精密测控与系统课程设计报告周航版

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1、精密测控与系统课程设计报告激光自准直角度测量系统设计摘要半导体光电位置传感器（即PSD）是一种基于横向光电效应的新型半导体光电位置敏感传感器。它除了具有光电二极管阵列和CCD的定位性能外，还具有灵敏度高、分辨率高、响应速度快、电路配置简单等特点，因而被人们所重视。PSD的发展趋势是高分辨率、高线性度、快响应、及信号采集处理等多功能集成。1.激光自准直角度测量的工作原理和测量方法的理解。用光学自准直原理，选用激光二极管(LD)为光源，位置敏感探测器(PSD)为光电探测器，构建了一种基于互相关分析的激光自准直小角度测量系统．为了提高小角度测量精度，该系统对光源进行正弦调制，利

2、用互相关分析解调出待测小角度信息．根据互相关分析理论，设计了信号处理系统，对影响系统精度的主要因素进行了分析．实现了测量样机，并进行了性能测试实验．实验表明，互相关解调系统有效地抑制了噪声的影响，样机具有较高的二维小角度测量精度和示值稳定性，在4-150”范围内。最大非线性误差为o．6”，重复性误差为0．2”，漂移为0．4'74h．激光自准直测角技术自从20世纪60年代出现以来，已成为一门日益重要的小角度精密测试技术，在实现小角度的多维、非接触测量中具有独特的优点，基于该技术研制的测角系统具有灵敏度高、结构简单、使用方便、可以实现二维角度的静态和动态测量等特点。激光自准直

3、测量系统要能够完成独立的测量，首要的任务就是要建立测量系统的数学模型。数学模型一方面是对系统的物理结构的数学描述，使系统更好地被理解；另一方面可以运用数学工具对系统设计中的每一个可变量进行定性分析和定量计算，为系统结构的优化设计提供科学的依据。激光自准直测量模型建立的方法主要有近似模型公式法]和多项式法。近似模型公式法是直接利用正切关系计算平面镜偏转的角度，这种方法精度差．多项式法是通过系统标定，获得一系列标定数据，采用多项式拟合的方法得到测量系统的数学模型，该方法测量精度高，计算量适中。然而，上述两种建模方法只适用于平面镜初始空间位置确定的情况，模型的通用性比较差，给系

4、统参数分析带来困难。2.复习测量系统数学模型建立方法、测量系统标定方法、测量系统误差分析等部分内容。1.查阅常用光电敏感器件4.1CCD电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，CCD）是以电荷包的形式存储和传递信息的全固态器件。CCD的信息输入方式一般为电信息输入和光信息输入二种，分别称为电信息处理CCD和光电转换信息处理CCD，信息的输出均为电压信号方式。光电转换的CCD通常为CCD图像传感器或称CCD，探测的光谱范围覆盖X射线、紫外、可见光、近红外和中波红外光波段。可见光CCD的探测响应范围一般是0.4～0.8V,m;当入射面涂抗反射膜或加紫外光转换层

5、时，光响应范围可扩展到0.3I.Lm的紫外到1.1¨m的近红外，一般会对“可见光CCD”有所说明或强调。可见光CCD采用微电子工艺技术DS2480B+将光电转换单元、存储电容、移位寄存器和输出放大电路制造在硅材料上，封装在塑料、陶瓷或金属管壳内，有光输入窗口，为功能明确的单片可见光图像摄取器件。可见光CCD具有尺寸小、重量轻、功耗低、噪声低、暗电流密度低、响应线性度和均匀性好、动态范围大、光谱响应宽、分辨率高、几何稳定性高、可靠性高和成本低等优点。4.2PSDPSD(PositionSensitiveDetector)是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统

6、响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。因而近年来采用PSD作为位置检测实现技术一直受到重视，并不断研究开发出新的应用技术。研究表明，PSD与CCD器件的最大不同之处是光电位置信号与照射强度相关，以及PSD信号的非线性影响，因而PSD传感装置主要用于一维和二维位置量检测，直接用于D3定位和位置测量还有许多问题需要解决。PSD属于半导体器件，一般做成P+I+N结构，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，其弱点主要是非线性。其工作原理是

7、基于横向光电效应。[2.理解设计指导书中测量系统数学模型的建立方法和公式(1)的推导步详见参考文献6．用MATLAB软件编程完成：计算激光自准直角度测量系统标定系数和静态测试误差。Matlab程序如下：6.1椭圆拟合程序functiona=fitellipse(X,Y)%FITELLIPSELeast-squaresfitofellipseto2Dpoints.%A=FITELLIPSE(X,Y)returnstheparametersofthebest-fit%ellipseto2Dpoints(X,Y).%Theretur