毕业设计二维光学内反射微小角度测量的研究（可编辑）

毕业设计二维光学内反射微小角度测量的研究（可编辑） 毕业设计二维光学内反射微小角度测量的研究 二维光学内反射微小角度测量的研究 Study on 2D Micro Angle Based on Internal Reflection Effectiveness 摘 要 为了解决上述问题本课题基于光学内反射效应，设计并试制了一种能够弥补传统测角仪器上述不足的新型二维微小角度传感器，实现二维角度的测量，为下一步设计出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。以下是本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 的主要研究内容: 1 论述了本文研究的目的和意义，查阅了大量的有关技术资料，综合评述了角度测量技术的国内外现状和发展趋势。 2 从理论上分析了基于光学内反射效应测角法的原理。 3 设计制作了二维角度传感器装置及基于单片机系统的处理电路，对其技术性能、工作方法进行了实验研究，并对该角度传感器进行校正。 关键词:二维角度测量 内反射 光学差动测量法 临界角棱镜 Abstract In this paper,we design a new type of two-dimension micro angle sensor byusing new angle measurement method that is different from the traditional ones,andcan make up for the shortcomings mentioned above.This work prepares for the nextstep of designing a multi-dimension angle and displacement measurement system andto make a foundation of realizing the measurement of the moving status or errors ofprecision machining tool or coordinate measurement machine.Four items listedbelow show the main work that has been done in this paper. 1.The purpose of the study is presented.A large number of references are collected and referred to,leading to an overview of the current national andinternational situation and developmental trends in the field of micro anglemeasurement methods. 2.The new angle measurement method based on internal reflection effectiveness discussed theoretically. 3.The two-dimension angle sensor system and the measuring circuits based on MCU have been designed and fabricated.The technical characteristics and performance have been primarily discussed by experiment results.The calibrated method is also presented later. Keywords: Two-dimension angle measurement Internal reflection Optical heterodyne angle measurement method Critical Prism 目 录 1 1.1本课题的提出及其研究意义 1 1.2角度测量技术国内外发展概况 1 第二章 角度测量原理 7 2.1基于光学内反射效应测角法原理 7 2.2二维测角的光路设计 11 第三章 系统设计 14 3.1光源设计 14 3.2处理电路的设计 15 3.3软件设计 22 结 论 25 参考文献 26 致 谢 27 第一章 绪 论 1.1本课题的提出及其研究意义 随着现代工业及生产制造技术的飞速发展，生产加工技术已经从精密加工时代进入到超精密加工时代，与之相应的测量技术也从精密测量发展到超精密测量和纳米测量，而超精密加工机床及其评价检测技术则在超精密加工技术的发展中起着关键作用。