采用光栅成像原理的光栅位移传感器

本文从光栅成像理论出发，导出了具有结构简单，且能在大间隙下工作的光栅成像型位移传感器。并系统地探讨了这种传感器的理论，给出其实验结果。     

光栅传感器在位移自动测量系统中的应用

介绍一种以单片机为核心的位移自动测量系统,该系统采用光机传感器把被测位移量转变为电信号,经前置放大和电路处理后,送入8031单片机进行综合运算处理后输出,并通过LED显示,文中介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。     

机载刚性支撑式快速控制反射镜设计

设计了一款紧凑型刚性支撑式快速控制反射镜(FSM),以适应机载运动平台的高振动、大冲击和高低温等恶劣工作环境。考虑机载FSM的工作需求,分别对FSM的支撑轴系、驱动元件和测角元件等进行设计与选择。针对刚性支撑轴系设计了轴系间隙调整机构,提高了FSM系统的轴系精度,进一步增大了FSM的承载能力;针对机载FSM研制了专用小尺寸微位移测量传感器,通过将4个传感器非轴线对称布置,并利用二次差分的方式实现反射镜位置的实时监测,进一步减小了FSM系统的体积,提高了它的测量精度。最后,对机载FSM的控制带宽和指向精度进行了实验检测。结果显示:所设计的FSM系统控制带宽约为110Hz,方位指向误差不超过3.4″,俯仰指向误差不超过3.8″,表明所设计的FSM控制系统稳定、响应速度快、指向精度高,满足机载运动平台的应用要求。     

光栅横向位移遥测传感器

介绍了一种光栅横向位移遥测传感器,被测位移和光束方向垂直。该系统利用激光光栅的多普勒效应进行测量,采用差路结构。理论计算和实验表明,此系统测量范围大、信号质量好、分辨率和测量精度高,并具有很大的景深范围,可应用于具体生产环境中的位移遥测。     

基于光学鼠标传感器的中远距离微位移测量装置的设计

在单晶金刚石弹性研磨过程中,测量研磨盘浮动的涡流传感器与盘面的距离较小,不利于研磨盘的调整。为了提高测量距离,提出了一种基于光学鼠标传感器ADNS3080的中远距离的微位移测量方法,分析了测量原理,对测量系统的光路、显示窗口、数据的存储、测量软件部分进行了设计。并通过试验证明该方法能实现中远距离微位移的测量。     

增量式时栅位移传感器中的虚拟仪器设计

本文针对已经提出的增量式时栅位移传感器设计方案,利用VB进行了虚拟仪器设计,并已用于增量式时栅的试验研究。     

光纤传感器在位移测量时的数学模型及设计计算

本文针对测量位移的光纤传感器工作原理,提出了一种数学模型,对不同组装方式的光纤性能进行了分析对比。给出接收光纤受照面积的计算公式和供设计时的参考数据。     

基于图像处理的位移测量传感器设计

针对光栅尺、容栅尺等位移测量仪器不易于现场安装的缺点,提出一种基于图像处理的位移传感器装置,使其在满足分辨率与响应速度的条件下,最大限度降低安装要求。该传感器基于激光鼠标原理,通过改进光学组件,使得传感器与参照物可以保持比较长的非接触空间。同时根据不同场合的需求,换装不同放大率的光学组件,以得到不同工作距离、分辨率的传感器。实验表明,该传感器易于安装在多数平面运动的待测物上,具有成本低、精度高、线性度好的优点,可广泛用于普通机床的数显改造、机器人的精确定位等场合。     

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。     

压电驱动双面快速指向镜的设计

考虑相干激光雷达对光束波前的要求,设计了压电驱动双面快速指向镜系统以实现相干激光遥感探测的高精度大范围指向定位。研究了系统的机械结构和电子学控制方法。结合指向角度、通光口径及信号带宽的实际工程应用需求,选择了合理的致动器和位移放大机构。针对压电陶瓷固有的迟滞和蠕变等非线性效应,设计了以应变片作为位移传感器的模拟比例-积分-微分(Proportion Intergration Differentiation,PID)闭环反馈控制方法。在仿真分析指向镜固有模态频率的基础上,确定了周边支撑的反射镜支撑方式。实验结果表明,该指向系统能够达到指向范围为27 mrad×27mrad、绝对定位精度优于27μrad、偏转速率为2.7rad/s的指标,基本满足激光遥感探测对探测范围、探测精度、探测速率等指向定位的要求。     

提高万向轴系式快速反射镜指向精度的装置

为了减小万向轴系式快速反射镜(FSM)的轴向间隙,改善FSM系统的指向精度,设计了一种轴系间隙消除装置。在明确万向轴系式FSM结构原理的基础上,分析了FSM系统指向误差的来源。然后,设计了轴系间隙消除装置,计算了压缩弹簧预紧力并对它的结构参数进行了设定。最后,针对是否装有轴系间隙消除装置的FSM系统的指向精度进行了对比测试。结果表明:该轴系间隙消除装置能够有效改善FSM系统的指向精度,使其在方位方向提高约4.4倍,俯仰方向提高约3.3倍。此外,在刚性支撑轴系基础上设计的弹性轴向间隙消除装置,不仅改善了万向轴系式FSM的指向精度,还为系统的运动部分提供了二次刚性支撑,从而进一步提高了FSM的承载能力。     

