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基于恒光程光电自准直系统的研究

作　者: 于永志
导　师: 龚发云
学　校: 湖北工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 自准直 四象限 光强重心 恒光程 阿贝误差补偿
分类号: TH74
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


传统的四象限光电自准直测量系统,其实质是通过检测聚焦点光斑光强重心的位置而实现角度测量的。然而实验发现,当测量具有空间直线运动的目标偏转角时,由于激光发散角、光斑衍射环、光斑本身均匀性以及目标反射镜局部毛刺等因素的影响,导致光斑光强重心发生改变,从而增加了测量误差。因此,在满足高精度的测量要求下,这种传统的平面镜反射结构方案仅仅适合被测目标在固定位置的角度变化,不适合有空间直线位移而导致光程变化的运动目标。为此,本文研究并设计了基于恒光程方法的光电自准直系统,利用两个直角棱镜组成一个能探测角度变化的结构,而激光器和四象限的位置固定,保证系统光程的恒定,降低了测量误差,并且针对此系统进行了如下内容的研究：首先,分析比较了传统的微小角度测量方法,而且对激光器的各种特性进行了研究,在此基础上提出了恒光程方法,并对基于恒光程方法而设计的光路结构进行了数学推导。其次,对系统光学器件进行了选取和分析。通过仿真实验,研究了光学器件对系统测量结果的影响。第三,通过对激光器加载特性的研究,设计了恒光强自动控制系统,确保和光强信号保持恒定；此外还进行了信号的接收与处理的电路设计,通过试验调试,选取合适的电子器件和处理电路,提高了信噪比。最后,对系统进行了误差分析,并进行了相关实验,此光电自准直系统的测量范围大于±100”,测量精度优于0.1”,达到了预期的测量目的。本文中设计的基于恒光程的光电自准直系统,其结构紧凑,易于装卸,在保证高精度测量的情况下,能实现二维的实时动态测量。为高精度导轨直线度的测量以及阿贝误差补偿方面打下了基础,具有一定的理论意义和工程实用价值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 引言  8-9
  1.2 本文的研究背景及意义  9
  1.3 国内外光电自准直仪发展动态  9-12
  1.4 本文的研究内容及特色之处  12-14
    1.4.1 研究内容  12-13
    1.4.2 特色之处  13-14
  1.5 本章小结  14-15
第2章 恒光程方法的研究和光学系统设计  15-30
  2.1 恒光程方法的研究  15-21
    2.1.1 传统微小角度测量方法及分析  15-17
    2.1.2 半导体激光器光束质量分析  17-18
    2.1.3 半导体激光器光强分布特点  18-20
    2.1.4 恒光程方法的提出  20-21
  2.2 总体方案设计  21-23
    2.2.1 恒光程光电自准直系统总体设计  21-22
    2.2.2 恒光程光电自准直系统的组成  22-23
  2.3 恒光程光学系统设计  23-29
    2.3.1 恒光程光学系统设计原理  23-24
    2.3.2 恒光程光学系统设计  24-26
    2.3.3 恒光程光路检测原理  26-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章 系统光学器件  30-43
  3.1 光源的选取及分析  30-35
    3.1.1 光源的选取  30-31
    3.1.2 温度对激光器输出光功率的影响  31-33
    3.1.3 半导体激光器电流加载特性研究  33-35
  3.2 光电转换器件的选取  35-42
    3.2.1 光电转换器件  35-39
    3.2.2 QPD检测原理  39-40
    3.2.3 QPD对系统灵敏度影响的分析  40-42
  3.3 本章小结  42-43
第4章 系统硬件电路设计  43-54
  4.1 激光器电源加载电路设计  43-47
    4.1.1 激光器电源控制系统原理  43-44
    4.1.2 恒光强自动控制系统电路设计  44-47
  4.2 光电信号的接收与处理  47-53
    4.2.1 信号放大电路设计  48-51
    4.2.2 信号提取电路设计  51-53
  4.3 本章小结  53-54
第5章 系统分析及应用  54-63
  5.1 关于恒光程光路结构分析  54-55
  5.2 焦距对系统灵敏度影响的仿真分析  55-56
  5.3 QPD接收位置对系统输出影响的仿真分析  56-58
  5.4 电路引入误差分析  58
  5.5 恒光程自准直系统的应用  58-62
    5.5.1 组合测量项目介绍  58-60
    5.5.2 恒光程自准直系统在组合测量中的应用  60-62
  5.6 本章小结  62-63
第6章 总结与展望  63-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文  68-69
附录2 课题实物图照片  69-70
附录3 本课题部分电路原理图  70

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器
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