高帅[1]2015年在《直线导轨多自由度几何误差同时测量中误差分析与补偿方法的研究》文中研究指明摘要：直线导轨是机械制造业中,精密与超精密设备的关键部件。直线导轨的精确度将直接影响着设备的加工精度,对其精度进行精密检测尤为重要。传统测量方法中的单参数测量费时费力,因此需对多自由度误差同时测量进行研究。而多自由度误差同时测量中,各误差项之间不可避免的存在误差串扰,这对测量结果有着十分大的影响,也成为了多自由度误差同时测量中亟待解决的重要问题。本论文研究了基于双光束基准的除位置误差外的五自由度几何误差同时测量系统,本系统使用氦氖激光器作为光源,各项误差的测量敏感元件分别为角锥棱镜与反射镜,所选用的探测器为位置敏感探测器与四象限探测器。本文的重点工作为对该系统同时测量中产生的误差串扰进行了分析与补偿。本系统中的误差串扰包括偏摆角对水平方向直线度的串扰,俯仰角对竖直方向直线度的串扰,滚转角对水平与竖直方向直线度的串扰,以及滚转角真实值与其测量值之间的函数关系。上述误差均可通过误差补偿模型进行补偿并将其消除,在未对系统进行更加复杂设计的条件下,大幅提高了系统的测量精度。本论文建立了误差补偿的理论模型,并对系统进行了一系列实验。结果表明系统的稳定性以及重复性较好,测量结果与标准仪器相吻合：补偿后的结果证明了补偿模型是有效的。对直线导轨来说,在实际测量中与电子水平仪与激光干涉仪对比,滚转角补偿后的值与标准值之间的误差小于2",水平方向直线度与竖直方向直线度补偿后的值与各自的标准值之间的误差分别为1.9μm与3.5μm。
唐九耀, 张晓华[2]2005年在《一维位置敏感探测器位置准确度和线性度的改进》文中研究说明在常规的条状一维位置敏感探测器(PSD)中,光敏区和位置电阻区是结合在一起的,器件的欧姆接触电极难以做得比较理想,因此器件的位置准确度和线性度也受到了不利的影响。而在梳状一维位置敏感探测器中,光敏区和位置电阻区被分成了梳齿区和梳脊区两部分,并且位置电阻区被设计成很窄的长条,即使掺杂浓度比较高,位置电阻也能做得相当大。这样条状一维位置敏感探测器接触电极上的缺陷就可消除。用两种不同的一维位置敏感探测器所测量的位置特性曲线证实了理论分析的正确性。测量结果还表明,梳状一维位置敏感探测器的位置准确度和线性度比条状一维位置敏感探测器有了显着的提高,梳状一维位置敏感探测器的平均位置误差从条状一维位置敏感探测器的55μm减小到了26μm,梳状一维位置敏感探测器的均方根非线性度从条状一维位置敏感探测器的0.94%减小到了0.09%。
翟昌民[3]2012年在《基于DSP和位置敏感探测器的多光束位置同步检测系统的研究》文中进行了进一步梳理位置敏感探测器（PSD）是基于p-n结的横向光电效应实现光电转换的半导体器件，用来探测入射光点的位置，已被广泛应用于精密测距和定位中。基于PSD的光点位置检测方法有幅值法和相位法，幅值法在应用过程中容易受到背景光等噪声的影响，致使应用范围受到制约；而相位法具有受背景光的影响小、适合多光束探测、信号处理电路简单等优点，能够克服幅值法的许多缺点；但是，目前对相位法的研究比较少，还没有成熟的信号处理电路。基于此，本文提出了基于DSP和位置敏感探测器多光束位置同步检测系统。本文介绍了PSD的研究状况和应用领域，在分析了Lucovusky方程和RC传输线模型的基础上，研究了PSD相位法位置检测原理；为了能够精确的测量PSD输出信号的相位，提出了全相位FFT数据处理方式，并对全相位FFT进行了理论推导，得到了测量PSD输出信号相位的方法。接着设计了PSD多光束位置同步检测系统的总体方案，以总体方案为基础分析了检测系统所需要的器件并对器件进行了选型；根据检测系统的特点，设计了检测系统的软件部分和硬件部分。