避免了模拟器件运算带来的噪声和精度问题。使用MSP430作为嵌入式处理器,结合插值的方法,减少PSD的非线性误差,提高了小角度测量的精度,通过使用RS232和PC机进行通信,实现数据的自动化的采集。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外小角度测量的研究现状
• 1.3.1 机械测角法
• 1.3.2 电磁测角法
• 1.3.3 光学测角法
• 1.4 研究的主要内容
• 第2章 系统原理及方案设计
• 2.1 光学自准直原理
• 2.2 PSD 相关理论介绍
• 2.2.1 PSD 工作原理
• 2.2.2 PSD 参数分析
• 2.2.3 PSD 影响因素
• 2.3 系统总体方案设计
• 2.3.1 光路系统设计
• 2.3.2 PSD 选择
• 2.3.3 光源选择
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统电路设计
• 3.1 PSD 信号处理电路设计
• 3.1.1 电路总体方案的设计
• 3.1.2 前置放大电路设计
• 3.1.3 二级放大电路
• 3.1.4 滤波电路
• 3.1.5 电路抗干扰性设计
• 3.2 嵌入式系统设计
• 3.2.1 嵌入式系统总体设计
• 3.2.2 电源模块
• 3.2.3 A/D 转换电路的设计
• 3.2.4 显示、通讯模块
• 3.3 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 软件总框图
• 4.2 A/D 采样子程序
• 4.3 角度计算子程序
• 4.4 液晶显示
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 实验环境
• 5.2 PSD 位置标定
• 5.2.1 线性区域选定
• 5.2.2 背景光和杂散光的处理
• 5.2.3 位置检测误差的测定
• 5.2.4 位置标定
• 5.2.5 重复性测试实验
• 5.3 仪器参数测试
• 5.3.1 角度精度测量实验
• 5.3.2 其他参数测试
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