基于线阵CCD的精密测角系统

　　引言

　　高精度的角度标定装置,在工业测量、科学实验、国防科技工业等领域有着广泛的应用。例如:运载体(飞机、战车)姿态的确定,机器人移动手臂相对于机体转过的角度的确定,精密数控机床中刀片姿态的确定等等。

　　测量角度的方法有: 机械测量方法,电磁测量方法,光学测量方法以及光电测量方法等。机械测量方法早期应用较多,优点是简单,成本低,但是其设备体积庞大,测量精度不够高,测量延时大,多数情况下不能实时动态测量,而且,也不能实施非接触式测量。电磁测量方法利用电磁感应的原理来测量角度,可实施接触式测量,测量精度高,测量速度快,但不能应用于非接触式测量。几何光学测量方法是利用光的反射折射原理来确定出角度关系的一种测角方法,该方法的精度高,但实现起来较为复杂,需要设计精密的光路,而且往往需要人工干预才能完成测量。而以近代波动光学为基础的光电检测法以其高精度、高可靠性、实现简单、体积小、重量轻、可维护性好等优点。

　　在光学式动态小角度测量系统中, 目前主要采用的方法有圆光栅测角、激光干涉测角和激光自准直测角等。采用圆光栅和激光干涉测角方法研制的动态测角系统,结构一般较为复杂,在应用方式,现场的可用性、动态性和经济方面都存在着不足。根据激光自准直原理,利用激光本身方向性好的特点,以激光光强分布中心作为基准直线,采用 CCD、四象限光电池或PSD 作为光电探测器,可以较好地实现小角度的静态和动态测量。

　　1系统工作原理

　　线阵CCD(Linear Charge Coupled Device)是一种高精度的一维图像传感器,具有体积小、速度快、分辨率高、稳定性好、抗干扰性强、灵敏度高、测量误差小等特点而在高精度非接触测控领域中得到广泛应用。CCD 成像检测的基本原理是在光学系统的作用下,将被测物体的角度变换转化为光束角度的变化,光束照射在CCD 器件的受光传面上,受光窗面受光线照射的像素中产生光生电荷,然后在CCD 驱动脉冲的控制下,将电荷转移并移位传输至输出电路, 经输出电路将电荷量转化为电压量输出。CCD 输出的是模拟量,经放大电路和A/D 转化电路转化为数字量,CPU 将数字量采集后进行计算以生成所需的角度值。当CCD 用于实时测量时,要考虑到整个系统的精度和速度,本文选用的CCD 像素大小为11μm,像敏单元数为2700 个像元,像元复位脉冲采用250kHz,选用的A/D 芯片为TLV1572,采样频率为1.25MSPS。采用的核心处理器为TMS320C5409 其工作频率可达到80MIPS。

　　系统由一反射镜,自准直光学系统,线阵CCD,DSP 及采集电路,CPLD 及驱动电路组成,其工作原理如图1 所示。线阵CCD 垂直于自准直物镜光轴.其中心位于物镜的焦点上。当反射镜法线平行物镜光轴时,狭缝发出的光线.经析光镜、物镜成平行光照射在反射镜的反射面上。经反射镜、物镜作用成像在CCD 中心。当反射镜绕O 点转动角 α 时. 光斑像偏离CCD 中心的距离d 与转角α 的关系为