CCD在高精度水平伺服系统中的应用

　　1　概　述

　　水平伺服系统中少不了倾角检测元件,一般低精度的有自整角机、旋转变压器,其精度只达角分级;而高精度的则有圆感应同步器、加速度计等,但其价格却不是一般的用户所能接受的,因此寻求高性价比的倾角检测元件成了研制实用型高精度水平伺服系统的关键。近年来由于集成电路技术的进步,电荷耦合器件(CCD)的性能不断完善提高,而其价格却不升反降,为其应用开辟了广阔的前景。本文将探讨CCD在高精度水平伺服系统中的应用,主要涉及CCD小角度检测技术及水平伺服技术。

　　2　CCD小角度检测原理

　　如图1所示,CCD小角度检测装置包括光源、光学系统和线阵CCD三个主要部分。光源采用白炽灯,经聚光镜、小孔、分束镜及物镜组发出平行光,投射到反射镜上,反射镜与光轴垂直时,反射回来的光线再经物镜组、分束镜聚焦在线阵CCD的O点,也即CCD在O点处的象元才有输出;而当反射镜与光轴垂直线偏转一个小角度α时,它反射回来的光线经光学系统将聚焦在线阵CCD的H点,对应该点的象元才有输出。因此O、H两点象元输出即可反映反射镜偏转角α的大小,由图示光学系统可知:

式中:f——物镜组的焦距

　　β——反射镜反射的光线与光轴的夹角

　　由光学原理可知:反射镜偏转角α后,入射光线与反射光线的夹角为2α,因此即:

　　上式表明:在物镜组给定的情形下,倾角检测装置的角分辨率取决于线阵CCD的象元尺寸;而倾角检测范围则由线阵CCD象元总数来确定。为满足工程的需要,必须合理设计选择物镜组焦距f以及线阵CCD的主要参数。

　　3　CCD水平伺服系统

　　在该系统中,CCD作为倾角检测元件,其检测精度对系统控制精度起着关键性作用,从上述检测原理分析中可见,其检测精度达到角秒级应该不是太困难,用它组成的CCD水平伺服系统如图2所示,它是一个典型的位置随动系统,其系统分析可参阅有关控制原理的专著,在此不赘述。

　　用在该系统中的CCD倾角检测装置,需解决好CCD输出信号与系统控制信号的匹配问题;再一个就是反射镜的安装位置——与被控制平台平面应重合,才能保证检测出的倾角即被控制平台的倾角。

　　4　小　结

　　CCD小角度检测装置的角分辨率可以达到角秒级,因线阵CCD价格下降,使得高精度CCD水平伺服系统的性价比大幅度提高。须交待的是CCD倾角检测装置本身是无水平基准的,因此在购置系统时,须用更高一级的水平检定仪来进行水平零位定标,这既可说是它的缺点,也可以说是它的特色;再就是CCD倾角检测装置要做到小型化比较困难,如果这些不成为问题,应该说CCD水平伺服系统能够满足高精度、经济实用化的需求。