加工精度取决于机械的运动精度、机械对于热和振动的刚性、工具的形状误差及损耗等。对于机床、三坐标测量机等精密机械的运动精度评价，主要有主轴的旋转精度、直线运动精度、NC机床的圆运动精度等等。 机床是发展机器制造业以至整个工业必不可少的复杂生产工具，既是生产力要素，又是重要商品。具有高精度高分辨率的驱动定位平台是精密加工机床的基本要素。为了保证该平台的驱动精度，需要有高精度检测平台角度、位移的测量装置。从测量范围和测量精度考虑，一般采用干涉仪或线性编码器。但由于它们都是一个自由度的位置检测装置，不能对二维移动平台的位置进行直接测量。利用干涉仪和由形状精度保证的正交直尺进行组合，虽然使二维测量得以实现，但随着俯仰角 pitching 、侧滚角 rolling 和偏转角 yawing 等必须检测的自由度的增加，干涉仪的数目也必须增加。本研究就是在这样的背景下提出来的，围绕天津市自然基金项目“在线加工用高精度二维角度传感测控系统”的研制，设计一种适合于工业在线测量的小角度传感器。 1.2角度测量技术国内外发展概况 角度是一个重要的计量单位，角度计量是计量技术的重要组成部分。建国初，我们连简单的多面棱体都需要进口，半个多世纪以来，计量工作者做了大量的工作，建立了我国的角度计量基准器[1]和各级 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 器，对角度测量的理论、方法 和技术进行了深入的研究，并研制出多种测角仪器以满足经济建设和国防的需求。随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛地应用在工业，科研等各领域，技术水平和测量准确度也在不断提高。近年来，特别是随着电子计算机技术的蓬勃发展，使得角度测量技术得以实现自动化，极大地扩充了角度测量的应用范围。据不完全统计，角度测量方法[2]大致可以按测量原理分为大类，在过去的20年中，角度测量的准确度也达到了这之前的10倍以上。角度测量技术按测量方式可分为静态测量和动态测量两种，由于某些静态测量技术仍然是动态测量技术的基础，且大多数动态测量都能实现静态测量。 测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，机械式测角技术主要以多齿分度盘为代表，电磁式测角技术以圆磁栅为代表。这些方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制。 光学测角方法历来以其极高的测量准确度受到人们的重视，光学测角法的应用也越来越广泛。目前，光学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、内反射法、激光干涉法[3]以及环形激光法等。这些方法大多都已成功应用于小角度的精密测量中，并达到了很高的测量精度和灵敏度，但大都限于一维角度测量。在二维测角方面，主要有激光干涉法、自准直仪法和内反射法等。下面对能够实现二维微角度测量的基本原理和方法作一下简单的介绍。 涉测角法 激光干涉小角度测量技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。不论是单频激光干涉仪还是双频激原理。众所周知，角度可以表示为长度之比，长度的变化可 以用激光干涉条纹数的变化来表示，因此长度测量中准确度最高的激光干涉法在角度测量中得到了广泛的应用，技术水平也日趋成熟。干涉小角度测量[]的基本原理可以表示成图1.1的形式。采用迈克尔逊干涉原理用两路光的光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着角度的变化而变化，因光干涉仪，测量小角度的原理十分相似，都是采用正弦尺的此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。在此原理基础上发展起来的角度测量系统都致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。如采用平面反射镜代替角锥棱镜，扩大了测量范围，也提高了仪器的分辨率。基于该原理的角度干涉仪的优点是准确度高，缺点是测量装置复杂，较难使用，这一点随着激光干涉测量仪器的研制而有所改进。但该方法的主要应用是精密旋转平台的校准，而不适用于二维角度测量。在二维微角度测量的实践中，若同时使用两个激光光源，由两个干涉仪形成两套干涉条纹照射到被测物体上，可以实现物体二维微角度转动的测量。图1.1的形式。