基于位置传感器的远距离位移测量系统的制作方法
【专利摘要】一种基于位置传感器的远距离位移测量系统，包括望远部分和信号处理部分，其中的物镜组和目镜组沿镜头焦距构成光轴，还包括第一立方棱镜、第二立方棱镜、激光发射器和PSD位移传感器，第一立方棱镜的入射面与第二立方棱镜的入射面垂直；第一立方棱镜的第一透射面和第二透射面，与第二立方棱镜的入射面和固定平面共轴，第二立方棱镜的入射面与第一立方棱镜的第二透射面相对；第二立方棱镜的第一透射面和第二透射面与光轴共轴，第二立方棱镜的第一透射面朝向目镜组，激光发射器的激光轴线与第一立方棱镜的入射面共轴线，PSD位移传感器受光面与第一立方棱镜的第一透射面相对。使得测量精度大幅提高，反馈信号不易受环境因素影响。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种信号测量系统，特别是涉及一种用于远距离位移信号的测量系 统。 基于位置传感器的远距离位移测量系统
【背景技术】
[0002] 瞄准准直操作是火箭发射过程中的一项关键动作，其用途是在火箭发射前通过光 电自准直方式将箭上平台棱镜的法线方向调整到射向上，保证火箭的初始方位精度，使火 箭在发射之前处于精确的起飞方向。
[0003] -般通过在瞄准仪本体上加装光电发射接收部件，准直光源采用红光二极管，接 收器件采用光敏三极管。瞄准信号放大器对从接收到的光电信号进行放大处理，最后以表 头指针形式指示平台棱镜的偏转方向和大�。⒔贾毙藕磐酱涓刂葡低�。
[0004] 惯用的瞄准仪采用经纬仪望远镜结构，包括物镜组和目镜组，沿镜头焦距形成光 路光轴，通常在目镜组外侧设置有划分板，通过瞄准仪观察远方待测对象上的直角棱镜，获 得光源反馈信号，通过与划分版上十字丝刻度对比，以及对反馈信号光强度的判断，获得远 方待测对象是否保持正确位置的信息。
[0005] 在实际远距离使用中红光二极管受环境的影响较大且亮度弱，不容易寻找目标和 反射光线；光敏三极管只能接收光源从亮到暗的变化，为了实现位移测量不得不采用两只 三极管配合安装调试的方式，从而给瞄准设备带来了一定的系统误差；此外瞄准信号采用 电压方式传输给控制系统，由于长电缆传输受负载变化影响较大。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于位置传感器的远距离位移测量系统，解决现有瞄准 仪中光信号检测电路对反馈光信号检测精确度低，易受环境因素干扰的技术问题。
[0007] 本发明的基于位置传感器的远距离位移测量系统，包括望远系统，其中的物镜组 和目镜组沿镜头焦距构成光轴，还包括第一立方棱镜、第二立方棱镜、激光发射器和PSD位 移传感器，第一立方棱镜的入射面与第二立方棱镜的入射面垂直；第一立方棱镜的第一透 射面和第二透射面，与第二立方棱镜的入射面和固定平面共轴，第二立方棱镜的入射面与 第一立方棱镜的第二透射面相对；第二立方棱镜的第一透射面和第二透射面与光轴共轴， 第二立方棱镜的第一透射面朝向目镜组，激光发射器的激光轴线与第一立方棱镜的入射面 共轴线，PSD位移传感器受光面与第一立方棱镜的第一透射面相对。
[0008] 所述第一立方棱镜的第一透射面和第二透射面外侧各设置一个滤光镜，在滤光镜 与第二立方棱镜之间设置一个透镜，各滤光镜、透镜与第一立方棱镜和第二立方棱镜共轴 线。
[0009] 所述PSD位移传感器为两信号输出端，PSD位移传感器的每一个信号输出端分别 顺序连接一个信号采集电路，一个信号滤波电路和一个整流电路，两个整流电路的电流输 出端分别连接差动放大电路的一个信号输入端，差动放大电路的信号输出端连接恒流源驱 动电路的信号输入端，恒流源驱动电路的信号输出端连接长距离信号电缆的一端，其中： [0010] 信号采集电路，用于采集一个信号输出端的μA弱信号，过滤高频谐波成分，将弱 信号放大为mA信号；
[0011] 信号滤波电路，用于屏蔽中频谐波成分，获得低频频段的位移变化电压信号；
