CN105180842A - 一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法，该角度传感器包括激光源，用于发射激光束；反射部件，反射部件用于安装被测物体，反射部件可旋转并且设有至少一个反射面，反射面用于将激光源发射的激光束进行反射；光电探测器，用于接收反射部件的反射面反射后的激光束；处理***，将光电探测器所接收到的激光束位置变化值换算成反射部件的旋转角度值。该角度传感器通过将反射部件安装在待测物体上，激光入射到反射部件的反射面表面后反射到光电探测器元件上，通过测量光电探测器的感光位置变化来计算对应角度的变化值，该传感器结构简单，适用于测量小角度待测物体旋转角度，易于实现批量制造。

Description

一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法。

背景技术

角度传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等很多领域中都有广泛的使用。目前市场上主流的测角度传感器有光电编码器、旋转变压器及圆盘式感应同步器。

光电编码器俗称圆光栅，其利用圆光栅产生的莫尔条纹以及光电转换技术将角度信息以脉冲量的形式输出。与其它测角度传感器相比，圆光栅具有体积小、重量轻、测角精度高、响应速度快、抗干扰能力强、使用方便等优点，在精密测量领域得到广泛应用。但由于圆光栅制造工艺采用光刻工艺的原因，圆周刻线数越多，测量精度也越高，其制造难度大，成本高，造成圆光栅价格居高不下。特别对于小型精密仪器而言，半径小的情况下很难提高圆光栅的测量精度。

旋转变压器俗称旋变，是一种输出电压随转子转动角度变化而变化的测角元件。它具有坚固、耐热、耐冲击、抗干扰能力强、响应速度快、制造成本低等优点，广泛应用于工业生产各领域。旋转变压器的种类很多，其中应用最广泛的是正余弦旋转变压器。其原理相当于一个能够转动的变压器，定子与转子之间随着角度变化输出与转子转动角度相关的正余弦信号。该类旋转变压器的测角精度通常在5角秒至10角秒量级。

圆盘式感应同步器是一种基于电磁感应原理的角度传感器。圆盘式感应同步器的转子共有N个导片。当转子转过角度θ时，定子绕组A和B分别感应输出相应感应电动势。感应同步器有鉴幅型和鉴相型两种工作方式。圆盘式感应同步器具有较高精度和分辨力、抗干扰能力强、使用寿命长、成本较低、维护简单等特点。

三类角度传感器中，圆光栅的优点是测量的动态性好、抗干扰能力强、测角精度高，缺点是对机械轴线的加工精度和安装精度要求高，其价格也相对较高。旋转变压器的优点是成本低，加工精度与安装精度低，缺点是测量精度相对较低。圆盘式感应同步器测优点是制造成本低、测量精度较高、加工精度与安装精度低的特点。

当前测角度的三类角度传感器中，精度最高的是圆光栅，其精度在角秒量级，例如英国Renishaw公司生产的RESR系列精密圆光栅，外径75mm的圆光栅其***精度为3.9角秒。但由于光刻工艺的限制，造成圆光栅测角精度很难再有提升，特别是对于小半径圆光栅，其测角精度无法进一步的提高，已经在很多精密测量仪器中成为限制仪器精度的关键因素。

发明内容

本发明的目的在于克服现有角度传感器由于其制造工艺、结构、成本限制导致的精度很难进一步提高的不足，提供一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法，该角度传感器以反射部件轴线作为传感器旋转轴线，激光器发射的激光入射到反射部件的反光面表面后反射到光电探测器元件上，通过测量光电探测器的感光长度变化获取对应角度变化值，该传感器结构简单，测角精度高，易于实现批量制造。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种新型光臂放大式高精度角度传感器，包括：

激光源一，用于发射激光束；

反射部件，所述反射部件用于安装被测物体，所述反射部件可旋转并且设有至少一个反射面，所述反射面用于将所述激光源一发射的激光束进行反射；

光电探测器一，用于接收所述反射部件的反射面反射后的激光束；

处理***，将光电探测器一所接收到的激光束位置变化值换算成所述反射部件的旋转角度值。

该新型光臂放大式高精度角度传感器，通过将反射部件安装在待测物体上，激光入射到反射部件的反射面后再反射到光电探测器元件上，待测物体旋转时，反射部件随之一起旋转，通过测量旋转过程中的反射面反射出激光束位于光电探测器一上的位置变化，处理***能够通过该激光束反射位置的变化来计算对应角度的变化值，该传感器结构简单，适用于测量小角度待测物体旋转角度，易于实现批量制造。

