基于二維psd的衛(wèi)星轉(zhuǎn)角測量儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及衛(wèi)星轉(zhuǎn)角測量儀，具體涉及基于二維PSD的衛(wèi)星轉(zhuǎn)角測量儀，屬 于小角度測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)外小角度測量的主要方法有：機(jī)械測角方法、電磁測角方法、光學(xué)測角方法 等。
[0003] 1機(jī)械測角法
[0004] 機(jī)械測角法是出現(xiàn)最早的測角技術(shù)，主要的代表儀器是多齒分度臺。
[0005] 多齒分度臺是一種機(jī)械式的角度測量裝置，它不僅可以作為角度測量的基準(zhǔn)，而 且可以作為角度產(chǎn)生的精密儀器。它通過使用一對直徑、齒數(shù)、齒形等參數(shù)完全一致的兩 個平面齒輪，通過相對轉(zhuǎn)動和齒嚙合的平均效應(yīng)來精密分度，因此具有精度，操作方便等優(yōu) 點。多齒分度臺是齒盤結(jié)構(gòu)，齒數(shù)一般有360、720、1440等，齒數(shù)越多，分度精度就越高，測 量精度隨齒數(shù)的增加而提高。由于齒對角度分度的誤差有平均作用，因而可以達(dá)到很高的 分度精度，具有使用簡單，可連續(xù)分度等特點。
[0006]目前普遍使用的分度裝置主要是以蝸輪蝸桿式為主，結(jié)構(gòu)有臥式和立式兩種。多 齒分度臺由于其高精度、高剛度、結(jié)構(gòu)簡單、分度范圍大、且精度保持性好等特點，在機(jī)械制 造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。
[0007]目前的多齒分度臺大多采用人工轉(zhuǎn)動，角度測量的效率較低，且需要人工干預(yù)，不 能滿足自動化測量的要求，后來出現(xiàn)的使用液壓作為驅(qū)動動力多齒分度臺，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體 積大。
[0008] 2電磁測角法
[0009] 電磁的方法測量角度主要用于角度的進(jìn)一步細(xì)分，通過增大分度以增大測量范圍 和提高測量精度。電磁式測角技術(shù)主要有磁感應(yīng)同步器和計量圓光柵。
[0010] 磁感應(yīng)同步器測角法是一種電磁感應(yīng)位置檢測元件，它的原理是根據(jù)正弦、余弦 兩繞組的電壓和相位進(jìn)行比較，利用電磁感應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)化成電信號，并以數(shù)字脈沖形式 輸出基準(zhǔn)量。
[0011] 計量圓光柵是一種精密的角分度器件，在精密測量和精密加工領(lǐng)域被廣泛地應(yīng) 用。當(dāng)把兩塊具有相同柵距角的圓光柵重疊在一起時，在光線的照明下，就會產(chǎn)生莫爾條 紋，從圓光柵中能獲得近似正弦型的莫爾條紋光信號，通過光電轉(zhuǎn)換，取得近似正弦的電信 號?？蓪㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成相應(yīng)的角度信號，從而實現(xiàn)角度的測量。
[0012] 不管是機(jī)械測角技術(shù)還是電磁測角技術(shù)，他們的主要缺點基本都是手工測量，很 難實現(xiàn)測量的自動化，而且測量精度容易受到加工精度和工藝和限制。
[0013] 3光學(xué)測角法
[0014] 光學(xué)測量法具有非接觸、高精度、高靈敏度的特點，而受到人們的青睞。隨著大規(guī) 模集成電路和光電技術(shù)的發(fā)展和和應(yīng)用，使光學(xué)測量的發(fā)展進(jìn)入了一個新時代，近年來不 斷出現(xiàn)的光電器件和器件性能的不斷提高，極大地推進(jìn)了光電測角技術(shù)的發(fā)展。隨著計算 機(jī)和嵌入式的廣泛應(yīng)用，角度測量技術(shù)正朝著動態(tài)高速測量的領(lǐng)域發(fā)展，并與自動生產(chǎn)和 管理連為一體。
[0015] 目前國內(nèi)外的光學(xué)測量方法一般可分為：光學(xué)分度頭法、圓光柵法、自準(zhǔn)直法、光 學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法、環(huán)形激光法等。
[0016] a.光學(xué)內(nèi)反射法。當(dāng)光線發(fā)生全反射時，光線入射角在臨界角附近變化，導(dǎo)致反射 率隨之發(fā)生急劇變化。光學(xué)內(nèi)反射測角法就是利用這種物理現(xiàn)象，通過測量反射光強(qiáng)的變 化來確定入射角度的變化。
