液体表面反射式二维光电水平倾角测量系统
发布时间：2020-11-09 01:06
角度是精密制造、仪器仪表、天文研究、水利工程、导弹卫星发射以及军事瞄准等领域中的重要参数之一。近年来,随着精密制造技术的迅猛发展,各个行业对角度测量的精度、范围、稳定性等不断提出新的要求。本文针对高精度、大范围水平倾角测量的应用需求,主要设计并研制了一种基于液体表面反射式的二维光电水平倾角测量系统,完成了系统软、硬件设计,并对所设计系统进行了标定、对比、重复性实验以及误差分析。论文主要研究内容如下:1、叙述了课题实施背景及研究意义,详细分析了目前国内外角度测量技术的发展现状以及未来发展趋势,并着重对各种不同水平倾角测量原理及方法进行讨论,在此基础上提出了本课题测量方案。2、阐述了系统总体测量方案及系统各部分测量原理,对系统准直方案进行了讨论,介绍了作为系统角度变化媒介的液体的选取以及系统各部分光学元件的选型及安装,并对系统整体机械结构进行了设计。3、确定了硬件整体设计方案,对系统可采用的接收传感器,包括CCD、QPD以及PSD特点进行了分析,确定使用PSD作为系统光电转换传感器,并对PSD原理、结构、参数进行深入分析,选取合适PSD进行系统设计,并给出PSD选取时应遵循的几条准则。在电路设计方面,主要分析了多路开关法以及直接转换法,在直接转换法中对普通跨阻放大电路和T型网络跨阻放大电路S/N进行讨论,对跨阻放大电路的实际输出模型进行分析,根据运放参数结合电路实际模型选取合适运放,实现微弱电流信号处理,并对电路稳定性进行了分析。4、研制了二维光电水平倾角测量系统。对所研制测量系统进行了标定、对比以及系统重复性测试实验,对实验数据进行分析,对系统S/N、量程、误差、线性度等参数进行了测试。实验结果表明,仪器在±10mm/m测量范围内,信噪比达73.97dB,线性度优于0.25%,绝对误差不超过±0.05mm/m。5、对系统各部分误差源进行了详细讨论,对系统液面处折射光以及PBS分光时所导致背景光进行了分析,通过建立数学模型对其进行仿真并给出误差消除方案;对PSD非线性误差进行讨论,并根据PSD实际模型以及电路噪声等效模型对PSD测量误差进行计算。最后对本课题进行总结,并提出后续工作改进意见。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：
1.2.2 水平倾角检测原理及国内外研究现状由于本文主要对二维水平倾角（俯仰角、滚转角）进行检测，此处着重对水平倾角检测方法、原理及国内外研究现状进行分析。检测水平倾角最传统且便捷的方法是利用水准器原理的水平仪进行测量，也就是通常所说的气泡水平仪[34]。气泡水平仪通常由水准管和基座构成，在曲率半径为 R 的玻璃水准管中装入液体，曲率半径 R 越大，气泡水平仪分辨率越高。在密封前留有一个气泡，并在水准管上刻上刻度。当气泡水平仪发生倾斜时，根据气泡位置判断水平角度倾斜。常用气泡水平仪结构一般分为框式和条式两种。如图 1-2 所示为重庆宏宇量具制造有限公司框式气泡水平仪以及条式气泡水平仪，其精度分为 0.02mm/m（4 ）和 0.05mm/m（10 ）两种。以 0.02mm/m 为例，气泡水平仪数值含义为相距 1m 的两端高度差为 0.02mm。由于其通过肉眼读数，因此人眼的视觉误差、刻线的刻划误差以及气泡边缘的光聚散效应等因素都会对读数造成不确定性，很难保证其测量准确性[35]。