采用迈克尔逊干涉原理用两路光的光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着角度的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。在此原理基础上发展起来的角度测量系统都致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。如采用平面反射镜代替角锥棱镜，扩大了测量范围，也提高了仪器的分辨率。 图1.1干涉测角的基本原理 1-激光器;2-扩束镜;3-分光镜;4,5-平面镜;6-角锥棱镜;7-转台;8-成像调节器;9-光电接收器;10-可逆计数器。 基于该原理的角度干涉仪的优点是准确度高，缺点是测量装置复杂，较难使 用，这一点随着激光干涉测量仪器的研制而有所改进。但该方法的主要应用是精密旋转平台的校准，而不适用于二维角度测量。在二维微角度测量的实践中，若同时使用两个激光光源，由两个干涉仪形成两套干涉条纹照射到被测物体上，可以实现物体二维微角度转动的测量。图1.2为使用泰曼,格林干涉仪进行微角位移的测量原理图。其中图1.2(a)为一维角度测量装置，图1.2(b)为二维角度测量装置。被测物体反射平行干涉条纹，在反射的干涉场中，任意两点的相位差改变量都是物体转角的 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数，通过测量相位差的改变量便可得到物体转动的微角度。图中，以两根光纤接收反射的干涉信号，由光电二极管将光信号转换成电信号，输入计算机进行数据处理得到两探测点相位差随物体转动的改变量。 图1.2泰曼,格林干涉仪角度测量原理 使用泰曼,格林干涉仪进行微角度测量，实现了较高的分辨率，测量范围可达正负30arcmin，测量精度达0.2arcsec。在加入反馈控制系统后，其抗外界干扰的能力大加强。因其使用光纤采集信号，可用于微小物体的角位移测量。但是系统过于复杂，价格也相当昂贵，而且不能满足在线测量的需要，现仍处于实验研究阶段。 准直法 自准直就是在光学上使物和像都在一个平面上，或者说在光学上使物和像分别在共轭平面上，根据这个原理设计的仪器称为自准直仪。从物镜出射的平行光线(成像在无穷远处)，经平面反射镜[5]反射回来以后重新进入物镜，在物体所在平面内形成物体的实像。如果反射镜与自准直仪的光轴有一倾角α，则反射偏转角为α，此偏转角的大小是以自准像在焦平面上的线位移s来表示: 式中:为物镜焦距;为反射镜倾角。 图1.3自准直仪光学原理图 基于激光自准直原理的自准直仪是用于小角度测量或可转换为小角度测量的一种常用计量测试仪器。自准直仪通常分为光学自准直仪和光电自准直仪两大类。光电自准直仪是自准直技术与光电技术相结合的产物。它诞生与40,50年代，自准直技术可追溯到更早的时期。它被广泛应用于角度测量、导轨的平直度与平行度测量、台面的平整度测量、精密定位、自动角度定位环集成等方面。 采用方法 光学测角法由于具有测量准确度高和非接触测量的特点，在角度测量中得到了越来越广泛的应用。在二维微角度的光学测量方法中，有人采用四面体棱锥或正弦栅网来代替平面镜作为目标靶镜，但其测角原理也仍然是激光干涉法或自准直法的光学测角原理。 光学测量法中尤其以激光干涉测角技术为主，该方法的最大优点是测量精度高，小角度测量已经达到了极高的准确度。目前应用比较广泛的小角度测量仪器如激光干涉仪或自准直仪，虽然能提供较高的测量精度，但基于此设计的测量系统结构比较复杂、体积较大，因而在工业实际应用中具有较大的局限性，特别是很难与加工机械结合用于在线测量。因此，要寻找体积小、测量分辨率高且具有一定测量范围的小角度测量方法以适应在线测量的要求。本研究拟开发一种全新的角度传感器，它基于光学内反射原理，仅由半导体激光器、光学棱镜、光电器件及相应电路组成，具有体积小、结构简单、调整方便、稳定性高等特点，并可设计适应多种测量精度和测量范围，可广泛用于精密、超精密测量控制，在线精密加工制造领域。基于光学内反射效应的二维角度传感测控系统，由于体积小、测量精度高，因此在超精密加工及测量、在线加工测控等领域具有广泛的应用前 景。该测量技术的开发将解决以往的简单测量对象与复杂庞大测量系统的矛盾， 实现在线测量和生产控制。该检测方法还可实现在生产加工和超精密检测的多方 面的广泛应用。 第二章 角度测量原理 基于光学内反射效应的测角法是由黄佩森等人于1992年提出来的，用该方法设计的测角仪器特别适合于尺寸受限制的小角度在线测量，而且结构简单、成本低。近来，台湾国立交通大学的Ming-Hong Chin等人在此原理的基础上提出了全内反射外差干涉测角方法，该方法把利用光强的变化来测量改为利用相位变化进行测量，扩大了传感器的测量范围，而且抗干扰能量明显增强。香港科技大学的Wei Dong Zhou等人采用了差动共光路结构，大大提高了系统的线性。