CN110095091A - 一种小角度测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种小角度测量仪及其测量方法，属于角度测量领域。本发明提供一种能够自检的、测量结果精准的小角度测量仪及其测量方法。本发明中，半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，反射镜将光源反射至双胶合物镜上，两组PSD调理电路的输入端均与双胶合物镜的输出端连接，两组测温元件分别设置在两组PSD调理电路上，两组测温元件的输出端均与FIR控制滤波模块的输入端连接，FIR控制滤波模块和两组PSD调理电路的输出端均与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接。本发明主要用于小角度测量。

Description

一种小角度测量仪及其测量方法

技术领域

本发明属于角度测量领域，尤其涉及一种小角度测量仪及其测量方法。

背景技术

小角度测量仪器在机械制造业和其他工业的自动检测技术中占有重要地位，广泛应用在电力、水利、建筑、航空航天、公路铁路交通等各行业领域的测量中。为了保证小角度测量仪器的测量精度和可靠性，需要对测量仪器做定期检定。根据国标GB/T7665-2005，测量仪器校准(标定)指的是在规定的条件下，通过一定的试验方法记录相应的输入输出数据，以确定传感器性能的过程。

小角度测量仪在应用在航空航天方面主要是在研究太空中磁场对星敏传感器伸展杆弯曲度的影响，需要对三维小角度进行精密测量。但是由于卫星的安装测量空间狭小，且温度变化剧烈，从而影响测量精度。

因此，就需要一种能够自检的、测量结果精准的小角度测量仪及其测量方法。

发明内容

本发明针对现有的小角度测量仪不能自检、测量结果不精准的缺陷，提供一种能够自检的、测量结果精准的小角度测量仪及其测量方法。

本发明所涉及的一种小角度测量仪及其测量方法的技术方案如下：

本发明所涉及的一种小角度测量仪，它包括小角度发生装置和小角度测量装置；所述小角度发生装置包括电源模块、半导体激光器、反射镜和双胶合物镜；所述电源模块的输出端与半导体激光器的输入端连接，所述半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，所述反射镜将光源反射至双胶合物镜上，所述双胶合物镜的输出端与小角度测量装置的输入端连接；所述小角度测量装置包括两组测温元件、两组PSD调理电路、FIR控制滤波模块、数据处理模块和显示模块；所述两组PSD调理电路的输入端均与双胶合物镜的输出端连接，所述两组测温元件分别设置在两组PSD调理电路上，所述两组测温元件的输出端均与FIR控制滤波模块的输入端连接，所述FIR控制滤波模块和两组PSD调理电路的输出端均与数据处理模块的输入端连接，所述数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接。

进一步地：所述数据处理模块还包括单片机、单片机底板、放大电路、AD转换模块和AD集成板，所述单片机和放大电路均集成在单片机底板上，所述AD转换模块集成在AD集成板上，所述两组PSD调理电路的输出端均与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与AD转换模块的输入端连接，所述FIR控制滤波模块和AD转换模块的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与显示模块连接。

进一步地：所述显示模块是型号为ILI9341液晶屏，所述AD转换模块的型号为AD7606，所述单片机的型号为STM32F103ZF，所述PSD调理电路包括PSD传感器。

一种基于所述的小角度测量仪的测量方法，它包括以下步骤：

步骤一、所述半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，所述反射镜将光源反射至双胶合物镜上，所述双胶合物镜将光源信息传输给两组PSD调理电路；

步骤二、所述两组PSD调理电路将光点的位移变化转换为光电流信号后输出，由于PSD传感器上的各个电极位于PSD传感器的不同位置，当光源照射在PSD传感器上时，各个电极所接受的光电流大小不同，因此通过检测各个电极的光电流大小可以确定光点的位置；

步骤三、所述两组PSD调理电路将得到的电流信号通过放大电路和AD转换模块转换成数字量输入给单片机；

步骤四、所述两组测温元件实时检测两组PSD调理电路的温度变化量，并将温度变化量实时传输给FIR控制滤波模块，所述FIR控制滤波模块通过温度补偿算法对温度变化量进行补偿；

