摘要：在分析光柵傳感器原理的基礎(chǔ)上，針對測量高壓線纜時要求測距儀精度高的問題，提出將高精度光柵傳感器應(yīng)用于激光測距儀的方案，在激光測距儀平臺設(shè)計中安裝兩個光柵傳感器，分別輸出仰俯角和水平轉(zhuǎn)角，并利用細分算法設(shè)計了光柵傳感器的細分電路，大大提高了測量精度。
引言:智能測距系統(tǒng)是光電測距儀與電子三維平臺及數(shù)據(jù)終端機（數(shù)據(jù)處理兼記錄）相結(jié)合的儀器。測距儀用于測量點與目標(biāo)之間的距離測量，電子三維平臺用于測量點與目標(biāo)點間的距離測量，電子三維平臺用于點與點間的方位角的確定，在高壓電網(wǎng)架設(shè)，城市建設(shè)，道路建設(shè)，橋梁建設(shè)，隧道工程，水壩及其水利建設(shè)，船舶制造及各類控制測量等方面有著廣泛的應(yīng)用。高精度的同類測距儀器在地震，地殼形變，水壩壩體變化檢測等方面亦有重要應(yīng)用。
在激光智能測距系統(tǒng)的整體規(guī)劃中，三維平臺的設(shè)計占有重要地位，它的整體框架尺寸須適中，有相應(yīng)的機械接口與激光測距部分相結(jié)合，在二者結(jié)合為一體后，能夠在對目標(biāo)進行粗調(diào)后就具體位置進行細調(diào)，以實現(xiàn)對目標(biāo)的jing確定位。在對1目標(biāo)完成距離測量和角度的初定數(shù)值后，再對第2目標(biāo)進行定位，需要jing確地得到兩測量目標(biāo)的仰俯角和水平轉(zhuǎn)角的差值，并保證測量過程中激光測距系統(tǒng)的穩(wěn)定和連續(xù)，這些都是在設(shè)計三維平臺時考慮的bi須滿足的基本條件。然而在本課題研究的測量高壓線纜實體的測距系統(tǒng)中，實際測量過程中對測量精度的要求ji高，為了滿足這種測量時對角度數(shù)據(jù)精度的需要，課題組在平臺設(shè)計中安裝了兩個光柵傳感器，輸出仰俯角和水平轉(zhuǎn)角。把從光柵傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過緩沖整形，濾波，數(shù)字細分，辯向，可逆計數(shù)后再轉(zhuǎn)換為RS-232信號輸出，再接到計算機對zui后的數(shù)據(jù)進行處理。
光柵傳感器的分類：一般說來，在測量角度中常用的光柵傳感器為圓光柵，在圓光柵中應(yīng)用的都是黑白光柵。根據(jù)圓光柵刻線的不同又可分為徑向輻射，切向，環(huán)形3類光柵。
徑向輻射光柵徑向輻射光柵，柵線分布在圓周上,所有柵線的延長線通過zhong心O,為圓光柵的節(jié)距角。根據(jù)兩光柵重疊位置的不同可以形成多種莫爾條紋:a)相同的兩快徑向輻射光柵同心疊合。當(dāng)一塊光柵的透光縫寬與另一塊光柵的不透光縫寬疊合,即完全遮光時透光量為0,而當(dāng)兩塊光柵的透光縫寬和透光縫寬(不透光縫寬和不透光縫寬)疊合時透光量zui大。因此,每當(dāng)標(biāo)尺光柵轉(zhuǎn)過一個,光電元件接收到的光能量便強弱變化一次,得到光閘莫爾條紋。b)兩塊節(jié)距角稍有不同的徑向輻射光柵同心疊合,得到的是輻射狀的縱向莫爾條紋。切向輻射光柵柵線分布在圓周上,但每根柵線的延長線均切于一個半徑為r的小圓上,柵線之間具有相同的。環(huán)形光柵由一簇等間距同心圓刻線組成的光柵稱為環(huán)形光柵。當(dāng)兩塊相同的環(huán)形光柵面對面疊合,并保持不大的偏心量時,便形成了輻射莫爾條紋,條紋的形狀可近似表示為直線。2高精度光柵傳感器的設(shè)計，光柵傳感器結(jié)構(gòu)為了提高系統(tǒng)的測量精度,在設(shè)計光柵傳感器時主要以測量裝置在全量程范圍上的角位移精度和莫爾條紋的細分精度作為設(shè)計的指標(biāo),所設(shè)計的光柵部件由照明與光學(xué)系統(tǒng)、光柵副、光電接收元件和機械部件等部分組成。光柵傳感器結(jié)構(gòu)2.2電子細分算法為了提高測量光柵傳感器的精度,除了要對光學(xué)系統(tǒng)中各元部件進行優(yōu)化設(shè)計,保證系統(tǒng)輸出良好而穩(wěn)定的莫爾條紋之外,還要提高細分精度。莫爾條紋的細分法有光學(xué)細分法、機械細分法和電子細分法等幾種。為了自動測量和將測量結(jié)果傳輸出來,光學(xué)細分法和機械細分法都離不開電子技術(shù),因此,在實際應(yīng)用中,電子細分法應(yīng)用zui為廣fan。本系統(tǒng)中應(yīng)用電子細分法對莫爾條紋進行四倍頻細分。這種細分法是在一個莫爾條紋寬度內(nèi),按一定間隔適當(dāng)放置4個光電元件,使這4個光電元件輸出的電信號相位依次相差90。對于徑向輻射圓光柵系統(tǒng),由于莫爾條紋方程是圓方程,不同序號的莫爾條紋圓半徑不等,因而用它產(chǎn)生的橫向莫爾條紋在光柵徑向位置上條紋寬度分布是不均勻的，這樣，用于位置四細分的4塊光電元件是不等間距分布的。
由此可見，經(jīng)差分放大以后，信號中的直流電平和偶次諧波均減小了。用位置四細分獲得的4相信號經(jīng)過差接或反相信號反向并接后，便獲得相位差90度的兩路信號Usca和Uscb。為了獲得計數(shù)脈沖和辨別方向，需要把這兩路信號整形，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)倪壿嬓盘柦M合便可得到可逆技術(shù)的主脈沖。只要光柵移動速度不是太快，光信號變化的半個周期時間長于中斷程序的執(zhí)行時間就不會產(chǎn)生漏計數(shù)的情況。如果加入統(tǒng)計平均程序，測量的偶然誤差還可以減小，如果再加上系統(tǒng)誤差修正程序進一步消除溫度，光柵刻畫累積誤差，則精度還會有所提高。所以，將對信號進行電子細分的光柵傳感器用于激光測距儀的前景是十分廣闊的。