光电探测器一可以采用一种对光点位置敏感的光电器件，可以测出光点位置的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择形状为一维线性的光电探测器，也可选择成二维平面的光电探测器。

优选地，所述光电探测器为一维光电探测器。

优选地，所述光电探测器为二维光电探测器。

优选地，所述反射部件的反射面为反射平面，反射部件的反射面采用平面反射，更易于检测和计算。

优选地，所述反射部件设有便于安装被测物体的安装孔。

该反射部件的旋转轴设置同轴内孔，作为待测物体的安装孔，实现被测工件的安装。

优选地，所述反射部件上设有至少两个所述反射面。

优选地，所述反射部件为正多边形立柱，所述正多边形立柱的每个侧面为所述反射面。

优选地，还包括光电探测器二、分光镜和至少一个反光镜，所述分光镜位于所述激光源一和所述反射部件之间；所述分光镜将入射光束反射到所述反光镜，所述反光镜将光束反射到所述反射部件的其他反射面，该反射面反射的光束被所述光电探测器二接收。

优选地，还包括激光源二和光电探测器二，所述激光源二的入射光束入射到所述反射部件上的其他反射面，该反射面反射的光束被所述光电探测器二接收。

优选地，所述光电探测器二与所述光电探测器一相互平行设置。

本发明还提供了一种新型光臂放大式高精度角度传感器的测量方法，包括上述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其测量方法包括如下步骤：

步骤一、将所述反射部件安装在待测物体上；

步骤二、调整激光源一、反射部件、光电探测器一的位置关系，使其相互适配，将光电探测器一与处理***通信连接；

步骤三、启动激光源一，所述激光源一发射的激光束一经过所述反射部件的反射面反射后，所述光电探测器一检测到该反射光束的位置；

步骤四、待测物体旋转，在旋转过程中，激光束一一直发射激光束，该激光束经过一直旋转的反射面反射后，所述光电探测器一检测到该反射光束的反射位置的变化；

步骤五、处理***通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一所检测到的激光束一的反射激光束的位置变化，处理得到所述待测物体的旋转角度。

优选地，上述测量方法还包括步骤六：所述反光镜、分光镜反射出另一条激光束二，或者通过激光源二发射出另一条激光束二，采用所述步骤一至步骤五的方法，入射到所述反射部件被反射后，所述光电探测器二所检测到激光束二的反射位置变化，得到该待测物体的另一个旋转角度，与所述步骤五中的旋转角度求平均值，作为该待测物体的旋转角度。

通过在激光源一和反射部件之间设置反光镜、分光镜、光电探测器二，或者直接设置激光源二、光电探测器二，是为了采用双光路实现测量求平均值。其中，前者是将激光源一的激光束分成了激光束一、激光束二，因此增加了分光射镜、以及反光镜。前者初始位置下激光源在分光镜的透射光作为激光束一，激光束一入射点在反射部件的其中一个反射面，激光源在分光镜的反射光作为激光束二，激光束二入射点在反射部件的另一个反射面。后者初始位置下激光源一入射点在反射部件的一个反射面，激光源二入射点在反射部件另一个反射面。在待测物体旋转的时候，两个光电探测器分别测量其旋转角度，然后求平均值，以获得更准确的待测物体旋转值，提高测量精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该新型光臂放大式高精度角度传感器，通过将反射部件安装在待测物体上，激光入射到反射部件的反射面后再反射到光电探测器元件上，待测物体旋转时，反射部件随之一起旋转，通过测量旋转过程中的反射面反射出激光束位于光电探测器一上位置的变化，处理***能够通过该反射激光束位置的变化来计算对应角度的变化值，该传感器结构简单，适用于测量小角度待测物体旋转角度，易于实现批量制造；

2、在激光源一和反射部件之间设置反光镜、分光镜、光电探测器二，或者直接设置激光源二、光电探测器二，是为了采用双光路实现测量求平均值。在待测物体旋转的时候，两个光电探测器分别测量其旋转角度，然后求平均值，以获得更准确的待测物体旋转值，提高测量精度。