但由于相位探测法需要双频激光器[6]作为光源，使系统复杂，成本高，在工业生产实际中应用并不多见。近年来，我校在这方面做了一定的理论研究工作，并在其实际应用方面做了大量的研究。 2.1基于光学内反射效应测角法原理 如图2.1所示，在折射率为的媒质A中传播的光被和折射率为的媒质B所形成的界面产生反射和折射，反射光的幅度是由两种媒质的折射率之比、在界面处的入射角以及入射光的偏振态来决定的。菲涅尔反射定律精确地描述了反射光与入射光之间的幅度相位关系。在这里，将电矢量与入射光的入射平面垂直的S偏光和入射光线的入射平面平行的P偏光分开加以讨论。若令其入射角为θ，在媒质B中的折射角为θ，根据光的折射法则，，，θ，θ，有以下关系: θ1作为参数面求θ2，则: 2.2 并且，对于入射光在界面的反射光的反射率和位相[7]的关系，遵从夫朗和费的反射定律。对于S偏光，反射率与，，之间的关系为: 2.3 对于P偏光，有: 将式子 2.2 代入式子 2.3 、 2.4 ，θ作为参数,就可以求出和。 光线如果从折射率高的媒质射向折射率低的媒质，在入射角大于临界角时入射光就会发生全反射，这是众所周知的。在这种情况下，棱镜为折射率高的媒质A，空气为折射率低的媒质B，因，θ，则: 为在界面处发生全反射时的临界角。图2.2所示为反射率、与入射角的曲线。从图中可以看出，S和P偏光在入射角比较小时反射率也比较小，但当入射角在临界角附近时反射率发生急剧的变化。由于反射光和折射光的能量很容易通过光电二极管或者其他的光敏元件来获得，所以、的特性可以被用来进行角度测量。当入射角在临界角附近时，该测量方法可以获得很高的灵敏度，不幸的是反射率与入射角的关系存在固有的非线性又增加了作为角度测量方法的难度。 图2.1内反射情况 图2.2反射率与入射角度曲线 为了克服这种困难并在角度测量中利用这种特性我们必须找到一种方法来消除这种非线性误差的影响。从图2.2中可以看出反射率曲线的斜率随着入射角接近临界角而一直增大，因此考虑选择一个初始入射中心角，利用初始入射中心角左右两边的曲线斜率减小和增大的特性来测量相对于初始入射中心角两边的角度变化并取平均值，这样非线性误差得到了极大的减小。我们称这个角度θ为初始入射中心角。下面将详细讨论这种方法的原理。 假设入射光为S偏光，选定的初始入射中心角为θ，设相对于θ的变化量为?θ，则相对于θ增大的一边的入射角为θ，?θ，相对于θ减小的一边的入射角为θ,?θ，分别代入 2,3 式，则反射率分别为?θ 和?θ ，其中?θ 的台劳 展开式为: (2.6) , , , 这样对于?θ 有: (2.7) 将 2.6 式减去 2.7 可以得出: (2.8) 对比 2.6 式和 2.8 式，可以看出 2.8 式只存在关于的奇次幂部分。此外，为了补偿因入射光的能量波动或反射表面的非一致性而带来的入射光能量的变化，我们利用来正规化反射率之间的微小差异。正规化后的反射率可以表示为: (2.9) 其中: (2.10) 同样地，对于入射光为P偏光时，反射率可表示为: (2.11) 则正规化的输出可以表示为: (2.12) 下面的问题是通过怎样的方法来同时获得和,的角度变化。实际上获得该方法很简单，原理图如图2.3所示。由激光光源[8]输出的入射平行光被分光镜沿直角方向分割，使之入射到被安置成直角的两个相同的反射型棱镜内。被分割而成的两束入射光对于棱镜的反射面的入射角是相同的。若有的入射角的变化，对应的棱镜1的反射角为，棱镜2的反射角为。假设入射光的光强为A，通过分光镜后被分成两束光线光强均为A/2。将从两棱镜出射时的光强分别用,X2表示， 则由前面讨论的S、P偏光的反射率 用 表示 可知: (2.13) (2.14) 则通过正规化演算可得: 图2.3差动检测法光学示意图 2.2二维测角的光路设计 界角角度传感器的光路设计 虽然利用多个临界角角度传感器的组合能使二维角度测量得以实现，但这样安装固定比较复杂，不利于实际应用，而且操作起来也比较困难。因此我们在一维临界角角度传感器的基础上，在二维角度测量方面进行了设计。二维临界角度传感器的系统光路如图2.4所示，其中1为1/4波片，2为半导体激光器，内有准直透镜，棱镜14为偏振分光镜 PBS ，棱镜3、4和13为消偏光分光镜 NPBS ，棱镜5、7、10和11为自制的临界角棱镜，器件6、8、9和12为光电二极管，15为被测平面镜。 其整个结构是在一维角度传感器的基础上增加两套临界角棱镜、分光镜和光电二极管，将它们封装到同一个传感器盒子里，具有结构简洁，测量安装调试方便的优点。其检测机理如下:从被测反射面反射回来的偏振光，通过分光镜3分成能量相等的两束光，其偏振状态保持不变，且分别入射到两个沿直角方向安置的分光镜4和13内，由于分光镜13的分光面在设计时被安装在垂直面内分光，因此能检测到垂直角度的变化，分光镜4被安装在水平面内分光，能够检测到水平面内的角度变化。