角度是精密制造、儀器儀表、天文研究、水利工程、導(dǎo)彈衛(wèi)星發(fā)射以及軍事瞄準(zhǔn)等領(lǐng)域中的重要參數(shù)之一。近年來(lái),隨著精密制造技術(shù)的迅猛發(fā)展,各個(gè)行業(yè)對(duì)角度測(cè)量的精度、范圍、穩(wěn)定性等不斷提出新的要求。本文針對(duì)高精度、大范圍水平傾角測(cè)量的應(yīng)用需求,主要設(shè)計(jì)并研制了一種基于液體表面反射式的二維光電水平傾角測(cè)量系統(tǒng),完成了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì),并對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定、對(duì)比、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)以及誤差分析。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:1、敘述了課題實(shí)施背景及研究意義,詳細(xì)分析了目前國(guó)內(nèi)外角度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),并著重對(duì)各種不同水平傾角測(cè)量原理及方法進(jìn)行討論,在此基礎(chǔ)上提出了本課題測(cè)量方案。2、闡述了系統(tǒng)總體測(cè)量方案及系統(tǒng)各部分測(cè)量原理,對(duì)系統(tǒng)準(zhǔn)直方案進(jìn)行了討論,介紹了作為系統(tǒng)角度變化媒介的液體的選取以及系統(tǒng)各部分光學(xué)元件的選型及安裝,并對(duì)系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。3、確定了硬件整體設(shè)計(jì)方案,對(duì)系統(tǒng)可采用的接收傳感器,包括CCD、QPD以及PSD特點(diǎn)進(jìn)行了分析,確定使用PSD作為系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換傳感器,并對(duì)PSD原理、結(jié)構(gòu)、參數(shù)進(jìn)行深入分析,選取合適PSD進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),并給出PSD選取時(shí)應(yīng)遵循的幾條準(zhǔn)則。在電路設(shè)計(jì)方面,主要分析了多路開(kāi)關(guān)法以及直接轉(zhuǎn)換法,在直接轉(zhuǎn)換法中對(duì)普通跨阻放大電路和T型網(wǎng)絡(luò)跨阻放大電路S/N進(jìn)行討論,對(duì)跨阻放大電路的實(shí)際輸出模型進(jìn)行分析,根據(jù)運(yùn)放參數(shù)結(jié)合電路實(shí)際模型選取合適運(yùn)放,實(shí)現(xiàn)微弱電流信號(hào)處理,并對(duì)電路穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。4、研制了二維光電水平傾角測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)所研制測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定、對(duì)比以及系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)試實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)系統(tǒng)S/N、量程、誤差、線性度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,儀器在±10mm/m測(cè)量范圍內(nèi),信噪比達(dá)73.97dB,線性度優(yōu)于0.25%,絕對(duì)誤差不超過(guò)±0.05mm/m。5、對(duì)系統(tǒng)各部分誤差源進(jìn)行了詳細(xì)討論,對(duì)系統(tǒng)液面處折射光以及PBS分光時(shí)所導(dǎo)致背景光進(jìn)行了分析,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行仿真并給出誤差消除方案;對(duì)PSD非線性誤差進(jìn)行討論,并根據(jù)PSD實(shí)際模型以及電路噪聲等效模型對(duì)PSD測(cè)量誤差進(jìn)行計(jì)算。最后對(duì)本課題進(jìn)行總結(jié),并提出后續(xù)工作改進(jìn)意見(jiàn)。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

1.2.2 水平傾角檢測(cè)原理及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于本文主要對(duì)二維水平傾角（俯仰角、滾轉(zhuǎn)角）進(jìn)行檢測(cè)，此處著重對(duì)水平傾角檢測(cè)方法、原理及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。檢測(cè)水平傾角最傳統(tǒng)且便捷的方法是利用水準(zhǔn)器原理的水平儀進(jìn)行測(cè)量，也就是通常所說(shuō)的氣泡水平儀[34]。氣泡水平儀通常由水準(zhǔn)管和基座構(gòu)成，在曲率半徑為 R 的玻璃水準(zhǔn)管中裝入液體，曲率半徑 R 越大，氣泡水平儀分辨率越高。在密封前留有一個(gè)氣泡，并在水準(zhǔn)管上刻上刻度。當(dāng)氣泡水平儀發(fā)生傾斜時(shí)，根據(jù)氣泡位置判斷水平角度傾斜。常用氣泡水平儀結(jié)構(gòu)一般分為框式和條式兩種。如圖 1-2 所示為重慶宏宇量具制造有限公司框式氣泡水平儀以及條式氣泡水平儀，其精度分為 0.02mm/m（4 ）和 0.05mm/m（10 ）兩種。以 0.02mm/m 為例，氣泡水平儀數(shù)值含義為相距 1m 的兩端高度差為 0.02mm。由于其通過(guò)肉眼讀數(shù)，因此人眼的視覺(jué)誤差、刻線的刻劃誤差以及氣泡邊緣的光聚散效應(yīng)等因素都會(huì)對(duì)讀數(shù)造成不確定性，很難保證其測(cè)量準(zhǔn)確性[35]。