附图说明：

图1为本发明所述新型光臂放大式高精度角度传感器采用的单激光源测量示意图；

图2为图1中反射部件旋转一定角度后的单激光源角度测量示意图；

图3为图1中反射部件的结构示意图；

图4为图1中单激光源采用反光镜和分光镜形成双光路角度测量的示意图；

图5为图4中反射部件旋转一定角度后的单激光源角度测量示意图；

图6为本发明所述新型光臂放大式高精度角度传感器采用的双激光源角度测量原理图；

图7为图6中反射部件旋转一定角度后的双激光源角度测量示意图；

图8为图1中反射部件旋转前、后的单激光源入射光束和反射光束示意图；

图8a为图8中激光束入射点位于反射部件上反射面中心线上时的示意图；

图8b为图8中激光束入射点为于反射部件上反射面右侧相交线时的示意图；

图8c为图8中激光束入射点位于反射部件上反射面左侧相交线时的示意图；

图9为图8中光电探测器相对水平面倾斜一定角度后的单激光源入射光束和反射光束示意图。

图中标记：

1、激光源一，2、激光源二，3、激光束一，4、激光束二，5、反射部件，6、反射面，7、光电探测器一，8、光电探测器二，9、反光镜，10、分光镜，11、安装孔。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种新型光臂放大式高精度角度传感器，激光源一，用于发射激光束；

反射部件5，用于安装在被测物体，反射部件5可旋转并且设有至少一个反射面6，反射面6用于将激光源一1发射的激光束进行反射；

光电探测器一7，用于接收反射部件5的反射面6反射后的激光束；

处理***，将光电探测器一7所接收到的激光束位置变化值换算成反射部件5的旋转角度值。

反射部件5选用正多边形立柱，其内部设有轴孔，如图3所示，即正多边形立柱的安装孔11，实现与被测轴系等工件在旋转时同轴旋转，该正多边形立柱的侧面为反光面。该新型光臂放大式高精度角度传感器基于光学臂放大角度变化的原理，通过测量光电探测器的感光位置变化实现角度测量。其测量原理如图1所示。以图1、图2为说明，光电探测器一7对应的激光入射点为正多边形中点，假设α为被测物体旋转前激光束一3在反射部件5上一反射面6的入射角，β为被测物体旋转角度γ后激光束一3在反射部件5上该反射面6的入射角，θ为正多边形立柱上一反射面对应中心角度的一半角度值(或反射面上的中心线与斜边的夹角值)，正多边形反光元件角度旋转α-β角度后，由图8、图9可得可得：

γ＝α-β(公式1)

$L_{{\mathrm{oo}}^{\′}}=\frac{(r_1-r_1\×\cos \left(\mathrm{\γ}\right))}{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}$ (公式2)

$h=\frac{(r_1-r_1\×\cos \left(\mathrm{\γ}\right))}{\sin \left(\mathrm{\β}\right)}\sin \left(\mathrm{\α}\right)$ (公式3)

L_AB＝(r×tan(α))-h-(r+L_oo'×cos(α))×tan(2β-α)(公式4)

其中L_AB为光电探测器一7元件测量长度变化量，r₁为多边形中心到多边形边的距离，r₂为多边形中心到多边形顶点的距离。r为多边形中心点到光电探测器一7的距离。通过L_AB的长度变化即可获取正多边形立柱的角度变化量。角度变化方向可以由SA的长度变化获得，SA增加则正多边形立柱顺时针旋转，SA减少时则正多边形立柱逆时针旋转。

选用不同的正多边形立柱与入射角，则对应的光电探测器一7的长度与固定位置需要进行对应的设计，设计原理如图8、8a、8b、8c所示。可得计算公式如下：

$L_{{\mathrm{oo}}^{\′}}=\sqrt{{r_2}^2-{r_1}^2{\cos }^2\left(\mathrm{\α}\right)}-r_1\sin \left(\mathrm{\α}\right)$ (公式5)

${\∠}_{{\mathrm{oo}}^{\′\′}{o}^{\′}}=\arccos \left(\frac{{r_2}^2-{r_1}^2-{L^2}_{{\mathrm{oo}}^{\′}}}{2\×r_1\×r_2}\right)$ (公式6)

