基于二维psd的卫星转角测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及卫星转角测量仪，具体涉及基于二维PSD的卫星转角测量仪，属 于小角度测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 国内外小角度测量的主要方法有：机械测角方法、电磁测角方法、光学测角方法 等。
[0003] 1机械测角法
[0004] 机械测角法是出现最早的测角技术，主要的代表仪器是多齿分度台。
[0005] 多齿分度台是一种机械式的角度测量装置，它不仅可以作为角度测量的基准，而 且可以作为角度产生的精密仪器。它通过使用一对直径、齿数、齿形等参数完全一致的两 个平面齿轮，通过相对转动和齿啮合的平均效应来精密分度，因此具有精度，操作方便等优 点。多齿分度台是齿盘结构，齿数一般有360、720、1440等，齿数越多，分度精度就越高，测 量精度随齿数的增加而提高。由于齿对角度分度的误差有平均作用，因而可以达到很高的 分度精度，具有使用简单，可连续分度等特点。
[0006]目前普遍使用的分度装置主要是以蜗轮蜗杆式为主，结构有卧式和立式两种。多 齿分度台由于其高精度、高刚度、结构简单、分度范围大、且精度保持性好等特点，在机械制 造业中得到了广泛的应用。
[0007]目前的多齿分度台大多采用人工转动，角度测量的效率较低，且需要人工干预，不 能满足自动化测量的要求，后来出现的使用液压作为驱动动力多齿分度台，但结构复杂、体 积大。
[0008] 2电磁测角法
[0009] 电磁的方法测量角度主要用于角度的进一步细分，通过增大分度以增大测量范围 和提高测量精度。电磁式测角技术主要有磁感应同步器和计量圆光栅。
[0010] 磁感应同步器测角法是一种电磁感应位置检测元件，它的原理是根据正弦、余弦 两绕组的电压和相位进行比较，利用电磁感应将位移量转化成电信号，并以数字脉冲形式 输出基准量。
[0011] 计量圆光栅是一种精密的角分度器件，在精密测量和精密加工领域被广泛地应 用。当把两块具有相同栅距角的圆光栅重叠在一起时，在光线的照明下，就会产生莫尔条 纹，从圆光栅中能获得近似正弦型的莫尔条纹光信号，通过光电转换，取得近似正弦的电信 号。可将电信号转换成相应的角度信号，从而实现角度的测量。
[0012] 不管是机械测角技术还是电磁测角技术，他们的主要缺点基本都是手工测量，很 难实现测量的自动化，而且测量精度容易受到加工精度和工艺和限制。
[0013] 3光学测角法
[0014] 光学测量法具有非接触、高精度、高灵敏度的特点，而受到人们的青睐。随着大规 模集成电路和光电技术的发展和和应用，使光学测量的发展进入了一个新时代，近年来不 断出现的光电器件和器件性能的不断提高，极大地推进了光电测角技术的发展。随着计算 机和嵌入式的广泛应用，角度测量技术正朝着动态高速测量的领域发展，并与自动生产和 管理连为一体。
[0015] 目前国内外的光学测量方法一般可分为：光学分度头法、圆光栅法、自准直法、光 学内反射法、激光干涉法、环形激光法等。
[0016] a.光学内反射法。当光线发生全反射时，光线入射角在临界角附近变化，导致反射 率随之发生急剧变化。光学内反射测角法就是利用这种物理现象，通过测量反射光强的变 化来确定入射角度的变化。
[0017] 根据光学内反射法制成的角度测量仪体积较小，因而可以做成便携式的角度测量 仪，优点在于结构简单，精度较高，缺点就是测量范围较小。
[0018] b.激光干涉法。激光干涉测角法使用迈克尔逊干涉仪作为基本测量原理。主要测 量原理是，激光器发出的光线被分为两路光，其中一路光的光程不变，另一路光的光程随角 度的偏转而发生变化，因此光程差就随片转角的变化而变化，干涉条纹也发生相应的移动， 通过测量条纹的移动量，就可以测得转台的转角。
[0019] 通过对干涉条纹计数的方法，可以连续测量角度，且有很好的线性度，实验表明， 在测量范围为0.1944°时分辨率为0.5"，在量程为3. 5496°时分辨率达到1.5"。
[0020] c.自准直法。自准直仪（又称自准直光管）是利用光学自准直原理，用于小角度 测量或可转化为小角度测量的一种常用计量测试仪器。在望远镜视线的前方加一个平面 镜，就可构成一个简单的自准直仪。自准直仪具有较高的精确度和测量分辨力，而且光学结 构相对简单，体积较小，因而被广泛应用的精密测量系统中，比如在角度测量、平面度测量、 角晃动测量、直线度测量等。
[0021 ]自准直仪主要分为光学自准直仪和光电自准直仪，光学自准直仪是光电自准直仪 的前身和原型，光电自准直仪是光学自准直仪、新型光电器件和电子技术相结合的产物。最 近几十年来，由于电子技术和光电技术的迅猛发展，传统的光学自准直仪和现代的光学器 件相结合，促成了现代光电自准直仪的产生，通过使用新型的光电探测器件和自动化技 术、电子技术，实现了从原来的机械式显数、读数到目前的测量结果自动显示，使得测量精 度、分辨率、重复性等性能指标得到很大的提高。
