光电自准直仪自适应光源设计方法研究.pdf

2014年12月
宇航计测技术
Dec.,2014
第34卷第6期
Journal of Astronautic Metrology and Measurement
Vol 34 No 6
文章编号:1000~7202(2014)06-0001-03
中图分类号:TH741
文献标识码:A
光电自准直仪自适应光源设计方法研究
周军王镨磊沙春哲王春喜王占涛
(北京航天计量测试技术研究所,北京1000%6)
摘要介绍了一种自适应光源设计方法。利用反馈原理自动校正自准直光源参数,调节发光强度,降低
了自准直仪对反光雨、使用环境的苛刻要求,提高了仪器的环境通用性及測量精度。
关键词自准直自适应光源PID运算
Study of Adaptive Light Source for Photoelectric
Autocollimator
Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology, Beijing 100076/2
ZHOU Jun WANG Kai-lei SHA Chun-zhe WANG Chun-xi WANG Zhan-ta
Abstract The Method of adaptive light source design has been introduced. The condition of
using environment and reflect-plane is reduced, by using the principle of feedback revised adaptive light
source automatically. The commonness and precision in measurement have been improved by using this
method
Key words Auto-collimator Adaptive light source PID operation
1引言
光源强度,这种方法操作简单,但是在实际应用中,由
于不同的反射率而造成了CCD采集到的信号强弱的
光电自准直仪广泛用于精密角度测量、号轨的平差异,将会造成很大的测量误差。手动湖节光源法在
行度或平直度测量、台面的平整度测量等方面
很大程度上提高了自准直系统的测量精度。但是,由
是机械制造、船舶、航空航天、计量测试等部门的必备于工作中造成光信号变化的因素很多,通过手动节
设备。作为自白准直技术和光电技术相结合的产物,它很雄保证CD实时采集到一致的光强信号,且不能
利用光学自准直原理,由内部准直光源发射一束平行满足高速、尚精度测量的应用。基于此,本文提出了
光,经反射面反射由线阵或面阵CD接收。准直
种自准直光源的自适应调节方法。
光源的好坏直接影响了成像质量,进而影响了设备的
通用性及测试槠度。口前,国内对自准直光源的调节2自适应关键技术及其实现
方法还不成熟,主要有固定光源、手动调节光源等方
法。固定光源法是在自准直系统工作过程中不调节
IFD冷光源是一种固态的半导体器件,它可以
收稿日期:2013-12-18,修回日期:2014-02-20
作者简介:周军(1984-),男,硕士,工程师,主要研究方向:光电瞄准设备测试及研发。
宇航计测技术
2014年
直接把电能转化为光能,貝有直流驱动以及低功耗等特点被广泛应用于各种自准直系统中。本系统采
等特点。基于光输出和工作电流成正比的特点,光用LED冷光源作为光电自准直系统的测量光源。
电自准直仪出射的平行光照射在不同的反射面,通分光系统为双胶合直角棱镜,按照所使用的波段镀
过光学系统反馈回来的光强有所差別。较大的光强分光膜,实现光東的1:1分离,分别用于光源的发
差异对最终的解算测角结果有较大的影响。设定光出和光敏器件的接收。物镜系统为常规的双胶合透
电自准直系统在工作状态时接收的光强始终为一恒镜。光敏器采用光电耦合器件CD完成光学信号
定值Q。反射面形较差,平面度不好时,接收器件到电信号的转换。处理器为一微型计算机,完成对
接收的光强Q。波,调节脉冲宽度,输出电流增大,使得IED的出射3.2恒流源设计
光强变强,经光学系统,反射回来的反射光强保持在
恒流电路部分的实现原理如图2所示。该电路
恒定的值Q。反射面的面形较好,接收器件接收采用了可调恒流源结构,当输入电压在一定范围内
的光强Q。>Q),控制系统減小输出PWM波,调节脉变化时,流过LED的电流随之变化,LED光源的亮
冲宽度,输出电流变小,使得LED的出射光强变弱,度也随之变化。因此,自适应光源的亮度调节只需
同样使得到达接收器的光强为Q。从而达到不同要调节输人电斥的大小即可。
反射面下光源自适应调节的目的。原理如图1所
]2V
示,光电自准直仪自适应光源由光学部分、恒流电路
部分和控制部分三部分组成。在处理器的控制下
Ri
点亮自准直光源,经分光系统、物镜系统、被测平面
反射在CCD上成像,处理器采集在CD上的成像
灰度,根据实际成像灰度与要求成像灰度的差异进
行PID运算,给出光源控制参数,调节自准直光源的
R
控制电流,实现自准直光源的动态调节,保证在
CCD上的实际成像灰度满足要求成像灰度,提高测
量精度和稳定性,降低光电自准直测量系统对坏境
图2恒流源电路
和被测反光面的要求。
恒流控制
LD光源
埊远物锍
运算放大器V1采用短接法,工作在开环放大
单元
系统
状态。电路工作时,V1的正端输人电压等于负端反
PiID控制
棱镜分光
馈输人电压。NPN型晶体管通过基极电压控制,R
输出
系统
主控し反愤
被测反
为限流电阻,防止1驱动7的电流过大,故R3=
运算器
光敏感器
光面
5k92比较合适。R2为反馈电阻,其内部理论上没有
光学系统部分
电流通过,因此R2=1k92比较合适,R。为采样电阻,
图1自适应光源控制原理
其阻值大小由LED的电流而定。如果给定电压为
U,则a点电压也为Uo,则流过R3的电流为/=U。/
R3。此时,流过LED的电流为1。当给定电压不变
3硬件设计
时,流过IFD的电流保持恒定,当给定电压变化时
流过IFD的电流也随之变化。
3.1光源选择及光路设计
白准直光源作为发光元件,由分光系统分光片,4软件控制原理
经物镜系统照射在被测平面上,然后返回到光敏器
件,经处理器对光敏器件采集到的光学信号处理后
通过光学系统、可恒流电路和控制系统,实现
完成对被测平面参数的测试。日前,LED冷光源以光电自准直系统自适应光源的设计。白准直系统的
其使用寿命长、发光强度大、单色性好、亮度易调节光敏感器采集到光信号后,将其转换为电信号3