[0012] 整流电路，用于将位移变化电压信号转换为位移变化的直流电压信号；
[0013] 差动放大电路，用于对接入的两路差模信号进行放大，修正信号误差，形成精确的 位移电压信号；
[0014] 恒流源驱动电路，用于将输入的位移电压信号转为相应变化的电压信号控制的克 服传输阻抗的稳定输出信号源。
[0015] 所述恒流源驱动电路包括电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻 R27、电阻R28、第八运算放大器U08、第九运算放大器U09和第十运算放大器U10,输入信号 连接第八运算放大器U08的反相输入端，第八运算放大器U08的同相输入端连接模拟地，第 九运算放大器U09的同相输入端连接模拟地，第八运算放大器U08的反相输入端和输出端 间连接电阻R22,第九运算放大器U09的反相输入端和输出端间连接电阻R24,第八运算放 大器U08的输出端串联电阻R23后连接第九运算放大器U09的反相输入端，第九运算放大 器U09的输出端串联电阻R25后连接第十运算放大器U10的反相输入端，第十运算放大器 U10的反相输入端和输出端间连接电阻R26,第十运算放大器U10的同相输入端和输出端间 连接电阻R27,第十运算放大器U10的输出端串联电阻R27后输出控制信号，第十运算放大 器U10的输出端顺序串联电阻R27、电阻R28后连接模拟地。
[0016] 本发明基于位置传感器的远距离位移测量系统将对几个光敏三极管的不够精确 的亮度变化测量反应位移信号，转换为采用PSD传感器固有物理p-n节电势变化反应位移 信号，使得测量精度大幅提高，反馈信号不易受环境因素影响，具备了在复杂工况使用的能 力且可靠性提高；半导体激光器和PSD的使用降低了结构安装的复杂性，设备的安装调试 过程简单且可操作性强。
[0017] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明基于位置传感器的远距离位移测量系统的光源反馈结构示意图；
[0019] 图2为本发明基于位置传感器的远距离位移测量系统的信号处理结构示意图；
[0020] 图3为本发明基于位置传感器的远距离位移测量系统的输出信号驱动结构示意 图。
【具体实施方式】
[0021] 本实施例利用到立方棱镜水平截面为矩形，本实施例中立方棱镜的一个固定平面 设置在基座上，沿顺时针依次相连的其他三个平面依次为第一透射面、入射面和第二透射 面。
[0022] 如图1所示，实施例包括望远（镜）部分，其中的物镜组16和目镜组17沿镜头焦 距构成光轴，还包括第一立方棱镜11、第二立方棱镜12、激光发射器15和PSD位移传感器 01，第一立方棱镜11的入射面lib与第二立方棱镜12的入射面12b垂直；第一立方棱镜11 的第一透射面11a和第二透射面11c，与第二立方棱镜12的入射面12b和固定平面共轴，第 二立方棱镜12的入射面12b与第一立方棱镜11的第二透射面11c相对；第二立方棱镜12 的第一透射面12a和第二透射面12c与光轴共轴，第二立方棱镜12的第一透射面12a朝向 目镜组17;
[0023] 在第一立方棱镜11的第一透射面和第二透射面外侧各设置一个滤光镜13,在滤 光镜13与第二立方棱镜12之间设置一个透镜14,各滤光镜、透镜与第一立方棱镜11和第 二立方棱镜12共轴线；
[0024] 激光发射器15的激光轴线与第一立方棱镜11的入射面共轴线，PSD位移传感器 01受光面与第一立方棱镜11的第一透射面11a相对。
[0025] 实际应用中，利用激光发射器15发射的激光照射第一立方棱镜11的入射面11b， 激光折射经第一立方棱镜11的第二透射面11c至第二立方棱镜12的入射面12b，然后再次 折射经第二立方棱镜12的第二透射面12c射向物镜组16,形成与望远镜系统光轴共轴的激 光光束；
[0026] 当望远镜调焦物镜焦距至无穷远时，从物镜口发射出的平行激光光束照射到直角 棱镜上后反射，反射光经第二立方棱镜12的第一透射面12a和第二透射面12c照射目镜 组，成像在目镜外侧的分划板18上，当聚焦的光点与目镜十字丝左右重合时，即实现了激 光光电瞄准仪的光轴与直角棱镜的准直；
