二维光学内反射微小角度传感器的优化设计

论文摘要

在现代企业的质量保证体系中,在线检测设备具有非常重要的地位,也是几何量计量技术的重要组成部分。随着精密加工和超高速加工的发展,对在线测试的精度和速度都提出了新的要求,高精度、高分辨率小角度测量方法的研究成为此领域研究的一项重要内容。时下各种先进测量手段和仪器的广泛应用,使得测量准确度和精度达到了很高的水平。但是,传统的小角度测量仪器如激光干涉仪,光电自准直仪等,由于具有体积大、系统复杂、造价昂贵、对测量环境要求高、较难组成多维测角系统等特点而很难用于工业高精度在线测量。为了解决上述问题,本课题基于光学内反射效应,设计并试制了一种新型二维微小角度传感器,可实现实时二维微小角度的测量,为下一步设计组建小型化多自由度位移检测系统,实现对精密加工机床或坐标测量机的运动姿态及误差的测量奠定基础。本系统采用基于MSP430高性能单片机检测电路进行数据处理,提高系统的响应速度;使用光源调制方法,提高信号的测量精度。以下是本论文的主要研究内容:1)论述了本文研究的目的和意义,查阅了大量的相关技术资料,综合评述了微小角度测量技术的国内外现状和发展趋势。2)从理论上系统的分析了基于光学内反射效应测角法的原理。3)基于理论分析,制作了一种可调制半导体激光器,包括调制信号发生电路和调制驱动电路,讨论了冷光源的试制方法。4)设计制作了基于单片机系统的部分处理电路,对其技术性能、工作特性进行了实验研究。5)提出该传感器的评价方法,对影响检测准确度的误差因素进行了比较系统地分析。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的提出及其研究意义
• 1.2 角度测量技术国内外发展概况
• 1.2.1 光电自准直仪
• 1.2.2 激光干涉小角度测量仪
• 1.2.3 本文拟采用方法
• 1.3 本文拟开展的工作
• 第二章 角度测量原理
• 2.1 光学内反射测角法原理
• 2.2 内反射次数、类型分析
• 2.2.1 单次内反射的情况
• 2.2.2 多次内反射的情况
• 2.2.3 测量灵敏度分析
• 2.3 基于光学内反射效应测角法的特点
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统光路设计
• 3.1 二维测角的光路设计
• 3.1.1 一维临界角角度传感器的光路设计
• 3.1.2 二维临界角角度传感器的光路设计
• 3.2 角度传感器的光源选择
• 3.3 光源的优化设计
• 3.3.1 引入冷光源的可行性探讨
• 3.3.2 调制解调的功用与类型
• 3.3.3 半导体激光器调制方法选择
• 3.4 本章小结
• 第四章 系统电路设计
• 4.1 半导体激光器调制电路设计
• 4.1.1 正弦波信号发生电路
• 4.1.2 调制电路
• 4.1.3 限流电路
• 4.1.4 恒流驱动电路
• 4.1.5 慢启动保护电路
• 4.2 后续处理电路设计
• 4.2.1 系统电源电路
• 4.2.2 I-V 变换电路
• 4.2.3 二级放大电路
• 4.2.4 解调电路
• 4.2.5 A/D 变换电路
• 4.2.6 单片机控制电路设计
• 4.2.7 LCD 液晶显示电路
• 4.2.8 LED 数码管显示电路
• 4.3 处理电路性能评价
• 4.4 软件设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 实验结果及误差分析
• 5.1 电路调试结果
• 5.1.1 信号发生电路
• 5.1.2 慢启动电路
• 5.1.3 调制驱动电路
• 5.1.4 I-V 变换放大电路实验
• 5.1.5 解调电路实验
• 5.1.6 低通滤波电路实验
• 5.2 角度传感器校正方案设计
• 5.2.1 角度传感器的固定与准直
• 5.2.2 校正方案设计
• 5.3 误差分析
• 5.3.1 原理误差
• 5.3.2 非测量光的影响
• 5.3.3 临界角棱镜两反射表面不平行度误差
• 5.3.4 临界角棱镜反射面平面度
• 5.3.5 在各个棱镜表面非正入射时带来的误差
• 5.3.6 环境因素带来的误差
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