(a) 徕卡 Nivel200 系列实物图 (b) 徕卡 Nivel200 系列检测原理图 1-7 徕卡 Nivel200 系列双轴电子水平仪美国自动精密工程（API）公司双轴电子水平仪，其采用 API 公司先进的“液体电子传感”技术，没有机械运动部件，从本质上排除了所有外来误差。常用于建立机床基座的精确水平基准、测量加工中心水平运动平台的滚转角、俯仰角以及三轴机床轴间的垂直度误差。其测量范围为±800 （±5.8mm/m），分辨率可达0.1 （0.48 m /m），精确度可达±1 （±4.8 ）。英国泰勒-霍普森（Taylor Hobson）公司的 Talyvel 系列电子水平仪是世界上较为高端的水平仪，Talyvel 6 通过使用高稳定钟摆传感器实现水平倾角测量，且具有无线数据传输功能，可应用于远程结构倾斜角度监测，导轨是否水平以及导轨直线度检测，雷达、陀螺仪、武器平台的调平，并可以通过使用 Talyvel 6 的差分模式系统将武器装置对准参考平台。图 1-8 分别为 Talyvel 6 电子水平仪的基本系统、差分系统以及无线接收器。其远程传输距离为 10 米，中心区域测量精度高达0.2 。
于 2006 年推出使用新型半导体传感器的 Clinotronic plus 电子水平仪。2012 年推出具有无线数据传输功能的 2D 水平倾角测量仪，其在±20mm/m 量程下，精度可达 0.001mm/m。后期，Wyler 又推出高精度单轴模拟式水平倾角测量传感器Levelmatic 31 和 Levelmatic C。这两种传感器可提供模拟电流或电压方式输出，测量范围分别为±2mm/m、±20mm/m 以及±15℃、±30℃，且精度高、具有出色的温度稳定性和电磁干扰稳定性，安装紧密、防风、防雨、抗震因此可用于恶劣条件下进行测量。其基于电容测微原理，当传感器倾斜时，位于传感器两电极之间的摆相对于两电极位置发生变化，导致电容变化。传感器单元被完全封装，从而防止湿度变化对电容测量产生影响。其中 Levelmatic 31 的摆更大一些，因此在小角度测量时可以提供更好的信噪比。而 Levelmatic C 的摆更小，在传感器永久倾斜时，可以提供更高的稳定性。Levelmatic 31 在量程为±2mm/m 或±20mm/m 的情况下，灵敏度分别可达 0.001mm/m 或 0.01mm/m。Levelmatic C 在量程为±15 或±30 时，输出灵敏度分别可达0.003 /mV 或0.03 / mV。图 1-9所示分别为上述几种传感器实物图，图 1-10 为 Wyler 公司电子水平仪。
【参考文献】
本文编号：2875641
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：
1.2.2 水平倾角检测原理及国内外研究现状由于本文主要对二维水平倾角（俯仰角、滚转角）进行检测，此处着重对水平倾角检测方法、原理及国内外研究现状进行分析。检测水平倾角最传统且便捷的方法是利用水准器原理的水平仪进行测量，也就是通常所说的气泡水平仪[34]。气泡水平仪通常由水准管和基座构成，在曲率半径为 R 的玻璃水准管中装入液体，曲率半径 R 越大，气泡水平仪分辨率越高。在密封前留有一个气泡，并在水准管上刻上刻度。当气泡水平仪发生倾斜时，根据气泡位置判断水平角度倾斜。常用气泡水平仪结构一般分为框式和条式两种。如图 1-2 所示为重庆宏宇量具制造有限公司框式气泡水平仪以及条式气泡水平仪，其精度分为 0.02mm/m（4 ）和 0.05mm/m（10 ）两种。以 0.02mm/m 为例，气泡水平仪数值含义为相距 1m 的两端高度差为 0.02mm。由于其通过肉眼读数，因此人眼的视觉误差、刻线的刻划误差以及气泡边缘的光聚散效应等因素都会对读数造成不确定性，很难保证其测量准确性[35]。