[0027] 同时反射光经第二立方棱镜12会在内部出现折射从第二立方棱镜12的入射面 12b射出，经第一立方棱镜11的第二投射面11c和第一透射面11a照射在PSD位移传感器 01的受光面上，输出包含位移信息的模拟信号，对PSD输出模拟信号进行处理，形成具有方 向性和量级的指示信号。
[0028] 如图2所示，本实施例中信号处理部分的PSD位移传感器01为两信号输出端的 光电转换信号源，PSD位移传感器01的每一个信号输出端分别顺序连接一个信号采集电路 02 (图2上01到左边02上少个箭头），一个信号滤波电路03和一个整流电路04,两个整流 电路04的电流输出端分别连接差动放大电路05的一个信号输入端，差动放大电路05的信 号输出端连接恒流源驱动电路06的信号输入端，恒流源驱动电路06的信号输出端连接长 距离信号电缆的一端，其中：
[0029] 信号采集电路02,用于采集一个信号输出端的μ A弱信号，过滤高频谐波成分，将 弱信号放大为mA信号；
[0030] 信号滤波电路03,用于屏蔽中频谐波成分，获得低频频段的位移变化电压信号；
[0031] 整流电路04,用于将位移变化电压信号转换为位移变化的直流电压信号；
[0032] 差动放大电路05,用于对接入的两路差模信号进行放大，修正信号误差，形成精确 的位移电压信号；
[0033] 恒流源驱动电路06,用于将输入的位移电压信号转为相应变化的电压信号控制的 克服传输阻抗的稳定输出信号源。
[0034] 本实施例对PSD发出的μΑ级弱信号进行一级放大、滤波以及I/V变换；采用带通 滤波电路，接收光源固有频率信号，抑制工频和杂光的影响；采用整流电路将滤波后近正弦 波信号转换为直流电压信号；采用差分放大电路实现减法功能，用于信号输出和方向的指 定；采用恒流源电路使得信号输出电流不受长距离线缆阻抗变化影响。
[0035] 如图3所示，本实施例的恒流源驱动电路采用FX747芯片，包括电阻R22、电阻 R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、变阻器RP2、第八运算放大器U08、第 九运算放大器U09和第十运算放大器U10,输入信号连接第八运算放大器U08的反相输入 端，第八运算放大器U08的同相输入端连接模拟地，第九运算放大器U09的同相输入端连接 模拟地，第八运算放大器U08的反相输入端和输出端间连接电阻R22,第九运算放大器U09 的反相输入端和输出端间连接电阻R24,第八运算放大器U08的输出端串联电阻R23后连接 第九运算放大器U09的反相输入端，第九运算放大器U09的输出端串联电阻R25后连接第 十运算放大器U10的反相输入端，第十运算放大器U10的反相输入端和输出端间连接电阻 R26,第十运算放大器U10的同相输入端和输出端间连接电阻R27,第十运算放大器U10的 输出端串联电阻R27后输出控制信号，第十运算放大器U10的输出端顺序串联电阻R27、电 阻R28后连接模拟地，LM747芯片的管脚13(图上u09, ulO画了 2个管脚13)、管脚9连接 正向电源VCC，LM747芯片的管脚4(图上u09，ul0画了 2个管脚4) 一个支路连接反向电源 VEE，另一个支路连接变阻器RP2的滑动端，变阻器RP2连接在LM747芯片的管脚3和管脚 14之间。
[0036] 本实施例的输出电流强度与信号线路负载无关，从而实现压控电流源转换。