步骤五、所述单片机将补偿信号与角度信号进行补偿，将补偿后的角度信号实时传输给显示模块。

进一步地：在步骤四中，所述的温度补偿算法包括以下步骤：

步骤四一、设温度-角度补偿的公式为：

v_t＝v₀/[1-k_θ(θ-θ_ref)]-(aT³+bT²+cT+d) (1)

其中v₀为未补偿前的检测值，k_θ为角度补偿系数，θ为瞬时角度值，θ_ref为基准角度，T为当前温度值，a，b，c，d为温度补偿系数；

首先求解温度补偿系数的值，设温度补偿算法函数为：

v_tT＝aT³+bT²+cT+d (2)

进行多项式拟合，通过matlab软件进行求解，得：

a＝0,b＝0.0006,c＝0.0675,d＝-1.0929 (3)

然后求解角度补偿系数的值；将每个点的检测值除以该点的实际理论值，将相邻两点的比值做差，取其差值的平均值为k_θ，得：

k_θ＝0.001984 (4)

设基准角度θ_ref为75.6"，得到求解系数的温度-角度补偿公式为

v_t＝v₀/[1-0.001984(θ-75.6)]-(0.0006T²+0.0675T-1.0929) (5)。

本发明所涉及的一种小角度测量仪及其测量方法的有益效果如下：

本发明所涉及的一种小角度测量仪及其测量方法，系统软件首先完成初始化配置，启动AD7606采集PSD调制电路输出的模拟电压信息，并将获取的数据进行初步处理，筛选出合适的数据作为此时的位置信息。然后将位置信息转换为角度信息，完成误差补偿，最后将角度信息通过ILI9325液晶屏完成显示。AD采样完成后发送给STM32的为数字电压值，显示角度信息，因此在角度计算子程序中不仅需要以软件方式完成硬件电路误差的补偿，还要将数字电压转换成角度信息。对在测量过程中产生的温度干扰因素进行过滤。最终使测量结果在经过温度补偿处理之后，可以达到高速度精密测量的目的。

附图说明

图1为小角度测量仪的原理结构框图；

图2为电源模块的电路图；

图3为主程序流程图；

图4为角度计算子程序的流程图；

图5为单通道采集的流程图；

图6为显示子程序流程图；

图7为-20℃～40℃温度漂移情况图；

图8为PSD线性度检测实验数据图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

结合图1和图2说明本实施例，在本实施例中，本实施例所涉及的一种小角度测量仪，它包括小角度发生装置和小角度测量装置；所述小角度发生装置包括电源模块、半导体激光器、反射镜和双胶合物镜；所述电源模块的输出端与半导体激光器的输入端连接，所述半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，所述反射镜将光源反射至双胶合物镜上，所述双胶合物镜的输出端与小角度测量装置的输入端连接；所述小角度测量装置包括两组测温元件、两组PSD调理电路、FIR控制滤波模块、数据处理模块和显示模块；所述两组PSD调理电路的输入端均与双胶合物镜的输出端连接，所述两组测温元件分别设置在两组PSD调理电路上，所述两组测温元件的输出端均与FIR控制滤波模块的输入端连接，所述FIR控制滤波模块和两组PSD调理电路的输出端均与数据处理模块的输入端连接，所述数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接。

更为具体地：所述数据处理模块还包括单片机、单片机底板、放大电路、AD转换模块和AD集成板，所述单片机和放大电路均集成在单片机底板上，所述AD转换模块集成在AD集成板上，所述两组PSD调理电路的输出端均与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与AD转换模块的输入端连接，所述FIR控制滤波模块和AD转换模块的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与显示模块连接。

更为具体地：所述显示模块是型号为ILI9341液晶屏，所述AD转换模块的型号为AD7606，所述单片机的型号为STM32F103ZF，所述PSD调理电路包括PSD传感器。