对检测系统的实验平台进行了介绍，搭建了检测系统的实验平台，进行了一维PSD和二维PSD的标定实验和位置检测实验，最后对实验误差进行了分析，并提出了减小误差的措施。实验表明，PSD输出电流信号的相位差与光点的位置存在着明显的线性关系，这与理论推导的结果相符合；在调制频率允许的范围内，随着调制信号频率的增加，PSD的转换灵敏度也在增加，但是相位差-位置曲线的线性度会下降。PSD的位置检测误差随着光点位置和调制信号频率的变化而变化，光点与PSD中心的距离越大时，位置检测误差越大，同时位置检测误差会随着调制信号频率的增大而增大。本文设计的检测系统能够实现对多个光点的位置进行同步检测，本文的研究工作为多光束位置同步检测提供了一种全新、有效的解决方案。
唐九耀, 林进军, 孙晓斌[4]2005年在《枕型二维位置敏感探测器的研制》文中提出证明了枕型二维位置敏感探测器设计的基本原理———Gear定理,并推导了适用于枕型二维位置敏感探测器的位置计算公式,此外还提出了枕型二维位置敏感探测器的制作工艺和测试结果。采用集成电路工艺所研制的枕型二维位置敏感探测器(光敏面为8 mm×8 mm)表现出良好的光电特性,当反偏为5 V时其暗电流约为15 nA,峰值时的光谱灵敏度超过了0.6 A/W。在所测量的 75%光敏区域内,均方根位置误差约为 0.135 mm,而以均方根位置误差表示的非线性度在1.1%左右,比四边形二维位置敏感探测器的位置线性度提高了近一个数量级。
曾超[5]2003年在《基于二维位置敏感探测器PSD的研究及应用》文中进行了进一步梳理本文详细介绍了一种基于二维位置敏感探测器PSD和单片机信号处理的精密位置测量系统。这一系统采用的方法是通过对位置敏感探测器PSD受到调制目标光源照射后输出的模拟交流信号进行有源带通滤波，提取出代表目标光源的调制频率成份，再将该信号转变为用来参与位置解算的直流信号，然后选用单片机组成硬件电路，对直流信号进行采集处理并与计算机建立通信，把数据送入计算机进行位置解算，分析判别目标光源和PSD器件的相对位置。此方法避免了通常利用固体图像传感器件以扫描成像方式测量位置时，响应速度慢的缺点；系统具有实现简单、功耗低、响应快等特点，它可以应用于许多远距离位置测量和一般工业控制场合。本文对系统实现的关键技术进行了详尽的分析讨论并给出了实验结果。 本文对不同环境光照和不同测试距离下的位置测量要求进行了探讨，对不同的电路匹配参数和不同滤波中心频率的位置测量结果进行了实验比较，认真分析了影响位置测量响应速度和精度的因素，提出了提高PSD器件的抗杂光干扰能力和位置测量精度的措施。 本文还介绍了利用这一关键技术的实时瞄准仿真系统的实现方法。
李世栋[6]2015年在《大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量方法及系统》文中指出快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是一种能够根据输入信号控制和驱动其反射镜面偏转的光学装置,快速并且较准确的调整光路内光线位置的光学装置。压电式快速控制反射镜利用了压电陶瓷迭堆执行器(Piezoelectric ceramic actuators,PCAs)输出的作用力大、体积小、分辨力高、响应速度快的优点,特别适合高精度、高速度、高集成度的应用场合,在自适应光学补偿、光束跟踪和指向、图像稳定、激光扫描、跟踪、捕获、瞄准系统、空间光通信等方面具有广阔的应用前景。目前,大角度快速控制反射镜偏转角度的精确测量问题尚缺乏有效的解决方案。研究一种高精度的动态偏转角度测量方法,并建立相应的测量系统以集成到快速控制反射镜中构成闭环控制系统,可以实现高精度的反馈控制,是快速控制反射镜应用于快速高精度的图像稳定、目标捕获和光束指向的必然要求和前提。