[發(fā)明專利]位置敏感傳感器的標(biāo)定裝置和標(biāo)定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110410082.3
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102519510A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃立華;鮑建飛;楊寶喜;曾愛軍;任冰強(qiáng);彭雪峰;陳貝特;黃惠杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01D18/00
• 分類號: G01D18/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種位置敏感傳感器的標(biāo)定裝置，特征在于其構(gòu)成括：照明單元(1)、雙光楔單元(2)、指向敏感光路單元(3)、位置敏感傳感器(4)、數(shù)據(jù)采集與控制單元(5)和CCD光束監(jiān)測單元(6)：

所述的照明單元(1)由激光器(101)、準(zhǔn)直鏡(102)、小孔光闌(104)和分光鏡(106)組成，所述的激光器(101)發(fā)出的激光經(jīng)所述的準(zhǔn)直鏡(102)變成平行光束(103)，該平行光束再經(jīng)小孔光闌(104)形成具有一定孔徑的光束(105)，在該光束(105)的傳播方向順序放置所述的分光鏡(106)和雙光楔單元(2)；

所述的雙光楔單元(2)包括第一光楔(201)和第二光楔(202)，分別位于第一電動旋轉(zhuǎn)臺(204)和第二電動旋轉(zhuǎn)臺(205)上，所述的光束(105)經(jīng)過所述的分光鏡(106)分為反射光束和透射光束，所述的透射光束依次通過第一光楔(201)和第二光楔(202)，得到出射光束(203)，所述的反射光束進(jìn)入所述的CCD光束監(jiān)測單元(6)；

所述的指向敏感光路單元(3)由共焦的第一聚焦透鏡(301)和第一成像透鏡(304)組成，第一聚焦透鏡(301)的焦點(diǎn)光斑303作為第一成像透鏡(304)的物點(diǎn)；

所述的位置敏感傳感器(4)包括光敏面(401)、傳感器(402)、觸角(403)及處理電路(404)，該位置敏感傳感器(4)的輸出端接所述的數(shù)據(jù)采集與控制單元(5)的輸入端；

所述的數(shù)據(jù)采集與控制單元(5)包括數(shù)據(jù)采集卡及其接線盒(501)，PC機(jī)和控制軟件(502)；

所述的CCD光束監(jiān)測單元(6)由第二成像透鏡(601)、第三成像透鏡(603)、光衰減片(604)和CCD(606)組成，該CCD光束監(jiān)測單元(6)的輸出端接所述的數(shù)據(jù)采集與控制單元(5)的輸入端；

所述的數(shù)據(jù)采集與控制單元(5)的輸出端與所述的雙光楔單元(2)的第一電動旋轉(zhuǎn)臺(204)和第二電動旋轉(zhuǎn)臺(205)的控制端相連。

2.利用權(quán)利要求1所述的位置敏感傳感器的標(biāo)定裝置對位置敏感傳感器的標(biāo)定方法，其調(diào)整在于該方法包括如下步驟：

(一)啟動位置敏感傳感器的標(biāo)定裝置打開所述的激光器(101)，預(yù)熱10分鐘；

(二)指向敏感光路(3)焦距F的測量：

①首先通過計算機(jī)(502)控制所述的第一電動旋轉(zhuǎn)臺(204)和第二電動旋轉(zhuǎn)臺(205)的旋轉(zhuǎn)使所述的第一光楔(201)和第二光楔(202)的主截面平行且反向放置，此時雙光楔所產(chǎn)生的偏向角為零，稱為雙光楔原位，以下所述的復(fù)位也就是恢復(fù)到這一狀態(tài)；

②將所述的位置敏感傳感器(402)替換為CCD相機(jī)，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)位置，使成像光斑位于該CCD相機(jī)中心附近，打開圖像采集軟件，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)曝光參數(shù)，避免CCD相機(jī)輸出飽和；

③在雙光楔原位，用所述的CCD相機(jī)采集一幅原位光斑圖像；

④通過計算機(jī)(502)控制所述的第一電動旋轉(zhuǎn)臺(204)和第二電動旋轉(zhuǎn)臺(205)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述的第一光楔(201)和第二光楔(202)的主截面相對旋轉(zhuǎn)2ψ，即實(shí)現(xiàn)一個光楔逆時針方向旋轉(zhuǎn)ψ角，另一個光楔同時順時針方向旋轉(zhuǎn)ψ角，然后用所述的CCD相機(jī)采集一幅旋轉(zhuǎn)位光斑圖像，復(fù)位雙光楔；

