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1、2005年第24卷第1期传感器技术(JournalofTransducerTechnology)45一种新型角度传感器的设计王晔,张忠波,唐胜武(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘要:提出了一种采用线阵CCD器件实现小角度测量的设计方案,该方案利用自准直原理进行测量,可以有效地降低测量误差。阐述了自准直测量原理,给出了硬件设计,并采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)驱动和检测CCD信号。同时,综合考虑到量程大和测量误差小的具体要求,利用光学拼接的方法满足了设计要求。关键词:线
2、阵CCD;角度传感器;自准直仪;复杂可编程逻辑器件中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1000-9787(2005)01-0045-03DesignofnewtypeanglesensorWANGYe,ZHANGZhong2bo,TANGSheng2wu(The49thResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Harbin150001,China)Abstract:Adesignschememeasuringli
3、ttleanglewithlinearCCDispresented.Theautocollimatedmeasurementschemecanproveaccuracyeffectively.Theautocollimatedmeasurementprincipleisdiscussed,andhardwaredesignisgiven.Complexityprogrammablelogicdevice(CPLD)isusedtodriveanddetecttheCCDsignal.Andtheconc
4、reteneedsforsmallmeasurementerrorandlargescaleareconsidered.Andademandofdesignismetbyutilizingopticsconnection.Keywords:linearCCD;anglesensor;autocollimatedinstrument;CPLD(complexityprogrammablelogicdevice)0引言光轴上点F发出的光束,经物镜后为一平行光束。该平行自准直测角技术在实现小角度的多维、非接触
5、测量中光束被平面镜反射后,再经物镜成像在CCD器件上。如果[1]具有独特的优点,被广泛用于光学元件的角度测量、平台平面镜与光轴垂直,则反射回来的像点F′与F点重合。如平面测量、机械轴系的晃动及精密导轨的直线度检测等精果平面镜与光轴不垂直而倾斜φ角,则反射回来的像点F′密测量中。通常,自准直仪使用机械机构实现对光斑回像与F点就不重合。此时,由CCD器件测量出偏离量FF′就的跟踪,存在着跟踪频响及测角精度低的缺点。采用电荷可计算得到平面镜的倾斜角φ[2],它们之间的关系为耦合器件(CCD)可以从原理上取消机
6、械机构对光斑回像的FF′=f′tg2φ,(1)跟踪,利用CCD器件的像元自扫描能力测量自准直光斑回式中φ为反射镜偏转角,(°);FF′为回像位移,mm;f′为像的位置,使跟踪和测量一次完成,并具有较高的测角频响物镜的焦距,mm。和准确度。由式(1)可得本文提出了一种基于自准直原理采用线阵CCD器件1FF′φ=arctg.(2)2f′作为检测元件,实现小角度、非接触测量的全新方案,给出了测量原理及传感器硬件设计,该传感器使用单片机系统实现数据的采集、处理及传输,采用RS232串行通信接口实时传输到计算机。
7、1测量原理在光学系统中,当保持入射光线方向不变而使平面镜转动φ角时,反射光线转动2φ角。应用平面镜的这一性图1自准直光路原理图质,设计出光学自准直角传感器的光路系统部分,如图1所Fig1Principlediagramofautocollimationopticpath示。其中,CCD光电检测器件位于物镜的物方焦平面处。2光路设计测量误差和测量范围受到CCD器件像素大小以及像收稿日期:2004-07-2546传感器技术第24卷素数目的限制,根据本项目的具体要求,必须采用两片CCD3电路设计拼接起来应用。
8、CCD的拼接方法有很多,如,机械拼接法、传感器处理电路如图3所示,主要包括CCD驱动电光学拼接法等。路、CCD光电检测电路、二值化处理电路、CPLD检测电路以及MCU和RS232接口电路等几部分。采用CPLD产生光电采用单体线阵CCD在测量显微镜下将其首尾相拼在耦合器的驱动信号,被检测对象的光信息通过光学成像系一起,叫做CCD的机械拼接。这种方法工艺简单,容易实统成像于CCD的光敏面上,CCD在一定频率的时钟脉冲的现。但是,由于线阵CCD器
