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基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn)部分和信號(hào)處理部分，其中的物鏡組和目鏡組沿鏡頭焦距構(gòu)成光軸，還包括第一立方棱鏡、第二立方棱鏡、激光發(fā)射器和PSD位移傳感器，第一立方棱鏡的入射面與第二立方棱鏡的入射面垂直；第一立方棱鏡的第一透射面和第二透射面，與第二立方棱鏡的入射面和固定平面共軸，第二立方棱鏡的入射面與第一立方棱鏡的第二透射面相對(duì)；第二立方棱鏡的第一透射面和第二透射面與光軸共軸，第二立方棱鏡的第一透射面朝向目鏡組，激光發(fā)射器的激光軸線與第一立方棱鏡的入射面共軸線，PSD位移傳感器受光面與第一立方棱鏡的第一透射面相對(duì)。使得測量精度大幅提高，反饋信號(hào)不易受環(huán)境因素影響。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種信號(hào)測量系統(tǒng)，特別是涉及一種用于遠(yuǎn)距離位移信號(hào)的測量系 統(tǒng)。 基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 瞄準(zhǔn)準(zhǔn)直操作是火箭發(fā)射過程中的一項(xiàng)關(guān)鍵動(dòng)作，其用途是在火箭發(fā)射前通過光 電自準(zhǔn)直方式將箭上平臺(tái)棱鏡的法線方向調(diào)整到射向上，保證火箭的初始方位精度，使火 箭在發(fā)射之前處于精確的起飛方向。
[0003] -般通過在瞄準(zhǔn)儀本體上加裝光電發(fā)射接收部件，準(zhǔn)直光源采用紅光二極管，接 收器件采用光敏三極管。瞄準(zhǔn)信號(hào)放大器對(duì)從接收到的光電信號(hào)進(jìn)行放大處理，最后以表 頭指針形式指示平臺(tái)棱鏡的偏轉(zhuǎn)方向和大小，并將準(zhǔn)直信號(hào)同步傳輸給控制系統(tǒng)。
[0004] 慣用的瞄準(zhǔn)儀采用經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括物鏡組和目鏡組，沿鏡頭焦距形成光 路光軸，通常在目鏡組外側(cè)設(shè)置有劃分板，通過瞄準(zhǔn)儀觀察遠(yuǎn)方待測對(duì)象上的直角棱鏡，獲 得光源反饋信號(hào)，通過與劃分版上十字絲刻度對(duì)比，以及對(duì)反饋信號(hào)光強(qiáng)度的判斷，獲得遠(yuǎn) 方待測對(duì)象是否保持正確位置的信息。
[0005] 在實(shí)際遠(yuǎn)距離使用中紅光二極管受環(huán)境的影響較大且亮度弱，不容易尋找目標(biāo)和 反射光線；光敏三極管只能接收光源從亮到暗的變化，為了實(shí)現(xiàn)位移測量不得不采用兩只 三極管配合安裝調(diào)試的方式，從而給瞄準(zhǔn)設(shè)備帶來了一定的系統(tǒng)誤差；此外瞄準(zhǔn)信號(hào)采用 電壓方式傳輸給控制系統(tǒng)，由于長電纜傳輸受負(fù)載變化影響較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，解決現(xiàn)有瞄準(zhǔn) 儀中光信號(hào)檢測電路對(duì)反饋光信號(hào)檢測精確度低，易受環(huán)境因素干擾的技術(shù)問題。
[0007] 本發(fā)明的基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn)系統(tǒng)，其中的物鏡組 和目鏡組沿鏡頭焦距構(gòu)成光軸，還包括第一立方棱鏡、第二立方棱鏡、激光發(fā)射器和PSD位 移傳感器，第一立方棱鏡的入射面與第二立方棱鏡的入射面垂直；第一立方棱鏡的第一透 射面和第二透射面，與第二立方棱鏡的入射面和固定平面共軸，第二立方棱鏡的入射面與 第一立方棱鏡的第二透射面相對(duì)；第二立方棱鏡的第一透射面和第二透射面與光軸共軸， 第二立方棱鏡的第一透射面朝向目鏡組，激光發(fā)射器的激光軸線與第一立方棱鏡的入射面 共軸線，PSD位移傳感器受光面與第一立方棱鏡的第一透射面相對(duì)。