然后，分别在水平面和垂直面内，垂直安装两套临界角棱镜。对于每一套棱镜其检测原理与一维角度传感器类似。这样当被测平面镜存在一个 二维的角度变化时就可以被同时测量出来。 图2.4二维临界角度传感器系统光路图 1,λ/4波片;2,激光器;14,PBS;3，4，13,NPBS; 5，7，10，11,自制临界角棱镜;6，8，9，12,光电二极管 那么，二维临界角度传感器是否可以看成是两个一维角度传感器的组合呢，即水平方向的偏转角是否会对垂直方向的俯仰角产生影响呢,如图2.4所示为偏转角存在的情况下俯仰角的测量，设当偏转角为时，进行俯仰角测量的入射光线a的入射角度，其中为实际光线的初始入射角度，为测量角度变化量，光线所在平面为ZOI平面。则测量光线a在ZOY平面的投影b为当偏转角为时的入射光线。实际入射角度在ZOY平面的投影为当偏转角为时，即偏转角对俯仰角没有影响时的入射角度值，。其中为理论计算的初始入射角度，为理论角度变化量。由图中的角度关系表示为: 实验选定传感器的测量范围为,?600 arcsec，则有如下结果: (a)入射中心角最大误差; (b)测量最大误差; (c)最大误差值发生在当,600 arcsec处。 图2.5偏转角存在的情况下俯仰角的测量 同样，在有俯仰角存在的情况下，会给偏转角的测量带来同样的误差值。由此可见水平方向的偏转角对垂直方向的俯仰角的测量所产生的影响，或者垂直方向的俯仰角对水平方向的偏转角的测量所产生的影响可以忽略不计，即二维临界角度传感器可以看成是两个一维角度传感器的组合。 第三章 系统设计 3.1光源设计 半导体激光器 激光二极管LD 具有单色性好、方向性好、体积小 采用TO封装 、工作电源电压低 2.5V左右 以及使用方便等优点，广泛应用于光纤通讯制导、测量等领域。本实验采用激光峰值波长为670nm 红色激光输出 ，输出功率为5mW的激光管。其型号为TOLD9211M型，由日本TOSHIBA公司生产。 图3.1为半导体激光二极管在不同温度下的激光输出功率与正向工作电流的关系曲线图。当驱动电流低于阈值时，半导体激光器只能激发出荧光，当驱动电流高于阈值时输出激光，并且驱动功率随着驱动电流的增大而迅速增强。当驱动电流超过最大允许电流时，半导体激光器就有可能烧毁，另外半导体激光器的时间响应速度很快(毫微秒量级)，即使很短的冲击电流也可能将其毁坏。从图中可以看出，半导体激光器在恒定电流条件下，激光二极管随着温度的升高，输出光功率下降;随着温度降低，激光二极管的阈值电流升高。环境的变换对激光器输出功率的影响是很大的。为了使半导体激光二极管输出光功率稳定，有必要设计激光二极管[9]稳功率驱动电路。由于半导体激光器属于非感性负载，在开关闭合和断开的瞬间会产生一个很大的冲击电流，必须加以克服，对激光管加以保护。 图3.1激光功率与工作电流的 3.2处理电路的设计 角度传感器的处理电路框图如图3.2所示，图中，X向为水平方向，即偏转角方向，Y向为垂直方向，即为俯仰角方向。由光电二极管得到的两路光电信号分别通过I-V变换后得到电压值，(偏转角方向)和，(俯仰角方向)，然后通过 加法器得到和，通过减法器得到和，再通过模拟除法器就能得到正规化的反射率输出量和，然后通过16位A/D转换器进行模数转换，由单片机采集数据并进行处理得到结果，最后输出显示。 由于半导体激光器经准直后的激光功率约为0.1毫瓦，通过分光镜分光，再经过临界角棱镜，三次内反射的初始反射率在0.14左右，最后达到光电二极管的光强已经很微弱，处在微瓦数量级。这对处理电路的前向通道[10]提出了很高的要求，因此，选择合适的光电二极管 PD ，以及选择具有良好响应特性的电荷灵敏前置放大器至关重要。 图3.2角度传感器处理电路原理框图 路 数据运算有两种实现方式，一种为软件方式，即直接将两个光电二极管通过前置放大器AD795放大后的电压通过A/D采集，然后通过软件的方式进行正规化运算得到的值。另一种方式为硬件方式，运放U3实现加法器功能，U4实现减法器功能，器件AD734为除法器。 在I-V变换之后采用OP07作为电压跟随器，原因有两个:首先，它提供一个极高的阻抗，但最重要的是应用它的失调调节端来减小非测量光对整个仪器的影响。 由于我们选用的1/4波片的透射率为95%，这样就有5%的光经其表面反射回到系统中。另外器件PBS同样为非理想器件，我们对它的偏振角度进行了测量，结果表明其透射光的偏振角度接近90度，而反射光方向的偏振角度偏差为4度。因此，由于器件的非理想而对整个系统引入非测量光不可避免。如图33所示，半导体激光器[11]发出的激光1经过PBS反射到1/4波片上，经波片的两个表面 反射回PBS，光束4为透射光。 