一种新型角度传感器的设计

一种新型角度传感器的设计

王　晔,张忠波,唐胜武

(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001)

摘　要:提出了一种采用线阵CC D器件实现小角度测量的设计方案,该方案利用自准直原理进行测量,可以有效地降低测量误差。阐述了自准直测量原理,给出了硬件设计,并采用复杂可编程逻辑器件(CP LD)驱动和检测CC D信号。同时,综合考虑到量程大和测量误差小的具体要求,利用光学拼接的方法满足了设计要求。

关键词:线阵CC D;角度传感器;自准直仪;复杂可编程逻辑器件

中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)01-0045-03

Design of ne w type angle sensor

W ANG Y e,ZH ANG Zhong2bo,T ANG Sheng2wu

(The49th R esearch I nstitute of China E lectronics T echnology G roup Corporation,H arbin150001,China)

Abstract:A design scheme measuring little angle with linear CC D is presented.The autocollimated measurement scheme can prove accuracy effectively.The autocollimated measurement principle is discussed,and hardware design is given.

C om plexity programmable logic device(CP LD)is used to drive and detect the CC

D signal.And the concrete needs for small measurement error and large scale are considered.And a demand of design is met by utilizing optics connection. K ey w ords:linear CC D;angle sens or;autocollimated instrument;CP LD(com plexity programmable logic device)

0　引　言

自准直测角技术在实现小角度的多维、非接触测量中具有独特的优点[1],被广泛用于光学元件的角度测量、平台平面测量、机械轴系的晃动及精密导轨的直线度检测等精密测量中。通常,自准直仪使用机械机构实现对光斑回像的跟踪,存在着跟踪频响及测角精度低的缺点。采用电荷耦合器件(CC D)可以从原理上取消机械机构对光斑回像的跟踪,利用CC D器件的像元自扫描能力测量自准直光斑回像的位置,使跟踪和测量一次完成,并具有较高的测角频响和准确度。

本文提出了一种基于自准直原理采用线阵CC D器件作为检测元件,实现小角度、非接触测量的全新方案,给出了测量原理及传感器硬件设计,该传感器使用单片机系统实现数据的采集、处理及传输,采用RS232串行通信接口实时传输到计算机。

1　测量原理

在光学系统中,当保持入射光线方向不变而使平面镜转动φ角时,反射光线转动2φ角。应用平面镜的这一性质,设计出光学自准直角传感器的光路系统部分,如图1所示。其中,CC D光电检测器件位于物镜的物方焦平面处。

收稿日期:2004-07-25光轴上点F发出的光束,经物镜后为一平行光束。该平行光束被平面镜反射后,再经物镜成像在CC D器件上。如果平面镜与光轴垂直,则反射回来的像点F′与F点重合。如果平面镜与光轴不垂直而倾斜φ角,则反射回来的像点F′与F点就不重合。此时,由CC D器件测量出偏离量FF′就可计算得到平面镜的倾斜角φ[2],它们之间的关系为FF′=f′tg2φ,(1)式中　φ为反射镜偏转角,(°);FF′为回像位移,mm;f′为物镜的焦距,mm。

由式(1)可得

φ=1

2

arctg FF

′

f′

.(2

)

图1　自准直光路原理图

Fig1　Principle diagram of autocollim ation optic p ath

2　光路设计

测量误差和测量范围受到CC D器件像素大小以及像

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　2005年第24卷第1期 传感器技术(Journal of T ransducer T echnology)

素数目的限制,根据本项目的具体要求,必须采用两片CC D 拼接起来应用。CC D 的拼接方法有很多,如,机械拼接法、光学拼接法等。

采用单体线阵CC D 在测量显微镜下将其首尾相拼在一起,叫做CC D 的机械拼接。这种方法工艺简单,容易实现。但是,由于线阵CC D 器件的两端各有若干个用以建立黑、白电平的过渡像素而设置的虚设单元,另外,还有其他电路、引线和封装结构,使得机械拼接不可能使2个线阵