(a) 徠卡 Nivel200 系列實(shí)物圖 (b) 徠卡 Nivel200 系列檢測(cè)原理圖 1-7 徠卡 Nivel200 系列雙軸電子水平儀美國(guó)自動(dòng)精密工程（API）公司雙軸電子水平儀，其采用 API 公司先進(jìn)的“液體電子傳感”技術(shù)，沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，從本質(zhì)上排除了所有外來(lái)誤差。常用于建立機(jī)床基座的精確水平基準(zhǔn)、測(cè)量加工中心水平運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角以及三軸機(jī)床軸間的垂直度誤差。其測(cè)量范圍為±800 （±5.8mm/m），分辨率可達(dá)0.1 （0.48 m /m），精確度可達(dá)±1 （±4.8 ）。英國(guó)泰勒-霍普森（Taylor Hobson）公司的 Talyvel 系列電子水平儀是世界上較為高端的水平儀，Talyvel 6 通過(guò)使用高穩(wěn)定鐘擺傳感器實(shí)現(xiàn)水平傾角測(cè)量，且具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，可應(yīng)用于遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)傾斜角度監(jiān)測(cè)，導(dǎo)軌是否水平以及導(dǎo)軌直線度檢測(cè)，雷達(dá)、陀螺儀、武器平臺(tái)的調(diào)平，并可以通過(guò)使用 Talyvel 6 的差分模式系統(tǒng)將武器裝置對(duì)準(zhǔn)參考平臺(tái)。圖 1-8 分別為 Talyvel 6 電子水平儀的基本系統(tǒng)、差分系統(tǒng)以及無(wú)線接收器。其遠(yuǎn)程傳輸距離為 10 米，中心區(qū)域測(cè)量精度高達(dá)0.2 。

于 2006 年推出使用新型半導(dǎo)體傳感器的 Clinotronic plus 電子水平儀。2012 年推出具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的 2D 水平傾角測(cè)量?jī)x，其在±20mm/m 量程下，精度可達(dá) 0.001mm/m。后期，Wyler 又推出高精度單軸模擬式水平傾角測(cè)量傳感器Levelmatic 31 和 Levelmatic C。這兩種傳感器可提供模擬電流或電壓方式輸出，測(cè)量范圍分別為±2mm/m、±20mm/m 以及±15℃、±30℃，且精度高、具有出色的溫度穩(wěn)定性和電磁干擾穩(wěn)定性，安裝緊密、防風(fēng)、防雨、抗震因此可用于惡劣條件下進(jìn)行測(cè)量。其基于電容測(cè)微原理，當(dāng)傳感器傾斜時(shí)，位于傳感器兩電極之間的擺相對(duì)于兩電極位置發(fā)生變化，導(dǎo)致電容變化。傳感器單元被完全封裝，從而防止?jié)穸茸兓瘜?duì)電容測(cè)量產(chǎn)生影響。其中 Levelmatic 31 的擺更大一些，因此在小角度測(cè)量時(shí)可以提供更好的信噪比。而 Levelmatic C 的擺更小，在傳感器永久傾斜時(shí)，可以提供更高的穩(wěn)定性。Levelmatic 31 在量程為±2mm/m 或±20mm/m 的情況下，靈敏度分別可達(dá) 0.001mm/m 或 0.01mm/m。Levelmatic C 在量程為±15 或±30 時(shí)，輸出靈敏度分別可達(dá)0.003 /mV 或0.03 / mV。圖 1-9所示分別為上述幾種傳感器實(shí)物圖，圖 1-10 為 Wyler 公司電子水平儀。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2875641