本文设计了一种压电式快速控制反射镜,针对其偏转角度测量问题,研究了一种基于位置敏感探测器的大角度动态偏转角度测量方法,建立了测量系统并对其特性进行了分析。在此基础上,设计开发了快速控制反射镜的大角度动态偏转角度测量系统的原型,建立了相应的测试系统进行了实验测试。理论分析结果和实验测试结果表明本文提出的快速控制反射镜的大角度动态偏转角度测量方法和系统能够准确的实现大于3°的动态偏转角度测量。本文研究的主要内容如下:①研究并设计了一种大角度压电式快速控制反射镜,解决了常规的压电式快速控制反射镜偏转角度较小的问题,并对大角度压电式快速控制反射镜系统的驱动电路和控制器进行了分析。②提出了一种针对压电式快速控制反射镜大角度偏转测量的方法,分析了大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统的测量原理并建立偏转角度和光点在位置敏感探测器敏感区域位移的关系。介绍了大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统硬件模块与软件模块,在此基础上,分析了此系统的测量范围、分辨力和误差等特性,证实了大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量方法的可行性。③基于快速控制反射镜偏转角度测量原理,选用合适的光源、透镜和位置敏感探测器PSD设计并搭建了整个光路系统。根据位置敏感探测器本身特性设计并开发了信号处理电路,实现了对位置敏感探测器输出小电流的处理。设计开发了位置敏感探测器处理电路输出信号的采集和计算的软件模块,实现了光点在PSD敏感区域的位置坐标和压电式快速控制反射镜大角度偏转测量结果的显示。④基于搭建的大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统原型设计并进行了位置敏感探测器线性度测试和大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统的纹波测试、测量准确度测试、测量范围测试、分辨力测试,分析了其测量结果误差。测试结果表明角度测量系统的线性度优于95%,纹波小于0.086°,准确度小于0.055°,测角范围大于3°,分辨力优于0.043°。本文设计的大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量系统具有纹波小、测量范围大、准确度和分辨力高的优点,实现了针对压电式快速控制反射镜大角度偏转的准确测量。本文的研究工作为压电式快速控制反射镜大角度偏转的测量奠定了基础,促进了大角度压电式快速控制反射镜的广泛应用。
彭慧[7]2003年在《基于PSD的叁维位置检测新方法》文中研究表明PSD(Position Sensitive Detector)是一种新型的半导体光电位置敏感器件。本文研究了一种应用二维．PSD检测物体叁维空间位置的新方法。 本文完成了以下研究工作： l、深入分析了国内外最新文献资料，对一维PSD和二维PSD的工作原理及其应用进行了研究。 2、深入研究了基于PSD的位置检测技术，在比较了几种检测方法的基础上，研究了一种采用二维PSD检测物体叁维空间位置的新方法：以被测物体上叁个循环点亮的L,ED为探测目标，通过成像系统将发光点成像于PSD的光敏面上，经信号处理，将PSD输出的电流信号转换为发光点的位置信号，建立数学模型，计算得出被测物体的叁维位置。 3、对基于上述方法的叁维位置检测系统进行了研究，设计了验证性实验系统，将PSD传感器、PSD信号处理电路、A／D转换卡、计算机、LED点亮控制电路、电源集成为位置检测实验系统，采用C++Builder5和MatI．ab5．3编制检测软件(包括数据采集模块、数据处理模块、显示模块等)。设计了实验方案并进行了实验研究，验证了本文研究的检测方法的正确性，可行性和实用性。 4、对该位置检测系统的误差进行了初步分析，提出了今后改进的方向，为以后该测量方法和系统的优化和应用提供了参考。 本文为测量被测物体叁维位置提供了一种新颖的检测方法和系统。