小角度测量仪的总体结构框图如图1所示，PSD调理电路完成信号的转换与初步处理，即是由光学自准直系统将角度的变化转换为PSD上的光点位移变化，将光电流信号转换为模拟电压信号，由数据处理模块对模拟电压信号进行放大与滤波处理；数据处理模块包括放大电路、A/D转换模块和单片机；由放大电路和A/D转换模块进行模拟电压的采集，由单片机将数字信号处理为角度值并由内置的补偿算法完成对数据的修正，最后通过显示模块输出最终的测量结果。

一种基于所述的小角度测量仪的测量方法，它包括以下步骤：

步骤一、所述半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，所述反射镜将光源反射至双胶合物镜上，所述双胶合物镜将光源信息传输给两组PSD调理电路；

步骤二、所述两组PSD调理电路将光点的位移变化转换为光电流信号后输出，由于PSD传感器上的各个电极位于PSD传感器的不同位置，当光源照射在PSD传感器上时，各个电极所接受的光电流大小不同，因此通过检测各个电极的光电流大小可以确定光点的位置；

步骤三、所述两组PSD调理电路将得到的电流信号通过放大电路和AD转换模块转换成数字量输入给单片机；

步骤四、所述两组测温元件实时检测两组PSD调理电路的温度变化量，并将温度变化量实时传输给FIR控制滤波模块，所述FIR控制滤波模块通过温度补偿算法对温度变化量进行补偿；

步骤五、所述单片机将补偿信号与角度信号进行补偿，将补偿后的角度信号实时传输给显示模块。

更为具体地：在步骤四中，所述的温度补偿算法包括以下步骤：

步骤四一、由实验数据与实验图表可知，角度测量仪受温度影响较大，同时由于PSD非线性等原因造成的测量数据漂移现象，造成测量精度无法达到预期目标，应进行温度-角度补偿。设温度-角度补偿的公式为：

v_t＝v₀/[1-k_θ(θ-θ_ref)]-(aT³+bT²+cT+d) (1)

其中v0为未补偿前的检测值，kθ为角度补偿系数，θ为瞬时角度值，θref为基准角度，T为当前温度值，a，b，c，d为温度补偿系数；

首先求解温度补偿系数的值，从图8我们可以看出角度测量值与温度的关系近似为一条直线，所以设温度补偿算法函数为

v_tT＝aT³+bT²+cT+d (2)

根据表1中的数据进行多项式拟合，通过matlab软件进行求解，得：

a＝0,b＝0.0006,c＝0.0675,d＝-1.0929 (3)

然后求解角度补偿系数的值；将每个点的检测值除以该点的实际理论值，将相邻两点的比值做差，取其差值的平均值为kθ，得：

k_θ＝0.001984 (4)

设基准角度θref为75.6"，得到求解系数的温度-角度补偿公式为

v_t＝v₀/[1-0.001984(θ-75.6)]-(0.0006T²+0.0675T-1.0929) (5)。

未进行温度补偿时，由于测量系统为铝制材料，受温度变化影响较大，表1为未补偿前的测量系统检测结果。在实验中，将光学系统放在高低温箱内，测量控制系统单元放在箱外，温度区间为-20℃～40℃，间隔为10℃每十分钟记录一次测量数值。根据最后数值绘制图表如图7所示。

表1-20℃～40℃测量数据

未进行角度补偿时，由于PSD存在非线性等原因会造成测量结果不稳定，表2为未补偿前使用精密工作台NEWFOCUS8753进行检测的结果。在实验中，我们从3.6"开始测量并记录为初始值，每次移动4"并记录实验值，与理论值进行对比，并计算出每次的角秒增量，部分数据如下：

表2 PSD线性度检测实验数据

Table 5-4 PSD linearity test experimental data

从表2中可以看出，在任意位置移动4角所获得的测量结果不稳定。依据实验数据绘制出图表如图8。根据温度-角度补偿算法对表1与表2的检测结果进行修正得到修正值记录如表3与表4。