⑤對采集的圖像進(jìn)行處理：假如每個光斑由N個像素組成，每個像素對應(yīng)確定的空間坐標(biāo)x，y及灰度值p(x，y)，所述的計算機(jī)按下列公式計算該光斑的重心坐標(biāo)為：

x=Σi=1nxipi(xi,yi)/Σi=1npi(xi,yi),]]>y=Σi=1nyipi(xi,yi)/Σi=1npi(xi,yi)]]>

其中p_i＝s_i+n_i，s_i和n_i分別是采集圖像的灰度值和圖像噪聲；

⑥計算機(jī)對原位光斑圖像和旋轉(zhuǎn)位光斑圖像進(jìn)行處理，得到雙光楔產(chǎn)生零偏向角的時采集第一幅光斑圖像的重心坐標(biāo)(x₀，y₀)和雙光楔相對旋轉(zhuǎn)2ψ時的第二幅光斑圖像的重心坐標(biāo)(x_ψ，y_ψ)，利用下式計算出兩光斑的位移d為：

d=(xψ-x0)2+(yψ-y0)2]]>

⑦由δ＝2(n-1)αcosψ得到光楔相對旋轉(zhuǎn)2ψ時光束偏向角δ，則F_ψ：

F_ψ＝d/δ

⑧復(fù)位雙光楔，重復(fù)步驟④，控制電動角度旋轉(zhuǎn)臺相對旋轉(zhuǎn)不同的角度，每次采集一幅旋轉(zhuǎn)位光斑圖像，然后根據(jù)⑤⑥⑦的計算公式，求得每個旋轉(zhuǎn)角度下的F_ψ，然后對F_ψ求平均得到所述的指向敏感光路的焦距F；

(三)待測的位置敏感傳感器精度的測量：

①完成指向敏感光路焦距F的測量后，將CCD相機(jī)更換為待測的位置敏感傳感器(402)，復(fù)位雙光楔，調(diào)節(jié)所述的待測的位置敏感傳感器(402)，使成像光斑位于該待測的位置敏感傳感器的光敏面(401)的中心位置；

②根據(jù)上面求出的指向敏感光路焦距F和F＝d/δ，得到光斑偏移d＝0.01mm時的δ：

δ＝d/F＝0.01/F

計算機(jī)再由2ψ＝arcosδ/[2(n-1)α]，得到2ψ，計算機(jī)(502)控制所述的第一電動旋轉(zhuǎn)臺(204)和第二電動旋轉(zhuǎn)臺(205)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述的第一光楔(201)和第二光楔(202)的主截面相對旋轉(zhuǎn)2ψ后，所述的待測的位置敏感傳感器(402)采集一幅光斑圖像，同時所述的CCD光束監(jiān)測單元(6)的CCD(606)采集一幅圖像，計算機(jī)(502)控制所述的第一電動旋轉(zhuǎn)臺(204)和第二電動旋轉(zhuǎn)臺(205)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述的第一光楔(201)和第二光楔(202)的主截面相對旋轉(zhuǎn)2ψ后，所述的待測的位置敏感傳感器(402)在采集一幅光斑圖像，同時所述的CCD光束監(jiān)測單元(6)的CCD(606)采集一幅圖像，如此成分，直到光斑接近移出位置敏感傳感器(402)光敏面，共采集第n次，得到待測的位置敏感傳感器(402)的第n個光斑的位置為(x_nψ，y_nψ)；

③復(fù)位雙光楔，計算相對光斑偏移為0.005mm和0.001mm時的ψ，分別重復(fù)上面實(shí)驗；

④同樣采取上述光斑重心的算法，對CCD606采集到的光斑圖像進(jìn)行處理，得出光源的抖動數(shù)據(jù)(x_nv，y_nv)；

那么雙光楔相對旋轉(zhuǎn)2nψ角度時，光斑的實(shí)際位置是：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)；

再計算光斑的實(shí)際位移d：

由F＝d/δ，則光楔相對旋轉(zhuǎn)2nψ角度時，理論光斑的位移d_r應(yīng)為：

d_r＝F*δ＝2F*(n-1)αcosψ

⑤根據(jù)求得的光斑的實(shí)際位移d和理論光斑的位移d_r對位置敏感傳感器(402)的精度進(jìn)行分析；

(四)位置敏感傳感器線性響應(yīng)范圍的測量：

①復(fù)位雙光楔，調(diào)整待測的位置敏感傳感器(402)，令光斑位于待測的位置敏感傳感器(402)中心，同樣利用公式：

δ＝d/F

2ψ＝2arcosδ/[2(n-1)α]

計算光斑偏移0.05mm時的相對旋轉(zhuǎn)角度2ψ；

②然后先相對旋轉(zhuǎn)雙光楔，使光斑從待測的位置敏感傳感器(402)的中心移動到邊沿位置，記下此時電動控制旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度；

以步驟①中計算得出2ψ角度為間隔，并與步驟①中相反方向旋轉(zhuǎn)雙光楔，每相對旋轉(zhuǎn)2ψ角度，位置敏感傳感器(402)采集一次光斑坐標(biāo)，同時監(jiān)測CCD(606)采集一副圖像，直到光斑從位于初始的待測的位置敏感傳感器(402)的邊沿位置移動到該待測的位置敏感傳感器(402)對邊的邊沿位置；

③對圖像進(jìn)行處理，得到光源抖動(x_nv，y_nv)，再結(jié)合待測的位置敏感傳感器(402)的實(shí)測值(x_nψ，y_nψ)，得到光斑的實(shí)際測量位移數(shù)據(jù)：

(x，y)＝(x_nψ-x_nv，y_nψ-y_nv)；

④復(fù)位雙光楔，控制雙光楔同向旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)步驟②；

⑤根據(jù)采集的光斑數(shù)據(jù)繪制測量曲線，與理論曲線對比就可以看出位置敏感傳感器的線性響應(yīng)范圍；

⑥對線性響應(yīng)差的區(qū)域，根據(jù)測量曲線對所述的位置敏感傳感器進(jìn)行定標(biāo)。