四象限传感器用于激光跟踪仪光斑偏移量测量-哈尔滨工程大学学报.PDF

第３８卷第２期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 哈　 尔　 滨　 工　 程　 大　 学　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｖｏｌ．３８ №．２ ２０１７年２月　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 Ｆｅｂ．２０１７ 四象限传感器用于激光跟踪仪光斑偏移量测量 陈洪芳，谭志，石照耀，宋辉旭 （北京工业大学 北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 １００１２４） 摘　 要：为了保证激光跟踪仪的跟踪速度和跟踪精度，要求发现目标靶镜运动和反映靶镜位移的四象限传感器信 号的处理过程具有快速、准确的动态响应。 推导出四象限传感器在对角线算法中的输出信号与光斑偏移量之间的 关系为超越函数关系。 针对超越函数关系不易快速解算的难题，结合激光光斑的特性，采用了泰勒级数展开算法。 使用高精度直角坐标测量机对光斑偏移量测量系统进行了验证实验。 实验结果表明：该测量系统实时性好，每秒 测量次数达到１０５０ 次；测量精度高，在±４００μｍ测量范围内测量精度可达６μｍ。 该系统可以广泛应用于需要微小 位移测量的相关领域。 关键词：激光跟踪仪；四象限传感器；光斑偏移量；泰勒级数展开；测量系统 ＤＯＩ：１０．１１９９０／ ｊｈｅｕ．２０１５１００２４ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ／ ２３．１３９０．ｕ１０３６．００４．ｈｔｍｌ － － － 中图分类号：ＴＨ７０２　 文献标志码：Ａ　 文章编号：１００６ ７０４３（２０１７）０２ ０２５８ ０５ Ｕｓｅ ｏｆ ａ ｑｕａｄｒａｎｔ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｐｏｔ ｏｆｆｓｅｔ ｏｆ ａ ｌａｓｅｒ ｔｒａｃｋｅｒ ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇｆａｎｇ，ＴＡＮ Ｚｈｉ，ＳＨＩ Ｚｈａｏｙａｏ，ＳＯＮＧ Ｈｕｉｘｕ （ＢｅｉｊｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ａ ｑｕａｄｒａｎｔ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｃｋ ｔａｒｇｅｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔａｒｇｅｔ ｄｉｓ⁃ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｕｓｔ ｐｒｏｖｉｄｅｒａｐｉｄａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｄｙｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｆｏｒａｌａｓｅｒｔｒａｃｋｅｒ ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｑｕａｄｒａｎｔ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ｗｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｏｆｆｓｅｔ ｕｓｉｎｇ ａ ｄｉａｇｏｎａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｃｅｎｄｅｎｔａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈａｔ ｉｔ ｉｓｎｏｔ ｅａｓｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅｔｈｅｔｒａｎｓｃｅｎｄｅｎｔａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｉｎ ｃｏｍ⁃ ｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｌａｓｅｒｓｐｏｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａＴａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓｅｘｐａｎｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓａｄｏｐｔｅｄ．Ａｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｐｏｔ ｏｆｆｓｅｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｕｓｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍａ⁃ ｃｈｉｎｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ａ ｆａｓｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ． Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃａｎ ｒｅａｃｈ １０