[0017] 根據(jù)光學(xué)內(nèi)反射法制成的角度測量儀體積較小，因而可以做成便攜式的角度測量 儀，優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，缺點就是測量范圍較小。
[0018] b.激光干涉法。激光干涉測角法使用邁克爾遜干涉儀作為基本測量原理。主要測 量原理是，激光器發(fā)出的光線被分為兩路光，其中一路光的光程不變，另一路光的光程隨角 度的偏轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，因此光程差就隨片轉(zhuǎn)角的變化而變化，干涉條紋也發(fā)生相應(yīng)的移動， 通過測量條紋的移動量，就可以測得轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角。
[0019] 通過對干涉條紋計數(shù)的方法，可以連續(xù)測量角度，且有很好的線性度，實驗表明， 在測量范圍為0.1944°時分辨率為0.5"，在量程為3. 5496°時分辨率達(dá)到1.5"。
[0020] c.自準(zhǔn)直法。自準(zhǔn)直儀（又稱自準(zhǔn)直光管）是利用光學(xué)自準(zhǔn)直原理，用于小角度 測量或可轉(zhuǎn)化為小角度測量的一種常用計量測試儀器。在望遠(yuǎn)鏡視線的前方加一個平面 鏡，就可構(gòu)成一個簡單的自準(zhǔn)直儀。自準(zhǔn)直儀具有較高的精確度和測量分辨力，而且光學(xué)結(jié) 構(gòu)相對簡單，體積較小，因而被廣泛應(yīng)用的精密測量系統(tǒng)中，比如在角度測量、平面度測量、 角晃動測量、直線度測量等。
[0021 ]自準(zhǔn)直儀主要分為光學(xué)自準(zhǔn)直儀和光電自準(zhǔn)直儀，光學(xué)自準(zhǔn)直儀是光電自準(zhǔn)直儀 的前身和原型，光電自準(zhǔn)直儀是光學(xué)自準(zhǔn)直儀、新型光電器件和電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。最 近幾十年來，由于電子技術(shù)和光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的光學(xué)自準(zhǔn)直儀和現(xiàn)代的光學(xué)器 件相結(jié)合，促成了現(xiàn)代光電自準(zhǔn)直儀的產(chǎn)生，通過使用新型的光電探測器件和自動化技 術(shù)、電子技術(shù)，實現(xiàn)了從原來的機(jī)械式顯數(shù)、讀數(shù)到目前的測量結(jié)果自動顯示，使得測量精 度、分辨率、重復(fù)性等性能指標(biāo)得到很大的提高。
[0022] 目前，隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星角度和小角度需要更高精度和更大的測試范圍，現(xiàn)有 技術(shù)已經(jīng)無法滿足這樣的需求。 【實用新型內(nèi)容】
[0023] 本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有衛(wèi)星接觸式測量法產(chǎn)生的測量誤差大的問題。
[0024] 本實用新型的技術(shù)方案是：基于二維PSD的衛(wèi)星轉(zhuǎn)角測量儀，包括自準(zhǔn)直測量系 統(tǒng)、二維PSD傳感器、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和顯示模塊，自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的 輸出端依次連接二維PSD傳感器、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)，單片機(jī)的輸出端 連接顯示模塊，所述自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)包括激光源、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透 鏡、第五透鏡、第一棱鏡、第二棱鏡、分光鏡和待測反光面，激光源輸出的激光的主光軸方向 上依次為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第一棱鏡，分光鏡安裝在第一棱鏡的光線輸出 端，分光鏡的第一分光光路上依次為第五透鏡和二維PSD傳感器，分光鏡的第二分光光路 上為第二棱鏡，第二棱鏡輸出光線通過第四透鏡照射到待測反光面上。