表3温度补偿修正数据

表4角度补偿修正数据

从表3与表4的中可以看出，进行温度补偿后，温度漂移的影响可以忽略，进行角度补偿后从任意位置移动4"都可以获得准确的测量结果，达到了设计目标。

由于PSD的输出为微弱的光电流信号，因此信号调理电路设计的关键在于放大与滤波。接着介绍了三维小角度测量仪的控制核心，嵌入式PSD传感器的主要作用是将光点的位移变化转换为光电流信号后输出，因此其主要由PN结构成；其中光敏面为P型层；PSD传感器采用的主要材料为半导体硅，由于各个电极位于PSD传感器的不同位置，当光点照射在PSD传感器上时，各个电极所接受的光电流大小不同，因此通过检测各个电极的光电流大小可以确定光点的位置。

二维PSD传感器共有五个电极可以确定光点在两个方向上的角度值，其中的两个电极输出光电流代表X方向的位移，另两个电极输出光电流代表Y方向上的坐标，最后一个是电压电极，光点位置可以通过以下公式确定：

小角度测量仪通过PSD光电位置敏感器件检测光点的位置变化来实现角度的检测，它的线性度、灵敏度、位置误差、分辨力、工作温度直接影响小角度测量仪的整体性能，因此选择精度高、线性度好、分辨力强的PSD传感器非常重要；PSD传感器最小分辨力应为1.0μm，位置误差应优于3μm；PSD-0909是改进的四面型表面安装传感器，主要应用于光点检测、标点设备(电脑鼠标、轨迹球)、位置测量领域中；其具有大光感应区、表面贴装芯片载体封装(自动安装，回流焊)、采用薄型封装，厚度为1.26mmt。

如图3-图6所示，小角度测量仪主要完成数据采集、数据处理、误差补偿与数据显示工作。系统软件首先完成初始化配置，如设置系统定时器、时钟等。接着启动AD7606采集PSD调制电路输出的模拟电压信息，并将获取的数据进行初步处理，筛选出合适的数据作为此时的位置信息。然后将位置信息转换为角度信息，完成误差补偿，最后将角度信息通过ILI9325液晶屏完成显示。AD采样完成后发送给STM32的为数字电压值，显示角度信息，因此在角度计算子程序中不仅需要以软件方式完成硬件电路误差的补偿，还要将数字电压转换成角度信息。

在角度计算子程序中首先采集100个电压数据，然后将这100个数据进行快速排序，去掉10个最大值与10个最小值后，对剩余的80个电压数据求和取平均值作为此刻的光点位置信息；接着将位置信息通过公式(7)转换为角度信息，并进行误差补偿。

α＝v×n (7)

其中α为角度值，x为电压值，n为转换系数，约为755，具体值需要在实验中进行实际测量后调整确定；最后将计算后的角度值发送到液晶屏上进行显示，分辨率为0.01；PSD输出的信号经过放大与滤波后，可由AD7606直接进行数据采集。AD7606与STM32之间采用SPI协议进行通信。AD7606可以同时进行8路信息采集，采样子程序首先进行复位并进行初始化，接着写寄存器并开始数据采集，其中第一次写通信寄存器为配置读写寄存器工作模式为写模式，第二次写通信寄存器为对目标寄存器进行写操作。最后读取数据寄存器中的数据并发送给STM32；ILI9325与STM32通过SPI协议进行通信，工作在并行16位模式，共有16根数据线，3根命令控制线。程序中首先完成系统的初始化，接着将字符发送给ILI9325并完成显示，使用循环查询字符串是否显示完成。

通过小角度测量仪软件程序的设计可知，系统通过软件采集PSD输出的模拟电压信号并进行数据处理，转换为所需要的角度信息并通过软件方式补偿系统硬件电路的误差，最后完成数据的显示。在系统软件编程中，还加入了温度补偿模型，通过温度补偿模型减小由温度变化导致的测量误差，由于温度补偿模型需要测试小角度测量系统的温度特性。

测量控制系统的设计，嵌入式测量控制系统由AD采样模块、控制模块与显示模块组成。首先AD采样模块完成数据的采集后，控制模块通过对数据进行排序、筛选处理，并完成电压信号与角度信息之间的转换，最后由显示模块完成角度信息的显示。嵌入式系统与AD转换系统保证了小角度测量系统的控制精度为16位，并满足了通信与显示要求。最后介绍了小角度测量系统的AD采样子程序、角度计算子程序与显示子程序软件设计流程，完成将模拟电压信号转换为所需要的角度信息，并通过软件方式补偿硬件电路误差。

