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恒光程光电自准直仪的硬件设计与精度分析

作　者: 吕伟
导　师: 杨练根
学　校: 湖北工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 恒光程光电自准直小角度测量误差分析
分类号: TG82
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

小角度测量技术广泛应用在机械、光学、航空、航天、航海等领域,高精度小角度测量是几何量测量领域的研究重点之一,本文研究了一种基于恒光程原理的光电自准直仪,围绕该仪器的研究开发,主要研究了以下内容:首先,结合自准直原理,设计了恒光程光电自准直仪的总体方案,以双直角棱镜组来保证测量光程的恒定,设计了包括装夹结构、光路系统、光电探测器件、信号处理系统在内的四个组成部分,重点阐述了光学系统的设计工作,并从数学角度论述了光路的检测原理。其次,在搭建光电自准直系统方面,对光电自准直仪的光学器件的选取进行了分析研究,从影响光束质量的因素及光强分布特点入手,为本系统选择了高性能的半导体激光器作为光源;在光电转换器件方面,分析对比了硅光电池以及CCD器件的响应速度、光谱特性以及信号质量等因素,选取了四象限硅光探测器作为光电转换器件,并推导出该探测器接收信号的数学计算公式。第三,对整个恒光程测量系统的电路设计及软件平台的搭建进行阐述,设计了信号放大电路及信号提取电路,将光电接收器接收到的电流信号转变为可以进行采集的电压信号,利用高速采集卡对该电压信号进行采样及A/D转换,提取有用的测量信号,并在计算机中输出结果。最后,采用高精度光电自准直仪对本测量系统所采集的电压信号进行标定,找出电压与角度的对应关系。再利用该高精度光电自准直仪与本测量系统分别在运动状态下与静止状态下进行同步测量,将其测量结果与本系统的测量值进行了比较,并对测量结果进行了分析,验证了本测量系统的测量精度。对本系统测量过程中可能出现的误差源进行了分析,对主要的误差源进行了数学建模。通过实验证明了本测量系统的测量精度满足设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章概论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 光电自准直仪的发展概况  8-12
  1.3 课题来源及本文研究内容  12-14
第2章光电自准直仪设计方案  14-22
  2.1 光电自准直仪的设计要求与总体设计方案  14-16
    2.1.1 恒光程光电自准直系统总体设计  14
    2.1.2 恒光程光电自准直系统的组成  14-16
  2.2 光电自准直仪的测量原理  16-21
    2.2.1 自准直原理  16-17
    2.2.2 恒光程原理  17-18
    2.2.3 恒光程测量系统检测原理  18-21
  2.3 本章小结  21-22
第3章光电自准直系统的搭建  22-32
  3.1 光源的选取及分析  22-25
    3.1.1 光源的选取  22
    3.1.2 半导体激光器光束质量分析  22-23
    3.1.3 半导体激光器光强分布特点  23-25
  3.2 光电转换器件的选取  25-31
    3.2.1 光电转换器件  25-28
    3.2.2 QPD 检测原理  28-29
    3.2.3 QPD 对系统灵敏度影响的分析  29-31
  3.3 本章小结  31-32
第4章光电自准直仪的软件和硬件设计  32-46
  4.1 激光器电源设计  32-36
  4.2 光电信号的接收与处理  36-41
    4.2.1 信号放大电路设计  36-39
    4.2.2 信号提取电路设计  39-41
  4.3 测量系统的软件设计  41-45
    4.3.1 被测工作台驱动协议  42-43
    4.3.2 数据采集及A/D 转换  43-45
  4.4 本章小结  45-46
第5章光电自准直仪精度验证及误差分析  46-59
  5.1 光电自准直系统技术指标  46
  5.2 光电自准直仪的精度验证  46-50
    5.2.1 精度验证的方案设计  46-47
    5.2.2 标定试验  47-48
    5.2.3 精度验证实验  48-50
  5.3 实验结果分析  50-54
    5.3.1 运动状态下实验结果分析  50-51
    5.3.2 静止状态下实验结果分析  51-54
  5.4 误差分析  54-58
    5.4.1 测量时的运动误差  54-56
    5.4.2 外界光引起的误差  56-57
    5.4.3 QPD 接收引入的误差  57-58
    5.4.4 电路引入的误差  58
  5.5 本章小结  58-59
第6章全文总结与展望  59-61
  6.1 全文总结  59-60
  6.2 展望及今后工作的建议  60-61
参考文献  61-64
致谢  64-65
附录 1 攻读硕士学位期间发表学术论文  65-66
附录 2 课题实物图照片  66-67

恒光程光电自准直仪的硬件设计与精度分析

内容摘要

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