$\mathrm{\θ}=\arccos \left(\frac{r_1}{r_2}\right)$ (公式7)

β＝θ-∠_OO”O'(公式8)

EF＝r₁+L_oo'×sin(α)+(r+L_oo'×cos(α))×tan(α-2β)(公式9)

EG＝r₁+L_oo'×sin(α)+(r+L_oo'×cos(α))×tan(α+2β)(公式10)

FG＝(r+L_oo'×cos(α))×(tan(α+2β)-tan(α-2β))(公式11)

为简化公式，同时为保证激光反射点可以很好的被光电探测器一7接收，将F点与G点适当放大，根据图8、8a、8b、8c所示，可以使用以下近似公式。

EF＝r₂+(r+L_oo')×tan(α-2θ)(公式12)

EG＝r₂+(r+L_oo')×tan(α+2θ)(公式13)

FG＝(r+L_oo')×(tan(α+2θ)-tan(α-2θ))(公式14)

要求在任何情况下都可以将光反射到光电探测器一7上。

本实施例中假设正多边形立柱的反射面个数n＝36，r＝30mm，r₂＝20mm，r₁＝19.924mm。

初始位置下激光源一1入射点在正多边形立柱的中部，入射角为70度，激光源二2入射点在正多边形的中点，入射角为70度。光电探测器一7竖直安装，正多边形立柱轴线距离光电探测器一7的距离为30mm。正多边形立柱角度变化时，激光源一1与激光源二2入射点在正多边形的位置也随着变化，如图6与图7所示。随着正多边形立柱的角度变化，采用光电探测器一7探测到的激光束一3位置变化进行角度计算。

光电探测器一7的长度与固定位置需要进行对应的设计，根据图8、8a、8b、8c所示可得：

EF＝r₂+(r+L_oo')×tan(α-2θ)＝25.328mm

EG＝r₂+(r+L_oo')×tan(α+2θ)＝37.447mm

FG＝(r+L_oo')×(tan(α+2θ)-tan(α-2θ))＝12.119mm

长度与角度对应关系可以根据公式4进行转换。

实施例2

如图4、5所示，采用双光路实现测量时，上述激光源一1和正多边形立柱之间设有分光镜10，激光源一1发射的激光束到达分光射镜10经过透射和反射分后分别形成激光束一3、激光束二4，激光束一3经过所述正多边形立柱反射后入射到光电探测器一7，激光束二4入射到至少一个反光镜9后，再反射到光电探测器二8。分光镜10反射后的激光束二4依次经过两个反光镜9后入射到光电探测器二8。光电探测器一7和光电探测器二8相互平行设置在所述正多边形立柱同一侧。

在激光源一1的激光束分成了激光束一3、激光束二4，因此增加了分光镜10、以及反光镜9。初始位置下激光源在分光镜10的透射光作为激光束一3，激光束一3的入射点在正多边形立柱一反光面的中点，激光源一1在分光镜10的反射光作为激光束二4，激光束二4的入射点在正多边形立柱的另一个反射面6的中点，其中激光束一3、激光束二4分别入射到正多边形立柱的两个反射面6上。当正多边形立柱旋转一角度时，激光源一1的透射光激光束一3的入射点与反射光激光束二4的入射点在正多边形立柱的边的位置也随着变化。根据正多边形立柱的角度变化，采用光电探测器一7与光电探测器二8分别测量激光束一3、激光束二4的位置变化，对测量得到的两个位置变化分别计算其角度值，再对角度值取平均值作为被测工件的旋转角度值。

选用不同的正多边形立柱与入射角，则对应的两个光电探测器的长度与固定位置需要进行对应的设计，设计公式参考式5至式14。

实施例3

如图9所示，当光电探测器一7并非如实施例1中为竖直方向，而是与水平线成一定角度的夹角当正多边形反光元件角度旋转γ角度后，假设光电探测器上所检测到的位置变化为L_AB′，由公式4可得：

(公式15)

当时，光电探测器一7处于水平状态，在该状态下，测量原理与实施例1相同，在相同内孔轴线至光电探测器的距离下，安装空间大大减小；当时，光电探测器一7处于竖直状态，如实施例1所示，在相同内孔轴线至光电探测器的距离下，检测精度比时高，但安装空间增加。实际使用时，可以根据安装空间与精度要求选择合适的角进行设计。