CC D 有效像元首尾完全搭接,总是存在一定的间距。而且,

不容易拼接在同一平面内的同一直线上。

因此,采用光学拼接的方法。这样,2个拼接的CC D 在结构位置上可以分开得很远,这样就可以使相邻的CC D 器件的有效像素单元完全搭接,没有间隙。首先,以分光的方法把光学系统接收的光线均匀地分成两路,形成2个成像效果相同的焦平面。在每个平面对应的不同半视场位置各放置CC D 器件,并使两器件的头尾有效像素搭接。这样成像镜头的像方线视场由搭接起来的2个线阵CC D 有效像素所充满,达到了焦平面的光学拼接的目的。光学拼接不仅可以根据需要在CC D 任意始末像素位置处搭接,而且,拼接后所有像素光的照度均匀,无渐晕现象。为了兼顾测量误差和测量范围大的要求,采用光学拼接方法,并在光路设计中采用两组不同的透镜,如图2所示

。

图2　传感器光学设计原理图

Fig 2　Principle diagram of sensor optics design

其中,透镜1取焦距f 1=50mm ,CC D 器件的像元尺寸

d =8μm ,像元数N =3648,利用式(2)可以计算出测量范

围为±8°,对于无法满足具体的测量范围要求,故采用CC D 拼接技术。透镜2取焦距f 2=64mm ,这样合成后的焦距f

=28mm ,选择同样的CC D ,利用式(2)可以计算出测量范围

为±13.5°,可以满足测量范围的使用要求。

当被测物体旋转角度小于7°时,反射的焦点能够同时落在CC D 1和CC D 2上,由于CC D 1的合成焦距较小,输出较大,故测量结果采用CC D 1的输出;当旋转角度过大,反射光线的焦点已经处于CC D 1之外,此时,采用CC D 2的测量结果。因此,在测量范围内可以满足测量误差的要求。

3　电路设计

传感器处理电路如图3所示,主要包括CC D 驱动电路、CC D 光电检测电路、二值化处理电路、CP LD 检测电路以及MC U 和RS232接口电路等几部分。采用CP LD 产生光电耦合器的驱动信号,被检测对象的光信息通过光学成像系统成像于CC D 的光敏面上,CC D 在一定频率的时钟脉冲的驱动下,在CC D 的输出端可以获得被测对象的视频信号。对CC D 视频信号进行二值化处理后,将CC D 视频信号中图像尺寸信号与背景信号分离成二值电平。采用CP LD 内部计数器计数二值化方波内所通过的标准时钟脉冲数,形成数据传送给单片机,单片机对数据进行相应的计算后,将结果通过

RS232串行通信口传送给上位机。

图3　传感器电路框图

Fig 3　B lock diagram of sensor circuit

外界图像在线阵CC D 的光敏阵列面上形成的输出脉

冲波形图如图4所示。

图4　CCD 输出脉冲波形图

Fig 4　W aveform diagram of output pulse of CCD

FC 与S P 是提供给CC D 的控制脉冲,S P 为像元脉冲,

每个S P 脉冲对应一个像元,FC 为行同步信号,其上升沿对应于CC D 的第1个有效像素单元S 1。U 0为视频输出信号,它的幅度直接反映了像敏单元的照度。反射光聚焦在

CC D 上形成亮线,亮线的像对应着视频输出信号幅度的变

化。在传感器中,需要测量的是从CC D 中点到亮线所在位置的距离,由于亮线是有宽度的,且不能忽略,S 2和S 3之间的距离为亮线宽度,所以,定义亮线宽度的中点为测量的终点。参考上面的输出脉冲波形图,将测量的起点即0刻度对准CC D 的第1个有效像素单元S 1,以(S 3-S 2)/2处为终点,那么,(S 3-S 2)/2-S 1即为0刻度到亮线的距离。假设在这段距离内有N 个像元,则只要对与之相应的S P 脉冲进行计数,计数值N 就代表了这段距离的长度,N 与

CC D 中点的差值即为FF ′,由式(2)可求出角度φ。

实现对CC D 的驱动和读取数据的方法有很多,为了满

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