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,隨著精密制造技術(shù)的迅猛發(fā)展,各個行業(yè)對角度測量的精度、范圍、穩(wěn)定性等不斷提出新的要求。本文針對高精度、大范圍水平傾角測量的應(yīng)用需求,主要設(shè)計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量系統(tǒng),完成了系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計,并對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定、對比、重復(fù)性實驗以及誤差分析。論文主要研究內(nèi)容如下:1、敘述了課題實施背景及研究意義,詳細(xì)分析了目前國內(nèi)外角度測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢,并著重對各種不同水平傾角測量原理及方法進(jìn)行討論,在此基礎(chǔ)上提出了本課題測量方案。2、闡述了系統(tǒng)總體測量方案及系統(tǒng)各部分測量原理,對系統(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,并對系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。3、確定了硬件整體設(shè)計方案,對系統(tǒng)可采用的接收傳感器,包括CCD、QPD以及PSD特點進(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,并給出PSD選取時應(yīng)遵循的幾條準(zhǔn)則。在電路設(shè)計方面,主要分析了多路開關(guān)法以及直接轉(zhuǎn)換法,在直接轉(zhuǎn)換法中對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,對跨阻放大電路的實際輸出模型進(jìn)行分析,根據(jù)運(yùn)放參數(shù)結(jié)合電路實際模型選取合適運(yùn)放,實現(xiàn)微弱電流信號處理,并對電路穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。4、研制了二維光電水平傾角測量系統(tǒng)。對所研制測量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定、對比以及系統(tǒng)重復(fù)性測試實驗,對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對系統(tǒng)S/N、量程、誤差、線性度等參數(shù)進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果表明,儀器在±10mm/m測量范圍內(nèi),信噪比達(dá)73.97dB,線性度優(yōu)于0.25%,絕對誤差不超過±0.05mm/m。5、對系統(tǒng)各部分誤差源進(jìn)行了詳細(xì)討論,對系統(tǒng)液面處折射光以及PBS分光時所導(dǎo)致背景光進(jìn)行了分析,通過建立數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行仿真并給出誤差消除方案;對PSD非線性誤差進(jìn)行討論,并根據(jù)PSD實際模型以及電路噪聲等效模型對PSD測量誤差進(jìn)行計算。最后對本課題進(jìn)行總結(jié),并提出后續(xù)工作改進(jìn)意見。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

1.2.2 水平傾角檢測原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于本文主要對二維水平傾角（俯仰角、滾轉(zhuǎn)角）進(jìn)行檢測，此處著重對水平傾角檢測方法、原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析。檢測水平傾角最傳統(tǒng)且便捷的方法是利用水準(zhǔn)器原理的水平儀進(jìn)行測量，也就是通常所說的氣泡水平儀[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，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。由于其通過肉眼讀數(shù)，因此人眼的視覺誤差、刻線的刻劃誤差以及氣泡邊緣的光聚散效應(yīng)等因素都會對讀數(shù)造成不確定性，很難保證其測量準(zhǔn)確性[35]。

(a) 徠卡 Nivel200 系列實物圖 (b) 徠卡 Nivel200 系列檢測原理圖 1-7 徠卡 Nivel200 系列雙軸電子水平儀美國自動精密工程（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)，沒有機(jī)械運(yùn)動部件，從本質(zhì)上排除了所有外來誤差。常用于建立機(jī)床基座的精確水平基準(zhǔn)、測量加工中心水平運(yùn)動平臺的滾轉(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 通過使用高穩(wěn)定鐘擺傳感器實現(xiàn)水平傾角測量，且具有無線數(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，導(dǎo)軌是否水平以及導(dǎo)軌直線度檢測，雷達(dá)、陀螺儀、武器平臺的調(diào)平，并可以通過使用 Talyvel 6 的差分模式系統(tǒng)將武器裝置對準(zhǔn)參考平臺。圖 1-8 分別為 Talyvel 6 電子水平儀的基本系統(tǒng)、差分系統(tǒng)以及無線接收器。其遠(yuǎn)程傳輸距離為 10 米，中心區(qū)域測量精度高達(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 年推出具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的 2D 水平傾角測量儀，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)行測量。其基于電容測微原理，當(dāng)傳感器傾斜時，位于傳感器兩電極之間的擺相對于兩電極位置發(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﹄娙轀y量產(chǎn)生影響。其中 Levelmatic 31 的擺更大一些，因此在小角度測量時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，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，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物圖，圖 1-10 為 Wyler 公司電子水平儀。
【參考文獻(xiàn)】

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1 何斌;紀(jì)云;沈潤杰;;地下隧道變形檢測的無線傾角傳感器[J];光學(xué)精密工程;2013年06期

2 尚韜;李曦;劉增基;王平;王昕;;新型四象限設(shè)計及其光斑參數(shù)測量方法[J];紅外與激光工程;2012年04期

3 岳春芳;;高精度數(shù)顯智能水平儀的設(shè)計[J];自動化與儀表;2010年12期

4 曹虹;;淺議物理學(xué)中的量綱分析法[J];科技風(fēng);2009年11期

5 彭建學(xué);馬永軍;湯天浩;;一種微弱電流測量儀的設(shè)計[J];上海海事大學(xué)學(xué)報;2008年04期

6 沈金華;楊建國;王正平;;數(shù)控機(jī)床空間誤差分析及補(bǔ)償[J];上海交通大學(xué)學(xué)報;2008年07期

7 劉維東;江海鷹;王宏美;;一種多路光電流采集電路的設(shè)計[J];儀表技術(shù);2008年04期

8 許曉青;王寶光;孫春生;;基于MEMS傳感器技術(shù)的微型化、數(shù)字式傾角儀的研究[J];電子測量技術(shù);2008年02期

9 胡現(xiàn)輝;尤相駿;潘國榮;;電子水平儀應(yīng)用程序開發(fā)[J];測繪信息與工程;2007年05期

10 彭建學(xué);葉銀忠;;微弱信號鎖定放大器噪聲抑制新技術(shù)[J];控制工程;2007年S2期

本文編號：2875641