[0008] 所述第一立方棱鏡的第一透射面和第二透射面外側(cè)各設(shè)置一個(gè)濾光鏡，在濾光鏡 與第二立方棱鏡之間設(shè)置一個(gè)透鏡，各濾光鏡、透鏡與第一立方棱鏡和第二立方棱鏡共軸 線。
[0009] 所述PSD位移傳感器為兩信號(hào)輸出端，PSD位移傳感器的每一個(gè)信號(hào)輸出端分別 順序連接一個(gè)信號(hào)采集電路，一個(gè)信號(hào)濾波電路和一個(gè)整流電路，兩個(gè)整流電路的電流輸 出端分別連接差動(dòng)放大電路的一個(gè)信號(hào)輸入端，差動(dòng)放大電路的信號(hào)輸出端連接恒流源驅(qū) 動(dòng)電路的信號(hào)輸入端，恒流源驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)輸出端連接長距離信號(hào)電纜的一端，其中： [0010] 信號(hào)采集電路，用于采集一個(gè)信號(hào)輸出端的μA弱信號(hào)，過濾高頻諧波成分，將弱 信號(hào)放大為mA信號(hào)；
[0011] 信號(hào)濾波電路，用于屏蔽中頻諧波成分，獲得低頻頻段的位移變化電壓信號(hào)；
[0012] 整流電路，用于將位移變化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移變化的直流電壓信號(hào)；
[0013] 差動(dòng)放大電路，用于對(duì)接入的兩路差模信號(hào)進(jìn)行放大，修正信號(hào)誤差，形成精確的 位移電壓信號(hào)；
[0014] 恒流源驅(qū)動(dòng)電路，用于將輸入的位移電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)變化的電壓信號(hào)控制的克 服傳輸阻抗的穩(wěn)定輸出信號(hào)源。
[0015] 所述恒流源驅(qū)動(dòng)電路包括電阻R22、電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻 R27、電阻R28、第八運(yùn)算放大器U08、第九運(yùn)算放大器U09和第十運(yùn)算放大器U10,輸入信號(hào) 連接第八運(yùn)算放大器U08的反相輸入端，第八運(yùn)算放大器U08的同相輸入端連接模擬地，第 九運(yùn)算放大器U09的同相輸入端連接模擬地，第八運(yùn)算放大器U08的反相輸入端和輸出端 間連接電阻R22,第九運(yùn)算放大器U09的反相輸入端和輸出端間連接電阻R24,第八運(yùn)算放 大器U08的輸出端串聯(lián)電阻R23后連接第九運(yùn)算放大器U09的反相輸入端，第九運(yùn)算放大 器U09的輸出端串聯(lián)電阻R25后連接第十運(yùn)算放大器U10的反相輸入端，第十運(yùn)算放大器 U10的反相輸入端和輸出端間連接電阻R26,第十運(yùn)算放大器U10的同相輸入端和輸出端間 連接電阻R27,第十運(yùn)算放大器U10的輸出端串聯(lián)電阻R27后輸出控制信號(hào)，第十運(yùn)算放大 器U10的輸出端順序串聯(lián)電阻R27、電阻R28后連接模擬地。
[0016] 本發(fā)明基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)將對(duì)幾個(gè)光敏三極管的不夠精確 的亮度變化測量反應(yīng)位移信號(hào)，轉(zhuǎn)換為采用PSD傳感器固有物理p-n節(jié)電勢變化反應(yīng)位移 信號(hào)，使得測量精度大幅提高，反饋信號(hào)不易受環(huán)境因素影響，具備了在復(fù)雜工況使用的能 力且可靠性提高；半導(dǎo)體激光器和PSD的使用降低了結(jié)構(gòu)安裝的復(fù)雜性，設(shè)備的安裝調(diào)試 過程簡單且可操作性強(qiáng)。
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)的光源反饋結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)的信號(hào)處理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 本實(shí)施例利用到立方棱鏡水平截面為矩形，本實(shí)施例中立方棱鏡的一個(gè)固定平面 設(shè)置在基座上，沿順時(shí)針依次相連的其他三個(gè)平面依次為第一透射面、入射面和第二透射 面。