Claims (5)

1.一种小角度测量仪，其特征在于，它包括小角度发生装置和小角度测量装置；所述小角度发生装置包括电源模块、半导体激光器、反射镜和双胶合物镜；所述电源模块的输出端与半导体激光器的输入端连接，所述半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，所述反射镜将光源反射至双胶合物镜上，所述双胶合物镜的输出端与小角度测量装置的输入端连接；所述小角度测量装置包括两组测温元件、两组PSD调理电路、FIR控制滤波模块、数据处理模块和显示模块；所述两组PSD调理电路的输入端均与双胶合物镜的输出端连接，所述两组测温元件分别设置在两组PSD调理电路上，所述两组测温元件的输出端均与FIR控制滤波模块的输入端连接，所述FIR控制滤波模块和两组PSD调理电路的输出端均与数据处理模块的输入端连接，所述数据处理模块的输出端与显示模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种小角度测量仪，其特征在于，所述数据处理模块还包括单片机、单片机底板、放大电路、AD转换模块和AD集成板，所述单片机和放大电路均集成在单片机底板上，所述AD转换模块集成在AD集成板上，所述两组PSD调理电路的输出端均与放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与AD转换模块的输入端连接，所述FIR控制滤波模块和AD转换模块的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的输出端与显示模块连接。

3.根据权利要求2所述的一种小角度测量仪，其特征在于，所述显示模块是型号为ILI9341液晶屏，所述AD转换模块的型号为AD7606，所述单片机的型号为STM32F103ZF，所述PSD调理电路包括PSD传感器。

4.一种基于权利要求3所述的小角度测量仪的测量方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、所述半导体激光器输出的光源投射在反射镜上，所述反射镜将光源反射至双胶合物镜上，所述双胶合物镜将光源信息传输给两组PSD调理电路；

步骤二、所述两组PSD调理电路将光点的位移变化转换为光电流信号后输出，由于PSD传感器上的各个电极位于PSD传感器的不同位置，当光源照射在PSD传感器上时，各个电极所接受的光电流大小不同，因此通过检测各个电极的光电流大小可以确定光点的位置；

步骤三、所述两组PSD调理电路将得到的电流信号通过放大电路和AD转换模块转换成数字量输入给单片机；

步骤四、所述两组测温元件实时检测两组PSD调理电路的温度变化量，并将温度变化量实时传输给FIR控制滤波模块，所述FIR控制滤波模块通过温度补偿算法对温度变化量进行补偿；

步骤五、所述单片机将补偿信号与角度信号进行补偿，将补偿后的角度信号实时传输给显示模块。

5.根据权利要求4所述的一种小角度测量仪的测量方法，其特征在于，在步骤四中，所述的温度补偿算法包括以下步骤：

步骤四一、设温度-角度补偿的公式为：

v_t＝v₀/[1-k_θ(θ-θ_ref)]-(aT³+bT²+cT+d) (1)

其中v₀为未补偿前的检测值，k_θ为角度补偿系数，θ为瞬时角度值，θ_ref为基准角度，T为当前温度值，a，b，c，d为温度补偿系数；

首先求解温度补偿系数的值，设温度补偿算法函数为：

v_tT＝aT³+bT²+cT+d (2)

进行多项式拟合，通过matlab软件进行求解，得：

a＝0,b＝0.0006,c＝0.0675,d＝-1.0929 (3)

然后求解角度补偿系数的值；将每个点的检测值除以该点的实际理论值，将相邻两点的比值做差，取其差值的平均值为k_θ，得：

k_θ＝0.001984 (4)

设基准角度θ_ref为75.6"，得到求解系数的温度-角度补偿公式为

v_t＝v₀/[1-0.001984(θ-75.6)]-(0.0006T²+0.0675T-1.0929) (5)。