[0025] 所述第一透鏡和第二透鏡為一個透鏡組，相當(dāng)于一個倒置望遠(yuǎn)鏡，起到壓縮光束 的作用，將光束的直徑變小。
[0026] 第三透鏡為會聚透鏡，起到將光線會聚的作用。
[0027] 第四透鏡為長焦準(zhǔn)直透鏡，將光線準(zhǔn)直成平行光。
[0028] 第五透鏡為放大透鏡，經(jīng)過第五透鏡的放大，照射在二維PSD傳感器上的光線能 夠被二維PSD傳感器識別。
[0029] 所述分光鏡的第一分光光路和第二分光光路共線并且方向相反。
[0030] 二維PSD傳感器與整體系統(tǒng)結(jié)合，提高了儀器的分辨率，擴(kuò)大了測量范圍，提高了 測量精度。
[0031] 所述信號調(diào)理模塊包括結(jié)構(gòu)相同的第一調(diào)理支路和第二調(diào)理支路，第一調(diào)理支路 包括依次連接的二維PSD傳感器數(shù)據(jù)處理電路、跟隨器、第一濾波電路、放大電路和第二濾 波電路，由于PSD敏感面上所接收的光斑是經(jīng)被測物體反射后形成的，所以光能量較小，致 使PSD輸出光電流極微弱，僅在零點幾微安左右，因而設(shè)計的關(guān)鍵在于微弱信號的放大和 濾除噪音干擾，確保測量精度。
[0032] 所述二維PSD傳感器處理電路包括第一 I-V轉(zhuǎn)換電路、第二I-V轉(zhuǎn)換電路、加法 器、減法器和除法器，第一 I-V轉(zhuǎn)換電路的輸出端和第二I-V轉(zhuǎn)換電路的輸出端均分別與 加法器的輸入端和減法器的輸入端建立連接，加法器的輸出端和減法器的輸出端均與除法 器建立連接，除法器的輸出端連接跟隨器的輸入端。
[0033] 所述A/D轉(zhuǎn)換電路包括16位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，16位逐次逼近式ADC-AD976A 與8位和12位的AD轉(zhuǎn)換器相比，16位ADC在精度要求較高的場合更能符合設(shè)計要求。 AD976A是美國模擬器件（Analog Device)公司推出的一款16位高精度、高速、低功耗ADC。 采用逐次逼近式工作原理，單一 +5V供電，單通道輸入，輸入電壓范圍+/-10V，采樣速率為 100KSPS，AD976A 為 200KSPS。
[0034] 所述顯示模塊為12864液晶顯示模塊，采用串行通信連接方式與單片機(jī)建立連 接。
[0035] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果：本實用新型的自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)具有結(jié) 構(gòu)簡單、使用方便等特點，與傳統(tǒng)的接觸式測量不同，本實用新型的非接觸式測量，減少了 測量干擾；利用單片機(jī)作為控制器核心，在內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將測量結(jié)果實時顯示，需要 時可以通過串口或無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)，實現(xiàn)了自動化測量，本實用新型具有二維 測量能力，各維測量精度為0.1角秒，測量范圍不小于[-10"，10"]，功耗不大于3W，本實 用新型測量儀器可以應(yīng)用于航天衛(wèi)星領(lǐng)域的小角度測量，也可應(yīng)用于其他需要高精度小角 度測量領(lǐng)域。具有測量范圍大、測量精度高、可靠性好、功耗小的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0036] 圖1，本實用新型整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0037] 圖2,本實用新型的自準(zhǔn)直測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖3,本實用新型信號調(diào)理模塊的結(jié)構(gòu)框圖；
[0039] 圖4,本實用新型二維PSD傳感器處理電路的I-V轉(zhuǎn)換電路的電路圖；
[0040] 圖5,本實用新型二維PSD傳感器處理電路的加法器電路圖；
[0041] 圖6,本實用新型二維PSD傳感器處理電路的除法器電路圖；
[0042] 圖7,本實用新型的跟隨器、第一濾波電路、放大電路和第二濾波電路的電路圖；
[0043] 圖8,本實用新型A/D