[0037] 以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范 围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方 案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种基于位置传感器的远距离位移测量系统，包括望远镜，其中的物镜组（16)和 目镜组（17)沿镜头焦距构成光轴，其特征在于：还包括第一立方棱镜（11)、第二立方棱镜 (12) 、激光发射器（15)和PSD位移传感器（01)，第一立方棱镜（11)的入射面（lib)与第二 立方棱镜（12)的入射面（12b)垂直；第一立方棱镜（11)的第一透射面（11a)和第二透射 面（11c)，与第二立方棱镜（12)的入射面（12b)和固定平面共轴，第二立方棱镜（12)的入 射面（12b)与第一立方棱镜（11)的第二透射面（11c)相对；第二立方棱镜（12)的第一透 射面（12a)和第二透射面（12c)与光轴共轴，第二立方棱镜（12)的第一透射面（12a)朝向 目镜组（17)，激光发射器（15)的激光轴线与第一立方棱镜（11)的入射面共轴线，PSD位移 传感器（01)受光面与第一立方棱镜（11)的第一透射面（11a)相对。
2. 根据权利要求1所述的基于位置传感器的远距离位移测量系统，其特征在于：所 述第一立方棱镜（11)的第一透射面和第二透射面外侧各设置一个滤光镜（13)，在滤光镜 (13) 与第二立方棱镜（12)之间设置一个透镜（14)，各滤光镜、透镜与第一立方棱镜（11) 和第二立方棱镜（12)共轴线。
3. 根据权利要求2所述的基于位置传感器的远距离位移测量系统，其特征在于：所述 PSD位移传感器（01)为两信号输出端，PSD位移传感器（01)的每一个信号输出端分别顺序 连接一个信号采集电路（02)，一个信号滤波电路（03)和一个整流电路（04)，两个整流电路 (04)的电流输出端分别连接差动放大电路（05)的一个信号输入端，差动放大电路（05)的 信号输出端连接恒流源驱动电路（06)的信号输入端，恒流源驱动电路（06)的信号输出端 连接长距离信号电缆的一端，其中： 信号采集电路（02)，用于采集一个信号输出端的μ A弱信号，过滤高频谐波成分，将弱 信号放大为mA信号； 信号滤波电路（03)，用于屏蔽中频谐波成分，获得低频频段的位移变化电压信号； 整流电路（04)，用于将位移变化电压信号转换为位移变化的直流电压信号； 差动放大电路（05)，用于对接入的两路差模信号进行放大，修正信号误差，形成精确的 位移电压信号； 恒流源驱动电路（06)，用于将输入的位移电压信号转为相应变化的电压信号控制的克 服传输阻抗的稳定输出信号源。
4. 根据权利要求3所述的基于位置传感器的远距离位移测量系统，其特征在于：所述 恒流源驱动电路包括电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、 第八运算放大器U08、第九运算放大器U09和第十运算放大器U10,输入信号连接第八运算 放大器U08的反相输入端，第八运算放大器U08的同相输入端连接模拟地，第九运算放大 器U09的同相输入端连接模拟地，第八运算放大器U08的反相输入端和输出端间连接电阻 R22,第九运算放大器U09的反相输入端和输出端间连接电阻R24,第八运算放大器U08的 输出端串联电阻R23后连接第九运算放大器U09的反相输入端，第九运算放大器U09的输 出端串联电阻R25后连接第十运算放大器U10的反相输入端，第十运算放大器U10的反相 输入端和输出端间连接电阻R26,第十运算放大器U10的同相输入端和输出端间连接电阻 R27,第十运算放大器U10的输出端串联电阻R27后输出控制信号，第十运算放大器U10的 输出端顺序串联电阻R27、电阻R28后连接模拟地。
【文档编号】G01B11/02GK104061862SQ201410260569
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】范毅, 王华生, 王岩, 李发动, 狄世超, 宋小艳, 贺长水, 贺永喜 申请人:北京航天发射技术研究所, 中国运载火箭技术研究院
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