侯宝芬[8]2012年在《6D精密激光跟踪测量技术的研究》文中指出激光跟踪仪是近十年发展起来的新型大尺寸空间测量仪器，不仅可对空间静止目标进行高精度叁维直角坐标测量，而且还可对运动目标进行空间位置姿态的跟踪测量，具有安装操作简单、实时快速扫描测量、测量精度高等优点，是大尺寸工业测量和科学测量的重要手段，近年来得到了迅速发展。激光跟踪头结合高精度激光测距技术和经纬仪的精密测角技术，采用点测量方式实现对大尺寸目标工件的尺寸和形位误差测量，为大型部件的装配和检验提供实时测量基准，此外，激光跟踪测量头还可以通过扫描测量方式对平面和曲面进行快速面型测量。6D测量系统可实时监视目标的距离和姿态信息，在大系统的安装对接过程中具有重大的作用。激光跟踪头具有无导轨、动态快速测量、测量精度高、安装移动便捷等特点，在大科学工程安装检测、大型装备建造、航空航天、船舶、汽车、轨道铺设等大型零部件检测和装配过程中具有非常高的应用价值。本论文基于极坐标法测量原理，设计了由激光跟踪测量仪和合作目标组成的6D精密激光跟踪头测量系统，即对目标点的空间坐标（x,y,z）和姿态（俯仰角，偏航角，滚动角）进行测量。激光跟踪头结构部分主要包括干涉激光测距单元、绝对激光测距单元、二维精密跟踪经纬仪、伺服控制单元、空气折射率补偿单元、仪器支架、管理计算机单元、电控箱以及合作目标等。本课题基于3D便携式、多功能精密激光跟踪头项目，采用球坐标法测量原理，设计了单路激光跟踪仪与合作目标组成的六自由度信息测量系统，论文主要对合作目标的设计以及跟踪经纬仪进行了研究，主要工作包括：1.6D激光跟踪测量系统的技术路线。测量系统技术的关键所在，即如何由3D测量发展为6D测量，合作目标所获得数据如何转化为俯仰角、偏航角和滚动角。同时得出了在此系统中跟踪仪坐标系与被测物体坐标系之间的转换矩阵。2.激光跟踪头的整体设计。包括水平轴系、垂直轴系、跟踪反射镜等的设计。本论文的重点在于合作目标的设计，通过对目标反射镜的改装实现手动测量目标点偏航角、俯仰角和滚动角。3.对激光跟踪头进行了系统的精度分析与误差计算。包括跟踪经纬仪的测角精度、测量距离，由角锥棱镜、倾角传感器和位置敏感探测器所产生的合作目标测量误差等，通过计算证明各项误差均可达到所设技术指标。
张婷婷[9]2012年在《位置敏感探测器（PSD）在振镜性能测试中的应用研究》文中研究指明振镜以其高扫描效率，常作为关键部件被广泛应用到扫描成像系统当中，振镜性能的好坏直接影响了成像质量，对其性能参数的测试显得尤为重要。本文以振镜的各项性能指标测试为着手点，设计了一个以光电位置敏感探测器（PSD）为位置敏感接收元器件的集光机电一体化的非接触式测量装置，能够实现振镜各项性能参数的同步测量。本文首先从PSD的物理结构和等效电路两个方面出发，研究了PSD的结构特点和工作原理并对所选用的PSD进行非线性的分析。其次，利用Lucovusky方程推导出PSD的位置与输出信号的关系公式，根据公式设计了PSD的调理电路。利用所设计的二维数控光学位移台分析不同调理电路下的PSD的性能，并根据分析结果选择了合适的调理电路的器件和参数。再次，根据不同的测试参数需求设计了相应的测试光路，利用一维PSD所构成的光路完成最大/有效正负摆角、扫描频率、时间利用率等参数的测量；利用二维枕型PSD所构成的短光程光路完成静止/运动零位重复性的测量；利用二维枕型PSD所构成的长光程光路完成扫描反射镜与电机轴的不平行度的测量。最后，从提高系统精度的角度出发，分析了背景光、激光器、柱面镜等对系统所造成的误差，提出误差补偿的方法。利用所设计的测试系统进行参数测试，并对实验数据进行分析和处理。