[0022] 如圖1所示，實(shí)施例包括望遠(yuǎn)（鏡）部分，其中的物鏡組16和目鏡組17沿鏡頭焦 距構(gòu)成光軸，還包括第一立方棱鏡11、第二立方棱鏡12、激光發(fā)射器15和PSD位移傳感器 01，第一立方棱鏡11的入射面lib與第二立方棱鏡12的入射面12b垂直；第一立方棱鏡11 的第一透射面11a和第二透射面11c，與第二立方棱鏡12的入射面12b和固定平面共軸，第 二立方棱鏡12的入射面12b與第一立方棱鏡11的第二透射面11c相對(duì)；第二立方棱鏡12 的第一透射面12a和第二透射面12c與光軸共軸，第二立方棱鏡12的第一透射面12a朝向 目鏡組17;
[0023] 在第一立方棱鏡11的第一透射面和第二透射面外側(cè)各設(shè)置一個(gè)濾光鏡13,在濾 光鏡13與第二立方棱鏡12之間設(shè)置一個(gè)透鏡14,各濾光鏡、透鏡與第一立方棱鏡11和第 二立方棱鏡12共軸線；
[0024] 激光發(fā)射器15的激光軸線與第一立方棱鏡11的入射面共軸線，PSD位移傳感器 01受光面與第一立方棱鏡11的第一透射面11a相對(duì)。
[0025] 實(shí)際應(yīng)用中，利用激光發(fā)射器15發(fā)射的激光照射第一立方棱鏡11的入射面11b， 激光折射經(jīng)第一立方棱鏡11的第二透射面11c至第二立方棱鏡12的入射面12b，然后再次 折射經(jīng)第二立方棱鏡12的第二透射面12c射向物鏡組16,形成與望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光軸共軸的激 光光束；
[0026] 當(dāng)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦物鏡焦距至無窮遠(yuǎn)時(shí)，從物鏡口發(fā)射出的平行激光光束照射到直角 棱鏡上后反射，反射光經(jīng)第二立方棱鏡12的第一透射面12a和第二透射面12c照射目鏡 組，成像在目鏡外側(cè)的分劃板18上，當(dāng)聚焦的光點(diǎn)與目鏡十字絲左右重合時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了激 光光電瞄準(zhǔn)儀的光軸與直角棱鏡的準(zhǔn)直；
[0027] 同時(shí)反射光經(jīng)第二立方棱鏡12會(huì)在內(nèi)部出現(xiàn)折射從第二立方棱鏡12的入射面 12b射出，經(jīng)第一立方棱鏡11的第二投射面11c和第一透射面11a照射在PSD位移傳感器 01的受光面上，輸出包含位移信息的模擬信號(hào)，對(duì)PSD輸出模擬信號(hào)進(jìn)行處理，形成具有方 向性和量級(jí)的指示信號(hào)。
[0028] 如圖2所示，本實(shí)施例中信號(hào)處理部分的PSD位移傳感器01為兩信號(hào)輸出端的 光電轉(zhuǎn)換信號(hào)源，PSD位移傳感器01的每一個(gè)信號(hào)輸出端分別順序連接一個(gè)信號(hào)采集電路 02 (圖2上01到左邊02上少個(gè)箭頭），一個(gè)信號(hào)濾波電路03和一個(gè)整流電路04,兩個(gè)整流 電路04的電流輸出端分別連接差動(dòng)放大電路05的一個(gè)信號(hào)輸入端，差動(dòng)放大電路05的信 號(hào)輸出端連接恒流源驅(qū)動(dòng)電路06的信號(hào)輸入端，恒流源驅(qū)動(dòng)電路06的信號(hào)輸出端連接長 距離信號(hào)電纜的一端，其中：
[0029] 信號(hào)采集電路02,用于采集一個(gè)信號(hào)輸出端的μ A弱信號(hào)，過濾高頻諧波成分，將 弱信號(hào)放大為mA信號(hào)；
[0030] 信號(hào)濾波電路03,用于屏蔽中頻諧波成分，獲得低頻頻段的位移變化電壓信號(hào)；
[0031] 整流電路04,用于將位移變化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移變化的直流電壓信號(hào)；