图3.3非理想器件所造成的非测量光光路图这样在没经被测物体表面发射的情况下，仍有一定能量的激光通过分光镜，再经过临界角棱镜反射，投到光电接收器件上。由于整个系统的所有器件都被密封于一个表面漆黑的方盒内，因此这部分光成为非测量光的主要来源。经实际测量，经过I-V变换电路后的电压值在10mV左右，而且这一电压值不随着测量角度的变化而改变，是一定值。而测量光线接近最大量程时，远离入射中心角那一方向的棱镜三次反射后再经I-V变换的输出电压约为几十毫伏。因此实验通过调整OP07的失调调整电阻将非测量光引入的误差减小。虽然如温度变化、电源纹波会对失调电压的大小产生影响，但其影响可以忽略。 图3.4数据运算电路 A/D变换电路 AD976是AD公司推出的快速、低功耗、逐次逼近型16位A/D转换器，它采用AD公司专有的BiCMOS 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 。工作时外围电路简单，可以与8位、16位单片机和DSP方便接口，使用十分方便灵活。AD976芯片内有电容阵列，故不需要外接采样/保持电路。实验中所采用的AD976为28脚双列直插封装，如图35所示 图3.5 AD976管脚图 其主要特性如下: ?快速16位ADC，转换时间10us; ?单5V供电; ?输入电压范围?10V; ?最大功耗100mw; ?片内2.5V基准电压源、时钟及高速并行接口; ?无误码15位; ?最大增益下温度漂移系数??7ppm/?，用片外基准可小于?2ppm/?。 AD976有两种工作模式，其控制时序如图3.5所示。图a模式，始终为低，负跳变启动转换，转换期间为低电平直至转换数据移进输出寄存器才变为高电平。图b模式，启动转换和读均用。当为低时，的负跳变启动转换，当为高时，的负跳变启动数据[12]输出。图为与BYTE端相结合控制数据总线的高、低8位数据输出。 图3.6 AD976的控制时序图 AD976外围电路连接图如图3.7所示。采用两个AD976来代替在前向通道增加模拟开关，目的是为了减小误差项的增加，同时为了满足动态测量的要求，而实现了两个方向同时采集。经过相加、相减、相除后得到的模拟电压经过一个二阶压控电压源巴特沃斯低通滤波器得到正规化模拟信号 X1-X2 / X1+X2 和 Y1-Y2 / Y1+Y2 ，经模拟,数字[13]转换，最后由单片机进行采集处理。单片机选用Atmel公司生产的8位单片机AT89C52，晶振频率为12MHz。 模拟信号区采用AD976数据手册上给出的典型电路。在信号源与输入端接上200Ω的电阻;采用内部时钟基准，3脚REF与2脚AGND1之间接上2.2uF的钽电容;4脚CAP与5脚AGND2之间同样接上2.2uF的钽电容。电阻RA3和RAg3来实现AD的调零，即输入端模拟电压为,1/2LSB ,152.6uV 时，通过调整电阻RA g3，使得数据总线的数据在1111 1111 1111 1111或0000 00000000 0000;电阻RA4和RA g4来实现AD的增益调整，即当输入端模拟电压为FS/2,3/2LSB(9.999542V)时，通过调整电阻RA g4，使得数据总线数据为01111111 1111 1111 或0111 1111 1111 1110。 图3.7 AD976外围电路连接图 在数字信号区，为了获得更高的采样速度通常采用如图3.8所示8051与AD976接口电路图，模拟,数字转换所需的控制时序由硬件产生。但此电路所用的器件较多，连线复杂。实验采用如图3.7所示接法，采用单片机的I/O口直接接在AD976的控制端，通过软件编程来实现AD976完成采集所需要的控制时序。由于AD976为16位二进制补码输出，8051的运算速度受到时钟周期的限制，造成了后续冗长的软件处理时间，因此采用软件控制的方法并不影响角度传感器整体的采样速度。 图3.8 805与AD976接口电路图 路设计 LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，用它作为显示器，其显示方式分为动态显示和静态显示两种。当位数较多时，通常采用动态显示的方式，原因是电路简单、成本低、占用I/O资源少。但是采用动态显示编程复杂，占用相当多的CPU处理时间。为了满足系统高速采集的需要，本实验采用静态显示的方式。 LED采用共阴极红色数码管。74LS164是串行输入、并行输出移位寄存器，并带有清除端，当单片机的串行口不用作串行通信时，可用其扩展并行I/O口。器件CD4066为四入四出开关，在此用作数字量的开关。其连接如图所示，控制端P10、P11用于分别选通X向和Y向的显示，当P10、P11置零时，单片机的串行口用于串行通信。单片机的控制线P12、P13用于74LS164的显示清零，P14、P15控制X向及Y向的显示极性。