吴腾蛟[10]2011年在《基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束同步检测系统研究》文中指出位置敏感探测器是一种基于横向光电效应的半导体器件。它具有响应速度快、分辨率高、信号处理电路简单、环境适应性好等优点,特别适用于位移、角度、距离以及可以间接转化为光斑位置或位移的其它物理量的非接触高精度快速测量。目前基于PSD的光点探测方法有幅值法和相位法两种,相位法具有幅值法无法比拟的一些优点,如位置信息不依赖光强、适合多光束探测、处理电路简单等,但目前针对相位法的研究还不够深入,基本处于理论研究阶段,要将其运用于工程实践还需要做大量的研究。基于此,本文在分析和研究现有技术的基础上,提出并设计了一种基于数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)的PSD相位法多光束检测系统。本文首先介绍了PSD的发展和研究现状,分析了PSD相位法检测技术研究的必要性,提出了基于数字信号处理技术的PSD相位法检测方案;论文接着论证和推导了基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束检测原理,主要包括基于RC传输线模型的相位法检测技术和基于FFT算法的多光束鉴相实现;在此基础上,本文从系统功能需求出发,从性能、经济性和研究周期等方面进行分析,提出了基于TMS320F2812芯片的多光束检测系统的总体设计方案,并按照此方案设计了包括信号调理电路、DSP最小系统和相关软件程序的PSD相位法多光束检测系统;在该实验平台上,本文进行了PSD的单光束和多光束标定实验,并对实验结果进行了分析总结;论文的最后部分对该系统的误差进行了分类和分析并给出了减小误差的方法及建议。实验表明,PSD在正弦调制光的照射下,其输出信号的相位差和光斑位移呈明显的线性关系,其转换灵敏度随着调制频率的增加而增加,这和相位法的理论推导相一致;同时,由于系统还存在较多的误差源,拟合直线的非线性误差比较大,部分测量区域失真明显,需要在后续的研究中进一步完善。本文的研究工作为PSD相位法多光束检测提供了一种全新的、有效的解决方案,并在基于DSP的多光束检测系统下得出了若干重要结论,为后续研究提供了有用参考。
参考文献：
[1]. 直线导轨多自由度几何误差同时测量中误差分析与补偿方法的研究[D]. 高帅. 北京交通大学. 2015
[2]. 一维位置敏感探测器位置准确度和线性度的改进[J]. 唐九耀, 张晓华. 光学学报. 2005
[3]. 基于DSP和位置敏感探测器的多光束位置同步检测系统的研究[D]. 翟昌民. 重庆大学. 2012
[4]. 枕型二维位置敏感探测器的研制[J]. 唐九耀, 林进军, 孙晓斌. 光学学报. 2005
[5]. 基于二维位置敏感探测器PSD的研究及应用[D]. 曾超. 浙江大学. 2003
[6]. 大角度压电式快速控制反射镜偏转角度测量方法及系统[D]. 李世栋. 重庆大学. 2015
[7]. 基于PSD的叁维位置检测新方法[D]. 彭慧. 重庆大学. 2003
[8]. 6D精密激光跟踪测量技术的研究[D]. 侯宝芬. 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所). 2012
[9]. 位置敏感探测器（PSD）在振镜性能测试中的应用研究[D]. 张婷婷. 南京航空航天大学. 2012
[10]. 基于数字信号处理技术的PSD相位法多光束同步检测系统研究[D]. 吴腾蛟. 重庆大学. 2011