(a) 徕卡 Nivel200 系列实物图 (b) 徕卡 Nivel200 系列检测原理图 1-7 徕卡 Nivel200 系列双轴电子水平仪美国自动精密工程（API）公司双轴电子水平仪，其采用 API 公司先进的“液体电子传感”技术，没有机械运动部件，从本质上排除了所有外来误差。常用于建立机床基座的精确水平基准、测量加工中心水平运动平台的滚转角、俯仰角以及三轴机床轴间的垂直度误差。其测量范围为±800 （±5.8mm/m），分辨率可达0.1 （0.48 m /m），精确度可达±1 （±4.8 ）。英国泰勒-霍普森（Taylor Hobson）公司的 Talyvel 系列电子水平仪是世界上较为高端的水平仪，Talyvel 6 通过使用高稳定钟摆传感器实现水平倾角测量，且具有无线数据传输功能，可应用于远程结构倾斜角度监测，导轨是否水平以及导轨直线度检测，雷达、陀螺仪、武器平台的调平，并可以通过使用 Talyvel 6 的差分模式系统将武器装置对准参考平台。图 1-8 分别为 Talyvel 6 电子水平仪的基本系统、差分系统以及无线接收器。其远程传输距离为 10 米，中心区域测量精度高达0.2 。
于 2006 年推出使用新型半导体传感器的 Clinotronic plus 电子水平仪。2012 年推出具有无线数据传输功能的 2D 水平倾角测量仪，其在±20mm/m 量程下，精度可达 0.001mm/m。后期，Wyler 又推出高精度单轴模拟式水平倾角测量传感器Levelmatic 31 和 Levelmatic C。这两种传感器可提供模拟电流或电压方式输出，测量范围分别为±2mm/m、±20mm/m 以及±15℃、±30℃，且精度高、具有出色的温度稳定性和电磁干扰稳定性，安装紧密、防风、防雨、抗震因此可用于恶劣条件下进行测量。其基于电容测微原理，当传感器倾斜时，位于传感器两电极之间的摆相对于两电极位置发生变化，导致电容变化。传感器单元被完全封装，从而防止湿度变化对电容测量产生影响。其中 Levelmatic 31 的摆更大一些，因此在小角度测量时可以提供更好的信噪比。而 Levelmatic C 的摆更小，在传感器永久倾斜时，可以提供更高的稳定性。Levelmatic 31 在量程为±2mm/m 或±20mm/m 的情况下，灵敏度分别可达 0.001mm/m 或 0.01mm/m。Levelmatic C 在量程为±15 或±30 时，输出灵敏度分别可达0.003 /mV 或0.03 / mV。图 1-9所示分别为上述几种传感器实物图，图 1-10 为 Wyler 公司电子水平仪。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 何斌;纪云;沈润杰;;地下隧道变形检测的无线倾角传感器[J];光学精密工程;2013年06期
2 尚韬;李曦;刘增基;王平;王昕;;新型四象限设计及其光斑参数测量方法[J];红外与激光工程;2012年04期
3 岳春芳;;高精度数显智能水平仪的设计[J];自动化与仪表;2010年12期
4 曹虹;;浅议物理学中的量纲分析法[J];科技风;2009年11期
5 彭建学;马永军;汤天浩;;一种微弱电流测量仪的设计[J];上海海事大学学报;2008年04期
6 沈金华;杨建国;王正平;;数控机床空间误差分析及补偿[J];上海交通大学学报;2008年07期
7 刘维东;江海鹰;王宏美;;一种多路光电流采集电路的设计[J];仪表技术;2008年04期
8 许晓青;王宝光;孙春生;;基于MEMS传感器技术的微型化、数字式倾角仪的研究[J];电子测量技术;2008年02期
9 胡现辉;尤相骏;潘国荣;;电子水平仪应用程序开发[J];测绘信息与工程;2007年05期
10 彭建学;叶银忠;;微弱信号锁定放大器噪声抑制新技术[J];控制工程;2007年S2期
本文编号：2875641
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/2875641.html
