硕士研究生毕业答辩

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　　高精度多功能激光准直仪的研究 答 辩 人：闫 洪 猛 导 师：李 田 泽 教授 研究方向：光电检测技术 山东理工大学电气与电子工程学院 LOGO 答辩提纲 课题的意义、 课题的意义、主要任务 高精度多功能激光准直仪硬件系统设计 高精度多功能激光准直仪评测软件设计 系统误差分析 总结与展望 一、课题的意义、主要任务 课题的意义、 1.1 传统准直仪存在的问题 传统的经纬仪、 传统的经纬仪、正倒镜竖向投测法及吊垂 线法等由于精度低、 线法等由于精度低、受现场条件限制等缺点越 来越不能满足施工、安装和监测的要求。 来越不能满足施工、安装和监测的要求。 一、课题的意义、主要任务 课题的意义、 1.2 高精度多功能激光准直仪的特点 可测距离长 精度高 微机数据处理 数字显示 可实现仪器的小型化： 可实现仪器的小型化： 机械结构、 机械结构、光学系统及信号处理电路 一、课题的意义、主要任务 课题的意义、 1.３ 1.３ 高精度多功能激光准直仪精度及功能 本文设计的高精度多功能激光准直仪器精度 分辨率为± 为 ±0.05mm ， 分辨率为 ±0.01mm， 激光光 ， 束准直精度为10 量级，示值范围为± ， 束准直精度为 -6 量级 ， 示值范围为 ±6mm， 该仪器可以应用于大坝坝体水平位移的精密测 量 、 高耸建筑垂直测量以及重型机械零部件的 大尺寸高精度测量等， 大尺寸高精度测量等 ， 并且可以自动进行直线 度误差评判和数据输出， 度误差评判和数据输出 ， 便于数据的保存和后 续处理。 续处理。 一、课题的意义、主要任务 课题的意义、 1.4 课题的主要任务 设计了双光束消漂移光学系统 深入研究和设计了数据采集处理系统 设计了系统软件，可实现自动实时测量、 设计了系统软件，可实现自动实时测量、EXCEL 等各种格式的数据输出 分析了PSD误差产生的原因 分析了 误差产生的原因 对高精度激光准直仪的后续工作了展望 二、高精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.1 硬件组成 二、高精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.2 PSD的原理（横向光电效应） PSD的原理 横向光电效应） 的原理（ 二、高精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.3 改进表面分流型二维PSD 改进表面分流型二维PSD 二、高精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.4 PSD的特点 PSD的特点 没有工作死区， 没有工作死区，可以给出光点在整个光敏面 上移动的连续性位置数据； 上移动的连续性位置数据； 分辨率高，响应速度快，线性较好； 分辨率高，响应速度快，线性较好； 不需要扫描，从而简化了外围电路， 不需要扫描，从而简化了外围电路，具有较 高的性价比； 高的性价比； 检测时不受入射光束的形状以及光强波动的 影响。 影响。 二、高精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.5 光学原理 二、精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.6 DMC1000步进电动机控制卡 DMC1000步进电动机控制卡 二、精度多功能激光准直仪硬件系统设计 2.7 数据采集系统 数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。 数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。 本系统硬件采用了PCL-818L 本系统硬件采用了 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 主要任务 实现界面和算法优化、 实现界面和算法优化、测量输入长度与电动机同 动态实时测量、 步、动态实时测量、各种输出格式等 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.1 直线度测评软件的规划 能选择不同的评定方法； 能选择不同的评定方法； 能够进行单点测量和连续测量； 能够进行单点测量和连续测量； 能够提供针对不同的用户（仪器） 能够提供针对不同的用户（仪器）输入不同类型的测 试数据。 手工输入角差值或线差值， 试数据。