选用不同的正多边形立柱与入射角，则对应的两个光电探测器的长度与固定位置需要进行对应的设计。

实施例4

如图6、7所示，该新型光臂放大式高精度角度传感器还采用两个激光源的双光路实现测量。即每个激光源对应一个光电探测器，激光源一1对应光电探测器一7，激光源二2对应光电探测器二8。具体是初始位置下激光源一1入射点在正多边形立柱一反射面6的中部，激光源二2入射点在正多边形立柱另一个反射面6的中部。当正多边形立柱角度变化时，激光源一1与激光源二2入射点在正多边形立柱的两个反射面6的位置均随着变化。随着正多边形立柱的角度变化，采用光电探测器一7与光电探测器二8同时测得的两个激光束位置变化进行角度计算并求平均值。

选用不同的正多边形立柱与入射角，则对应的两个光电探测器的长度与固定位置需要进行对应的设计，设计公式参考式5至式14。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，包括：

激光源一(1)，用于发射激光束；

反射部件(5)，所述反射部件(5)用于安装被测物体，所述反射部件(5)可旋转并且设有至少一个反射面(6)，所述反射面(6)用于将所述激光源一(1)发射的激光束进行反射；

光电探测器一(7)，用于接收所述反射部件(5)的反射面(6)反射后的激光束；

处理***，将光电探测器一(7)所接收到的激光束位置变化值换算成所述反射部件(5)的旋转角度值。

2.根据权利要求1所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件(5)的反射面(6)为反射平面。

3.根据权利要求1所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件(5)设有便于安装被测物体的安装孔(11)。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件(5)上设有至少两个所述反射面(6)。

5.根据权利要求4所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件(5)为正多边形立柱，所述正多边形立柱的每个侧面为所述反射面(6)。

6.根据权利要求4所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，还包括光电探测器二(8)、分光镜和至少一个反光镜(9)，所述分光镜(10)位于所述激光源一(1)和所述反射部件(5)之间；所述分光镜(10)将入射光束反射到所述反光镜(9)，所述反光镜(9)将光束反射到所述反射部件(5)的其他反射面(6)，该反射面(6)反射的光束被所述光电探测器二(8)接收。

7.根据权利要求4所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，还包括激光源二(2)和光电探测器二(8)，所述激光源二(2)的入射光束入射到所述反射部件(5)上的其他反射面(6)，该反射面(6)反射的光束被所述光电探测器二(8)接收。

8.根据权利要求6或7所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，所述光电探测器二(8)与所述光电探测器一(7)相互平行设置。

9.一种新型光臂放大式高精度角度传感器的测量方法，包括如权利要求1-8任一所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其特征在于，其测量方法包括如下步骤：

步骤一、将所述反射部件(5)安装在待测物体上；

步骤二、调整激光源一(1)、反射部件(5)、光电探测器一(7)的位置关系，使其相互适配，将光电探测器一(7)与处理***通信连接；

步骤三、启动激光源一(1)，所述激光源一(1)发射的激光束一(3)经过所述反射部件(5)的反射面(6)反射后，所述光电探测器一(7)检测到该反射光束的位置；

步骤四、待测物体旋转，在旋转过程中，激光源一(1)一直发射激光束一(3)，该激光束一(3)经过一直旋转的反射面(6)反射后，所述光电探测器一(7)检测到该反射光束的反射位置的变化，直到停止角度测量；

步骤五、处理***通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一(7)所检测到的激光束一(3)的反射激光束的位置变化，处理得到所述待测物体的旋转角度。

10.根据权利要求9所述的一种新型光臂放大式高精度角度传感器的测量方法，其特征在于，还包括步骤六：所述反光镜(9)、分光镜(10)反射出另一条激光束二(10)，或者通过激光源二(4)发射出另一条激光束二(10)，采用所述步骤一至步骤五的方法，入射到所述反射部件(5)被反射后，所述光电探测器二(8)所检测到激光束二(10)的反射位置变化，得到该待测物体的另一个旋转角度，与所述步骤五中的旋转角度求平均值，作为该待测物体的旋转角度。