[0032] 差動(dòng)放大電路05,用于對(duì)接入的兩路差模信號(hào)進(jìn)行放大，修正信號(hào)誤差，形成精確 的位移電壓信號(hào)；
[0033] 恒流源驅(qū)動(dòng)電路06,用于將輸入的位移電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)變化的電壓信號(hào)控制的 克服傳輸阻抗的穩(wěn)定輸出信號(hào)源。
[0034] 本實(shí)施例對(duì)PSD發(fā)出的μΑ級(jí)弱信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大、濾波以及I/V變換；采用帶通 濾波電路，接收光源固有頻率信號(hào)，抑制工頻和雜光的影響；采用整流電路將濾波后近正弦 波信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)；采用差分放大電路實(shí)現(xiàn)減法功能，用于信號(hào)輸出和方向的指 定；采用恒流源電路使得信號(hào)輸出電流不受長距離線纜阻抗變化影響。
[0035] 如圖3所示，本實(shí)施例的恒流源驅(qū)動(dòng)電路采用FX747芯片，包括電阻R22、電阻 R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、變阻器RP2、第八運(yùn)算放大器U08、第 九運(yùn)算放大器U09和第十運(yùn)算放大器U10,輸入信號(hào)連接第八運(yùn)算放大器U08的反相輸入 端，第八運(yùn)算放大器U08的同相輸入端連接模擬地，第九運(yùn)算放大器U09的同相輸入端連接 模擬地，第八運(yùn)算放大器U08的反相輸入端和輸出端間連接電阻R22,第九運(yùn)算放大器U09 的反相輸入端和輸出端間連接電阻R24,第八運(yùn)算放大器U08的輸出端串聯(lián)電阻R23后連接 第九運(yùn)算放大器U09的反相輸入端，第九運(yùn)算放大器U09的輸出端串聯(lián)電阻R25后連接第 十運(yùn)算放大器U10的反相輸入端，第十運(yùn)算放大器U10的反相輸入端和輸出端間連接電阻 R26,第十運(yùn)算放大器U10的同相輸入端和輸出端間連接電阻R27,第十運(yùn)算放大器U10的 輸出端串聯(lián)電阻R27后輸出控制信號(hào)，第十運(yùn)算放大器U10的輸出端順序串聯(lián)電阻R27、電 阻R28后連接模擬地，LM747芯片的管腳13(圖上u09, ulO畫了 2個(gè)管腳13)、管腳9連接 正向電源VCC，LM747芯片的管腳4(圖上u09，ul0畫了 2個(gè)管腳4) 一個(gè)支路連接反向電源 VEE，另一個(gè)支路連接變阻器RP2的滑動(dòng)端，變阻器RP2連接在LM747芯片的管腳3和管腳 14之間。
[0036] 本實(shí)施例的輸出電流強(qiáng)度與信號(hào)線路負(fù)載無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)壓控電流源轉(zhuǎn)換。
[0037] 以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范 圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方 案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，包括望遠(yuǎn)鏡，其中的物鏡組（16)和 目鏡組（17)沿鏡頭焦距構(gòu)成光軸，其特征在于：還包括第一立方棱鏡（11)、第二立方棱鏡 (12) 、激光發(fā)射器（15)和PSD位移傳感器（01)，第一立方棱鏡（11)的入射面（lib)與第二 立方棱鏡（12)的入射面（12b)垂直；第一立方棱鏡（11)的第一透射面（11a)和第二透射 面（11c)，與第二立方棱鏡（12)的入射面（12b)和固定平面共軸，第二立方棱鏡（12)的入 射面（12b)與第一立方棱鏡（11)的第二透射面（11c)相對(duì)；第二立方棱鏡（12)的第一透 射面（12a)和第二透射面（12c)與光軸共軸，第二立方棱鏡（12)的第一透射面（12a)朝向 目鏡組（17)，激光發(fā)射器（15)的激光軸線與第一立方棱鏡（11)的入射面共軸線，PSD位移 