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小角度角位移传感器的设计与研究

作　者: 白勇
导　师: 孙志宏
学　校: 东华大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 线阵CCD 角位移传感器边沿检测误差补偿稳健回归
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

角度是仪器仪表、电子产品和制造业中的重要几何参数之一,它的准确度直接影响着产品的质量和寿命。角度测量的方法有很多种,而基于线阵CCD(电荷耦合器件)的非接触式角度检测方法与传统的机械式、电磁式、光学式测量方法相比有很大的优越性,是目前角度检测研究的重要方向之一。本文致力于用线阵CCD作为测量元件,结合光、机、电等技术成果,研制出一种非接触式、高精度、高抗干扰能力、高可靠性、无绝对零位、价格便宜的小角度角位移传感器。本文首先对线阵CCD的工作原理进行研究,然后根据测量系统的需要选择东芝公司的TCD1501D做为测量元件;在详细介绍的测量模型的测量原理后,建立了测量系统的数学模型,优化了初始位置参数,按照优化后初始位置参数,设计测量装置;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;运用模拟和数字电路技术对CCD视频输出信号进行捕捉、前置放大、差动放大、低通滤波、二值化等处理,同时论证了对二值化后的视频信号采取边沿检测方法更合理、更准确,接下来用设计的单片机系统对二值化后的视频信号计数;用VB自带的MSComm控件设计了与上位机的通信接口以及通信协议,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;最后通过试验发现装置存在着很大的测量误差,分析了几个主要的误差产生原因,建立了误差补偿模型,修正了测量系统的数学模型,减小了测量误差,并使其测量平均误差小于0.03°。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-18
  1.1 课题背景及研究意义  11
  1.2 国内外角位移传感器的研究现状  11-16
    1.2.1 利用磁、电、光的角度测量方法  12-14
    1.2.2 CCD为检测元件的角度测方法  14-16
  1.3 课题来源及研究的主要内容  16
  1.4 本章小结  16-18
第二章线阵CCD的工作原理及主要特性  18-29
  2.1 线阵CCD的基本概念和特点  18-19
  2.2 CCD器件的基本工作原理  19-24
    2.2.1 光电转换与电荷存储  19-21
    2.2.2 电荷转移  21-22
    2.2.3 电荷的注入与检测  22-24
  2.3 CCD器件的主要特性参数  24-28
    2.3.1 转移效率η和转移损失率ξ  24
    2.3.2 光谱响应特性  24-25
    2.3.3 动态范围D_R  25
    2.3.4 光电响应不均匀性PRNU  25-26
    2.3.5 暗电流  26-27
    2.3.6 CCD的噪声  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章角度测量系统数学模型的建立和初始参数确定  29-46
  3.1 二次反射法角度测量原理  29
  3.2 CCD器件的选用  29-30
  3.3 角度测量数学模型的建立  30-32
  3.4 参数确定  32-34
  3.5 论证参数确定的合理性及数学模型的精度分析  34-37
  3.6 测量装置的结构设计  37-38
  3.7 光学系统设计  38
  3.8 基于CPLD技术的CCD高精度驱动电路设计  38-45
    3.8.1 驱动脉冲时序同步分析  39-40
    3.8.2 可编程逻辑器件技术概述  40-42
    3.8.3 基于CPLD技术和VHDL语言的驱动时序电路设计  42-43
    3.8.4 波形仿真  43-45
  3.9 本章小结  45-46
第四章单片机系统及上位机系统的设计  46-61
  4.1 数据采集流程  46-47
  4.2 CCD视频信号的二值化处理  47-52
    4.2.1 CCD视频信号的特征  47-48
    4.2.2 视频输出信号的预处理  48-50
    4.2.3 浮动阈值二值化处理电路  50-52
  4.3 CCD的信号检测方法  52-55
  4.4 脉冲计数电路的设计  55-56
  4.5 监控电路设计  56-57
  4.6 串行通信接口电路设计  57-58
    4.6.1 硬件电路的设计  57
    4.6.2 通信协议  57-58
  4.7 上位机控制界面设计  58-60
    4.7.1 上位机通信流程设计  58-59
    4.7.2 上位机通信界面设计  59-60
  4.8 本章小结  60-61
第五章误差分析与误差补偿  61-73
  5.1 误差补偿的意义  61
  5.2 测量结果及分析  61-64
    5.2.1 试验条件及测量结果  61-62
    5.2.2 误差大小的量度  62-64
  5.3 误差分析  64-69
    5.3.1 系统原理误差  64-65
    5.3.2 零件的加工及装配误差  65-68
    5.3.3 光电响应误差  68-69
    5.3.4 激光污染产生的误差  69
    5.3.5 其他误差  69
  5.4 误差补偿的实现  69-72
    5.4.1 误差补偿的方法  70-71
    5.4.2 误差大小的量度  71-72
  5.5 误差补偿前后比较  72
  5.6 本章小结  72-73
第六章结论及展望  73-74
  6.1 结论  73
  6.2 本文的创新点  73
  6.3 今后的工作  73-74
参考文献  74-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文  78-79
致谢  79

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