用光传感器测量微小角位移的方法及装置的研究

摘要

角度参数是一需要确定的重要物理量。不仅有以测量角度为目的的检测，还有为了检测的方便和可靠，将其他物理量也转换为角度来检测。角度测量的方法众多，而基于线阵CCD(电荷耦合器件)图像传感器的角度检测方法，较之传统的机械式、电磁式、光学式测量方法，实现了尺寸广泛检测的智能化与自动化。 本课题正是致力于结合CCD技术，提出一种新型的角度测量原理与装置，实现一维微小角度偏转的非接触、在线检测。 本文首先对线阵CCD的工作原理进行研究，然后详细介绍利用二次反射法进行小幅角位移的测量原理，建立系统的数学模型，设计外围测量装置、光路结构，并以此为基础，确定本系统测量用CCD型号、光源；运用VHDL硬件描述语言，结合复杂可编程逻辑器件(CPLD)，在MAX+plusⅡ开发平台上完成对CCD驱动时序电路的设计，提高了系统的可靠性和灵活性。同时，设计和搭建对原始输出信号进行捕捉、前置放大、差动放大和低通滤波等功能的视频信号处理电路，并设计对影响CCD视频输出信号的噪声有明显的抑制效果的浮动阈值二值化处理电路。通过采用8253高速计数器对二值化后的输出信号进行采样计数，确定CCD光敏面上光点的移动位置。设计与上位机的通信接口以及通信协议，借助VB软件自带的MSComm控件，实现与单片机之间的通信，将光点位置信息送入微机中进行运算、处理、显示以及保存。 最后，在所设计的测量装置上的实验，得到角度测量的实验数据，证明本方法是切实可行的，可以实现微小角度偏转的非接触、在线检测。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外角度测量的研究现状

1.2.1 机械测角法

1.2.2 电磁测角法

1.2.3 光学测角法

1.3 课题来源及研究的主要内容

1.4 本章小结

第二章 图像传感器基本工作原理及功能特性

2.1 线阵CCD的基本概念和特点

2.2 CCD器件的基本工作原理

2.2.1 光电转换与电荷存储

2.2.2 电荷转移

2.2.3 电荷的注入与检测

2.3 CCD器件的主要特性参数

2.3.1 转移效率η和转移损失率ξ

2.3.2 工作频率f

2.3.3 光谱响应特性

2.3.4 动态范围DR

2.3.5 光电响应不均匀性PRNU

2.3.6 暗电流

2.4 本章小结

第三章 角度测量系统的构建

3.1 二次反射法角度测量原理

3.1.1 角度测量数学模型的建立

3.1.2 测量装置的结构设计

3.1.3 测角精度分析

3.2 CCD器件的选用

3.2.1 CCD器件的选择原则

3.2.2 型号的确定及其工作原理

3.3 光学系统设计

3.3.1 光源的选择

3.3.2 光路结构

3.4 基于CPID技术CCD高精度驱动电路设计

3.4.1 驱动脉冲时序同步分析

3.4.2 可编程逻辑器件技术概述

3.4.3 基于CPID技术和VHDL语言的驱动时序电路设计

3.4.4 波形仿真

3.4.5 驱动波形的实验检测

3.5 本章小结

第四章 数据采集系统的设计与实现

4.1 数据采集流程

4.2 CCD视频信号的二值化处理

4.2.1 CCD视频信号的特征

4.2.2 视频输出信号的预处理

4.2.3 浮动阈值二值化处理电路

4.3 脉冲计数电路的设计

4.3.1 硬件电路设计

4.3.2 软件实现

4.4 监控电路设计

4.5 串行通信接口电路设计

4.5.1 硬件电路的设计

4.5.2 通信协议

4.6 上位机控制界面设计

4.6.1 MSComm控件的主要属性和方法

4.6.2 上位机通信流程设计

4.6.3 上位机通信界面设计

4.7 本章小结

第五章 实验结果与误差分析

5.1 实验结果分析

5.1.1 测量数据

5.1.2 数据处理

5.2 误差分析

5.2.1 系统原理误差

5.2.2 光电响应误差

5.2.3 动态测量原理误差

5.2.4 计数误差

5.2.5 其他误差

5.3 本章小结

第六章 结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