如：手工输入角差值或线差值，自准直仪或 激光准直仪输入数据； 激光准直仪输入数据； 能够选择不同的数据处理方法，如两端点连线法、 能够选择不同的数据处理方法，如两端点连线法、最 小区域包容法； 小区域包容法； 能够改变电动机的速度、驱动速度和驱动方向； 能够改变电动机的速度、驱动速度和驱动方向； 能够输出平面测量图，并且可以保存； 能够输出平面测量图，并且可以保存； 能够提供多种数据输出格式，如文本格式、 能够提供多种数据输出格式，如文本格式、EXCEL格 格 拷屏输出等； 式、拷屏输出等； 能够选择数据采集卡的测量通道。 能够选择数据采集卡的测量通道。 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.2直线度测评软件的主要功能 3.2直线度测评软件的主要功能 本系统所设计的软件主要功能有：交互式界 本系统所设计的软件主要功能有： 光靶的等间距移动控制、 面、PSD光靶的等间距移动控制、单点及动态实 光靶的等间距移动控制 时数据采集、数据评测输出等。 时数据采集、数据评测输出等。 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.3 直线度测评软件的评定方法 形状误差的评定， 形状误差的评定，是以被测实际要素相对 于理想要素的最大变动量来确定的。 于理想要素的最大变动量来确定的。由于直线 度误差曲线的不同，理想要素(理想直线 理想直线)的位 度误差曲线的不同，理想要素 理想直线 的位 置也是浮动的。 置也是浮动的。评定直线度误差时根据理想直 线的确定方法不同，可分为神经网络法、 线的确定方法不同，可分为神经网络法、两端 点连线法、最小区域法和最小二乘法。 点连线法、最小区域法和最小二乘法。 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.3.1 两端点连线法 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.3.2 最小区域包容法 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.4 直线度测评软件的主要组成部分 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.5 直线度测评软件的关键技术 本文所要设计的主要软件部分是数据采集模块、 本文所要设计的主要软件部分是数据采集模块、 步进电机驱动模块、数据显示和输出等等， 步进电机驱动模块、数据显示和输出等等，系统中主 MSComm、 ActiveDAQdevice 、 要用到 ActiveDAQ、 DAQAI、Timer控件、CommonDialog控件、滚动条 控件、 控件、 、 控件 控件 控件等。 控件等。 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.5.1 ActiveDAQ ActiveDAQ是一套高效数据采集开发 是一套高效数据采集开发 组件， 可以方便地应用于Visual Basic、 组件 ， 可以方便地应用于 、 Visual C++、 Borland c++、 Delphi以及 、 、 以及 各种支持ActiveX控件的组态软件中，通过 控件的组态软件中， 各种支持 控件的组态软件中 控件的属性、 时间、 控件的属性 、 时间 、 方法可以很方便地对 控件进行编程。 本软件选用ActiveDAQ控 控件进行编程 。 本软件选用 控 件和DMC1000控制卡进行软件设计， 通过 控制卡进行软件设计， 件和 控制卡进行软件设计 对两种控件的编程可实现数据的单点采集、 对两种控件的编程可实现数据的单点采集 、 多点采集、 多点采集 、 静态测量以及动态连续实时测 量和自动标定功能。 量和自动标定功能。 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.5.2 ActiveDAQ参数 ActiveDAQ参数 ActiveDAQ 控 件 共 有 的 两 种 属 性 参 数 DeviceNumber 和 DeviceName 。 对 DeviceNumber的设定可以通过两种方式： 一 的设定可以通过两种方式： 的设定可以通过两种方式 种 方 式 就 是 通 过 控 件 属 性 窗 口 的 DeviceNumber来直接设定； 另一种方式就是 来直接设定； 来直接设定 通过SelectDevice方法运行后产生的选择板卡 通过 方法运行后产生的选择板卡 设备的对话框来选择， 设备的对话框来选择，并会在控件的属性窗口 返回DeviceNumber与 DeviceName的属性值 。 