傳感器（01)受光面與第一立方棱鏡（11)的第一透射面（11a)相對(duì)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，其特征在于：所 述第一立方棱鏡（11)的第一透射面和第二透射面外側(cè)各設(shè)置一個(gè)濾光鏡（13)，在濾光鏡 (13) 與第二立方棱鏡（12)之間設(shè)置一個(gè)透鏡（14)，各濾光鏡、透鏡與第一立方棱鏡（11) 和第二立方棱鏡（12)共軸線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，其特征在于：所述 PSD位移傳感器（01)為兩信號(hào)輸出端，PSD位移傳感器（01)的每一個(gè)信號(hào)輸出端分別順序 連接一個(gè)信號(hào)采集電路（02)，一個(gè)信號(hào)濾波電路（03)和一個(gè)整流電路（04)，兩個(gè)整流電路 (04)的電流輸出端分別連接差動(dòng)放大電路（05)的一個(gè)信號(hào)輸入端，差動(dòng)放大電路（05)的 信號(hào)輸出端連接恒流源驅(qū)動(dòng)電路（06)的信號(hào)輸入端，恒流源驅(qū)動(dòng)電路（06)的信號(hào)輸出端 連接長距離信號(hào)電纜的一端，其中： 信號(hào)采集電路（02)，用于采集一個(gè)信號(hào)輸出端的μ A弱信號(hào)，過濾高頻諧波成分，將弱 信號(hào)放大為mA信號(hào)； 信號(hào)濾波電路（03)，用于屏蔽中頻諧波成分，獲得低頻頻段的位移變化電壓信號(hào)； 整流電路（04)，用于將位移變化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移變化的直流電壓信號(hào)； 差動(dòng)放大電路（05)，用于對(duì)接入的兩路差模信號(hào)進(jìn)行放大，修正信號(hào)誤差，形成精確的 位移電壓信號(hào)； 恒流源驅(qū)動(dòng)電路（06)，用于將輸入的位移電壓信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)變化的電壓信號(hào)控制的克 服傳輸阻抗的穩(wěn)定輸出信號(hào)源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于位置傳感器的遠(yuǎn)距離位移測量系統(tǒng)，其特征在于：所述 恒流源驅(qū)動(dòng)電路包括電阻R22、電阻R23、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、 第八運(yùn)算放大器U08、第九運(yùn)算放大器U09和第十運(yùn)算放大器U10,輸入信號(hào)連接第八運(yùn)算 放大器U08的反相輸入端，第八運(yùn)算放大器U08的同相輸入端連接模擬地，第九運(yùn)算放大 器U09的同相輸入端連接模擬地，第八運(yùn)算放大器U08的反相輸入端和輸出端間連接電阻 R22,第九運(yùn)算放大器U09的反相輸入端和輸出端間連接電阻R24,第八運(yùn)算放大器U08的 輸出端串聯(lián)電阻R23后連接第九運(yùn)算放大器U09的反相輸入端，第九運(yùn)算放大器U09的輸 出端串聯(lián)電阻R25后連接第十運(yùn)算放大器U10的反相輸入端，第十運(yùn)算放大器U10的反相 輸入端和輸出端間連接電阻R26,第十運(yùn)算放大器U10的同相輸入端和輸出端間連接電阻 R27,第十運(yùn)算放大器U10的輸出端串聯(lián)電阻R27后輸出控制信號(hào)，第十運(yùn)算放大器U10的 輸出端順序串聯(lián)電阻R27、電阻R28后連接模擬地。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104061862SQ201410260569
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】范毅, 王華生, 王巖, 李發(fā)動(dòng), 狄世超, 宋小艷, 賀長水, 賀永喜 申請(qǐng)人:北京航天發(fā)射技術(shù)研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院