3.3软件设计 图3.9为该传感器的软件处理流程。运算程序是为了解决显示角度值与AD976输出的数值之间的对应关系，以及进行误差补偿运算。可以看出，程序对X向 偏转角方向 和Y向 俯仰角方向 的采集数据[14]进行了均值滤波。既解决了仪器与人眼之间速度不同的矛盾，又提高了传感器的精度。程序采用汇编语言编写。 个方向AD数据采集子程序流程图显示子程序流程图。实验中AT89C52采用12M晶振，一个时钟周期为1us，采用软件控制的方法耗时20us左右。程序中实现了数字的消隐，即当百位为零时，或者百位和十位同时为零时不显示。 图3.10 AD数据采集子程序流程图显示子程序流程 结 论 本文在总结了当前国内外各种小角度测量技术的基础上，对基于光学内反射效应的二维角度测量方法进行了初步的理论实验研究。对基于光学内反射效应的光学差动测角法进行了详细的理论分析。设计并制作了二维临界角角度传感器装置，并对传感器的性能进行了评价。归纳起来本文的工作主要集中在以下几个方面: 1(查阅了大量二维小角度测量技术的国内外有关文献资料。综合评述了上述技术的国内外发展状况，指出了现有的小角度测量仪器在工业在线测量中应用的局限性，由此说明了本课题工作的意义。 2(针对基于光学内反射效应的测角原理，对光学差动测角法工作原理、技术性能及其特点进行了详细的分析。 3(设计并制作了二维角度传感器装置。这项内容的主要工作包括: 1 设计了二维角度传感器的光路系统和机械结构，并加工了固定各器件的夹持器。 2 设计了用于角度传感器的半导体激光器的驱动电路。 3 设计并制作了信号采样、数据处理及显示电路。 参考文献 [1]陆德基.中国角度计量50年的进展.计测技术[M].长度计量,1999年第六 4,6. [2]张琢动态转角测量及其误差检测技术的研究,哈尔滨工业大学博士学 文,1996年,1-7. [3]浦昭邦角度测量的光学方法，光学技术,2002年,第28卷第2期,168. [4]张彩妮微角度的光学测量,光电子??激光,2002年,第13卷第4期,416. [5]角度计量,中国标准出版社,1984年. [6]刘庆纲角度传感器及其在纳米测试技术中的应用,压电与声光,第五 452-454. [7]E.Hecht,Optics,2nded. Addison-Wesley,Reading,Mass,1989 ,Chap.4:10. [8]刘庆纲液中观察型原子力显微镜 AFM 的研究,天津大学研究生毕业论 1996. [9]王熙半导体激光器稳功率电路设计,黑龙江八一农垦大学学报,20013 2 :49-53. [10]康华光电子技术基础(模拟部分第三版)，高等教育出版社，1998 [11]梁万国光电探测器的设计，半导体光电，1998，19:51,55 [12]光电二极管前置放大器的设计,世界电子元器件,2000, 12:37-40. [13]Fang Xiaoyong.Theoretical analysis of 2D laser angle sensor and several designparameters.Optics&laser technology,2002,34:225-229 [14]Yuki Shimizu.A new surface encoder for multi-axis position detection.ASPE'S16th annual meeting,2001,1226-1229. 致 谢 经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促、 指导以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师张彪老师。张彪老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是张老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了张彪老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次我要特别感谢我的父母，感谢他们把我带到了这个美丽的世界和一直以来对我的关爱，如果没有他们我将不可能完成学业。 其次要感谢和我一起作毕业设计的马琳、刘琼等同学，大家一起努力一起讨论合作，才使得毕业设计顺利的完成。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础;同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会如此顺利。 最后感谢光电工程分院和我的母校―长春理工大学光电信息学院四年来对我的大力栽培。 I