具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计

为了改善快速反射镜(FSM)对车载运动平台振动、冲击环境的适应性,设计了一款具有中心和四周两个双轴柔性铰链支撑结构的FSM。在明确车载跟瞄发射系统应用需求的基础上,分别对FSM的平面反射镜、驱动元件、测角元件和柔性铰链进行了详细设计和选择。采用两两差分的方法对四通道电涡流传感器的测量噪声进行抑制,有效保证了FSM的测量精度。采用有限元分析的方法对中心和四周柔性铰链的模态和刚度进行分析与优化设计,有利保证了FSM控制带宽的提高。完成FSM的精密加工、装调后,对系统的指向精度、控制带宽和阶跃响应时间进行了实验测试分析。结果表明,所设计FSM的指向精度优于1″,闭环控制带宽大于200 Hz,阶跃响应时间约为10 ms,满足车载平台系统的应用需求。     

快速反射镜姿态角的高精度解算

为了提高跟瞄转台出射激光的指向精度,研究了快速反射镜(FSM)姿态角与转台跟踪误差间的关系,提出了FSM姿态角的高精度解算方法。介绍了跟瞄转台出射激光的光路特点和FSM的工作原理;确定了坐标系中入射光与出射光的方向,依据坐标变换理论和光的反射定律,建立了FSM反射镜姿态角与转台跟踪误差间的函数关系。然后,推导出姿态角的解析表达式,描述了姿态角的空间分布规律,并从解析表达式中推出了近似表达式,确定了近似表达式引入的指向误差。最后,通过指向精度实验验证了姿态角解算方法的正确性。实验结果表明:在跟踪误差不超过(A 12.9′,E13.5′)时,应用姿态角解析表达式和近似表达式均能取得优于2.5″的指向精度;跟踪误差增大为(A38.6′,E37.8′)时,解析表达式对应的指向误差仍低于2.5″,而近似表达式对应的指向误差迅速增大为13.2″。得到的结果显示:FSM姿态角的解析表达式不存在原理误差,在任意跟踪误差下均能使出射激光具有高精度指向能力,且其形式简洁,满足伺服控制器快速运算的要求。     

PZT驱动快速控制反射镜的设计与试验

针对望远镜光束对准精确度损失以及光束稳定性难以保持等问题.将快速控制反射镜技术应用到望远镜光路系统中,开展了影响压电陶瓷(PZT)驱动快速控制反射镜性能指标的分析;建立了结构谐振频率、分辨力、通光口径和惯性力等与系统性能之间的关系,根据Rayleigh能量法建立了其基频理论模型,在此基础上建立了有限元模型并对理论模型进行了评价,进行了结构一阶谐振、量程、一致性以及校正能力试验.研究结果表明:与实测结果相比,理论和仿真分析结果误差均小于3％,证明了理论模型简化的合理性与正确性,可以作为后续设计参考;结构双向一致性较好;校正量程大于±4′;校正能力优于0.06″,对于较差视宁(相干长度50 mm,等晕角2”)亦可以满足精度高、响应快的应用要求.     

压电倾斜镜的高压驱动及高速控制

由于压电倾斜镜的机械谐振会降低自适应光学伺服控制系统的校正带宽,本文研究了补偿压电倾斜镜谐振特性的方法。根据压电倾斜镜机械谐振频率特性的动态模型和实测数据,提出了利用压电倾斜镜高压驱动器中现有的可编程逻辑门阵列(FPGA)设计多阶双二次型数字滤波器来优化系统的动态频率响应特性。基于多阶双二次型数字滤波器,高压驱动器能实时补偿驱动对象的频率特性,完成压电倾斜镜的正谐振和反谐振的同时补偿。将其与压电倾斜镜作为一体,可实现平坦的幅频特性,从而避免机械谐振,提高伺服控制带宽。实验结果表明:相对于传统的高带宽高压驱动器,提出的具有频率特性补偿功能的高带宽高压驱动器可在同样超调量下使系统误差带宽从56 Hz提高到了80 Hz,并且低频抑制能力也得到提高。实验显示提出的具有频率特性补偿功能的高带宽高压驱动器更适合压电倾斜镜的高速动态应用。     

机动车载快速反射镜激光指向修正量的解算

为了提高机动车载跟瞄发射系统的瞄准精度,提出在其发射光路中引入快速反射镜来修正发射激光的方向。研究了快速反射镜激光指向修正量和粗红外跟踪脱靶量以及反射镜空间实时绝对角度的关系,结合激光发射光路和红外跟踪光路的结构特点,提出了将船摇坐标变换理论应用到快速反射镜激光指向修正量的解算中。建立了快速反射镜激光指向修正量与粗红外跟踪、快速反射镜空间位置的关系,并通过MATLAB编写了M函数,建立了SIMLINK仿真模型。基于仿真模型得出了激光指向修正量与快速反射镜转角的关系数据以及在快速反射镜工作范围(±6′)内的简化公式。试验结果表明:该解算算法正确,解算精度较高,最大静态解算误差为2.9″;载车在三级公路上以20km/h的速度跑车时,激光指向的控制精度为方位角11.65″、俯仰角15.38″,均满足项目指标要求。