[0022] 目前，随着科技的发展，卫星角度和小角度需要更高精度和更大的测试范围，现有 技术已经无法满足这样的需求。 【实用新型内容】
[0023] 本实用新型的目的是为了解决现有卫星接触式测量法产生的测量误差大的问题。
[0024] 本实用新型的技术方案是：基于二维PSD的卫星转角测量仪，包括自准直测量系 统、二维PSD传感器、信号调理模块、A/D转换电路、单片机和显示模块，自准直测量系统的 输出端依次连接二维PSD传感器、信号调理模块、A/D转换电路和单片机，单片机的输出端 连接显示模块，所述自准直测量系统包括激光源、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透 镜、第五透镜、第一棱镜、第二棱镜、分光镜和待测反光面，激光源输出的激光的主光轴方向 上依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第一棱镜，分光镜安装在第一棱镜的光线输出 端，分光镜的第一分光光路上依次为第五透镜和二维PSD传感器，分光镜的第二分光光路 上为第二棱镜，第二棱镜输出光线通过第四透镜照射到待测反光面上。
[0025] 所述第一透镜和第二透镜为一个透镜组，相当于一个倒置望远镜，起到压缩光束 的作用，将光束的直径变小。
[0026] 第三透镜为会聚透镜，起到将光线会聚的作用。
[0027] 第四透镜为长焦准直透镜，将光线准直成平行光。
[0028] 第五透镜为放大透镜，经过第五透镜的放大，照射在二维PSD传感器上的光线能 够被二维PSD传感器识别。
[0029] 所述分光镜的第一分光光路和第二分光光路共线并且方向相反。
[0030] 二维PSD传感器与整体系统结合，提高了仪器的分辨率，扩大了测量范围，提高了 测量精度。
[0031] 所述信号调理模块包括结构相同的第一调理支路和第二调理支路，第一调理支路 包括依次连接的二维PSD传感器数据处理电路、跟随器、第一滤波电路、放大电路和第二滤 波电路，由于PSD敏感面上所接收的光斑是经被测物体反射后形成的，所以光能量较小，致 使PSD输出光电流极微弱，仅在零点几微安左右，因而设计的关键在于微弱信号的放大和 滤除噪音干扰，确保测量精度。
[0032] 所述二维PSD传感器处理电路包括第一 I-V转换电路、第二I-V转换电路、加法 器、减法器和除法器，第一 I-V转换电路的输出端和第二I-V转换电路的输出端均分别与 加法器的输入端和减法器的输入端建立连接，加法器的输出端和减法器的输出端均与除法 器建立连接，除法器的输出端连接跟随器的输入端。
[0033] 所述A/D转换电路包括16位逐次逼近式A/D转换器，16位逐次逼近式ADC-AD976A 与8位和12位的AD转换器相比，16位ADC在精度要求较高的场合更能符合设计要求。 AD976A是美国模拟器件（Analog Device)公司推出的一款16位高精度、高速、低功耗ADC。 采用逐次逼近式工作原理，单一 +5V供电，单通道输入，输入电压范围+/-10V，采样速率为 100KSPS，AD976A 为 200KSPS。
[0034] 所述显示模块为12864液晶显示模块，采用串行通信连接方式与单片机建立连 接。
[0035] 本实用新型与现有技术相比具有以下效果：本实用新型的自准直测量系统具有结 构简单、使用方便等特点，与传统的接触式测量不同，本实用新型的非接触式测量，减少了 测量干扰；利用单片机作为控制器核心，在内部进行数据处理，将测量结果实时显示，需要 时可以通过串口或无线通信将数据发送至PC机，实现了自动化测量，本实用新型具有二维 测量能力，各维测量精度为0.1角秒，测量范围不小于[-10"，10"]，功耗不大于3W，本实 用新型测量仪器可以应用于航天卫星领域的小角度测量，也可应用于其他需要高精度小角 度测量领域。具有测量范围大、测量精度高、可靠性好、功耗小的优点。
【附图说明】
[0036] 图1，本实用新型整体结构框图；
[0037] 图2,本实用新型的自准直测试系统的结构示意图；
[0038] 图3,本实用新型信号调理模块的结构框图；
[0039] 图4,本实用新型二维PSD传感器处理电路的I-V转换电路的电路图；
[0040] 图5,本实用新型二维PSD传感器处理电路的加法器电路图；
[0041] 图6,本实用新型二维PSD传感器处理电路的除法器电路图；
[0042] 图7,本实用新型的跟随器、第一滤波电路、放大电路和第二滤波电路的电路图；
[0043] 图8,本实用新型A/D