的属性值。 返回 与 的属性值 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.5.2 ActiveDAQ参数 ActiveDAQ参数 第一种方式 第二种方式 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.5.3 DAQAI DAQAI控件的属性 控件的属性 StartChannel、NumberOfChannes 、DataType 、NumberOf 、 Samples 等 DAQAI控件的方法 控件的方法 SelectDevice 、RawInput 与 RealInput 、AcquireStart 与 AcquireStop GetBufferData 与GetBufferDataEx DAQAI控件的事件 控件的事件 OnEventRaw 与OnEventReal 、OnTerminated 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.6 直线度测评软件的操作界面 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.6 直线度测评软件的操作界面 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3. 6直线度测评软件的操作界面 6直线度测评软件的操作界面 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.6 直线度测评软件的操作界面 三、高精度多功能激光准直仪评测软件设计 3.6 直线度测评软件的操作界面 四、系统误差分析 论文进行了高精度多功能激光准直仪的 相关实验，得出了相应的数据， 相关实验，得出了相应的数据，同时分析了 该仪器误差产生的原因： 该仪器误差产生的原因： 系统光源； 系统光源； A/D转换误差； 转换误差； 转换误差 透镜组的像差； 透镜组的像差； PSD传感器自身误差及处理电路误差； 传感器自身误差及处理电路误差； 传感器自身误差及处理电路误差 传动系统转动时的传动误差等。 传动系统转动时的传动误差等。 五、总结与展望 5.1 总结 激光准直仪的出现， 激光准直仪的出现，打破了工程测量长期以来 只能提供基准直线的历史。该基准面可以是水平面、 只能提供基准直线的历史。该基准面可以是水平面、 竖直面或者一定倾斜度的倾斜基准面。 竖直面或者一定倾斜度的倾斜基准面。水平基准面 可以用于广场、建筑地板、吊顶装饰灯； 可以用于广场、建筑地板、吊顶装饰灯；竖直可以 用于墙、 高层建筑玻璃墙面施工； 用于墙、柱、高层建筑玻璃墙面施工；倾斜基准面 可用于道路、铁路等倾斜基准面施工， 可用于道路、铁路等倾斜基准面施工，从而显著地 扩大了仪器的应用范围。 扩大了仪器的应用范围。 五、总结与展望 5.2 展望 光源选择方面，选择更加理想的光源， 光源选择方面，选择更加理想的光源，减小发 散角，提高光线的稳定性， 散角，提高光线的稳定性，尽量缩小光斑的大 随着集成度的提高，可以将光源和PSD整 小。随着集成度的提高，可以将光源和 整 合成密闭的无杂散光的器件， 合成密闭的无杂散光的器件，这样可以尽量消 除外界杂散光的影响。 除外界杂散光的影响推荐阅读：知情同意。 目前PSD只适用于单点测量，还不能对多点进 只适用于单点测量， 目前 只适用于单点测量 行同时测量。随着CMOS技术的发展，PSD的 技术的发展， 行同时测量。随着 技术的发展 的 集成度、效率会更高，功耗、 集成度、效率会更高，功耗、暗电流等影响因 素会更低。 素会更低。 五、总结与展望 处理电路中， 在PSD处理电路中，当信号非常弱的时候，可以 处理电路中 当信号非常弱的时候， 加入反馈控制， 加入反馈控制，控制电路使得信号输入也按比例 增大，提高信噪比，进而提高系统的测量精度。 增大，提高信噪比，进而提高系统的测量精度。 软件优化与选择,Visual Basic有其自身的优点， 有其自身的优点， 软件优化与选择 有其自身的优点 但对于现阶段来说VB的运行速度相对与其它编 但对于现阶段来说 的运行速度相对与其它编 程软件来说速度稍慢，界面过于呆板，与硬件之 程软件来说速度稍慢， 界面过于呆板， 间的通信相对复杂。 功能强大、 间的通信相对复杂。如Matlab功能强大、编程简 功能强大 单 、 图 象 输 出 简 便 、 处 理 速 度 快 , 其 中 的 Data Acquisition Toolbox工具箱在数据采集和处理 工具箱在数据采集和处理 方面就比较优异。 方面就比较优异。 致谢 感谢各位老师！ 感谢各位老师！