一种基于折射镜的角度测量传感器
技术领域
本发明涉及测量技术领域,具体涉及一种基于折射镜的角度测量传感器。
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。如图1所示,专利号为201510276409.0,名称为“一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器”的中国专利公开了一种角度传感器,该传感器结构简单,适用于被测物体角度连续增量的变化测量,测量可靠,易于实现批量制造。根据光臂放大式连续角度基本测量原理可知,该角度传感器的计算过程复杂,耗时长,而且结构复杂。且其角度传感器的测量放大倍数与PSD入射角有关,传感器的放大倍数容易受到影响,即为当入射于PSD的光束的入射角增大时,PSD本身的测量精度会下降。
发明内容
本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足,提供一种基于折射镜的角度测量传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于折射镜的角度测量传感器,包括:
光源,用于发射光束;
透射部件,所述透射部件用于同被测物体相连接,所述透射部件可旋转并且沿周向设有若干个透光孔,透射部件设有中空部,光源位于所述中空部,且位于透射部件的中心,且位置固定不变,光源发射的光束通过所述透光孔透射出去;
折射镜一,用于接收从透光孔射出的光束,并使光束发生折射;
折射镜二,用于接收从透光孔射出的光束,并使光束发生折射;
光电探测器一,接收经折射镜一折射后的光束,并显示其入射位置;化值,处理得到被测物体的;
所述光电探测器二,用于接收经折射镜二折射后的光束,并显示其入射位置,且在测量过程中,光电探测器一和光电探测器二中至少有一个能够接收到光束;
所述处理***,具体用于根据所述光电探测器一和/或所述光电探测器二上所接收到的光束的入射位置变化值,处理得到被测物体的旋转角度值。
在进一步的方案中,所述折射镜一与光电探测器一贴合;所述折射镜二与光电探测器二贴合。
在进一步的方案中,所述光束为P偏振光。
在进一步的方案中,所述折射镜一的入射端面与入射至折射镜一的光束形成小于45°的夹角,折射镜二的入射端面与入射至折射镜二的光束形成小于45°的夹角。
一种基于折射镜的角度测量传感器,包括:
激光束一、激光束二;
反射部件,所述反射部件用于固定被测物体,所述反射部件可旋转并且沿周向设有若干个反射面,每个所述反射面用于将所述激光束一、激光束二进行反射;
折射镜一,用于接收所述激光束一在所述反射部件中的反射面反射后的激光束并使得激光束发生折射;
折射镜二,用于接收所述激光束二在所述反射部件中的反射面反射后的激光束并使得激光束发生折射;
光电探测器一,用于接收经折射镜一折射后的光束,并显示其入射位置;
光电探测器二,用于接收经折射镜二折射后的光束,并显示其入射位置;
处理***,根据所述光电探测器一上所接收到的激光束一入射位置变化值和/或所述光电探测器二上所接收到的激光束二入射位置变化值,处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。
在进一步的方案中,还包括至少一个反射镜一,至少一个反射镜二;
反射镜一设置于折射镜一与反射部件之间,激光束一被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至反射镜一,折射镜一接收反射镜一反射后的激光束,并使激光束发生折射,光电探测器一接收经折射镜一折射后的激光束,并显示其入射位置;
反射镜二设置于折射镜二与反射部件之间,激光束二被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至反射镜二,折射镜二接收反射镜二反射后的激光束,并使激光束发生折射,光电探测器二接收经折射镜二折射后的激光束,并显示其入射位置;
在进一步的方案中,还包括光源、分光镜和至少一个反光镜,所述光源发射的光束入射到分光镜经反射和透射分别得到所述激光束一、所述激光束二,所述激光束一、激光束二经所述反射部件的两个不同反射面分别反射并经两个不同折射镜分别折射后被对应所述光电探测器一、光电探测器二所接收。
在进一步的方案中,所述折射镜一与光电探测器一贴合;所述折射镜二与光电探测器二贴合。
在进一步的方案中,所述激光束一与激光束二均为P偏振光。
在进一步的方案中,折射镜一的入射端面与入射至折射镜一的激光束一形成小于45°的夹角,折射镜二的入射端面与入射至折射镜二的激光束二形成小于45°的夹角。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
通过折射镜的设置,使得增加角度传感器放大倍数的同时,降低光束入射至光电探测器的角度,因此角度传感器可以不受反射面的角度限制而降低放大倍数影响,换言之可以增大放大倍数。
使用P偏振光作为入射光束,增加了光束经过折射入射至光电探测器的强度,减小了折射镜反射入射光的比例,换言之可以降低***对光束入射强度的要求。
通过折射镜的作用,将大入射角度激光折射后以小角度入射至PSD,不仅提高了PSD测量稳定性,而且根据三角关系,传感器的角度测量精度得到进一步提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术中的连续增量式光臂放大型角度传感器测量被测物体的旋转角度示意图。
图2为实施例1中提供的角度传感器的示意图。
图3为实施例1中透射部件的结构示意图。
图4为实施例1中光源与光电探测器的位置关系示意图。
图5为实施例2中角度传感器的原理示意图。
图6为实施例3中角度传感器的原理示意图。
图7为实施例3中采用一个激光源得到两条激光束的原理示意图。
图中标记说明
光源1,光束2,激光束一3,激光束二4,透射部件5,透光孔6,光电探测器一7,光电探测器二8,中空部9,透射部51,定位部52,折射镜一10,折射镜二11,分光镜12,反光镜13,反射面14,反射镜一15,反射部件16。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
如图2所示,本实施例提供了一种基于折射镜的角度测量传感器,包括光源1、透射部件5、折射镜一10、折射镜二11、光电探测器一7、光电探测器二8及处理***。
其中,透射部件5用于同被测物体相连接,透射部件5可旋转,继而跟随被测物体旋转,透射部件5沿周向设有若干个透光孔6,透射部件5设有中空部9,光源1位于所述中空部9,且位于透射部件5的中心,且位置固定不变,光源1发射的光束2通过透光孔6透射出去。
其中,折射镜一10和折射镜二11用于分别接收从不同透光孔6射出的光束2,使光束发生折射;光电探测器一,接收经折射镜一折射后的光束,并显示其入射位置;光电探测器二,接收经折射镜二折射后的光束,并显示其入射位置。且在测量过程中,光电探测器一7和光电探测器二8中至少有一个能够接收到光束2,以实现连续测量。
处理***根据光电探测器一7和/或光电探测器二8上所接收到的光束2的入射位置变化值,处理得到被测物体的旋转角度值。处理***可以是任何具有数学计算能力的模块或芯片或装置,例如单片机,或FPGA,或电脑等。
容易理解的,入射光线与光电探测器接收面的夹角过小时,入射光线的光斑会发生重心的偏移,对光电探测器的测量精度造成影响。通过折射镜的设置,使得增加角度传感器放大倍数的同时,降低光束入射至光电探测器的角度,不仅提高了PSD测量稳定性,而且根据三角关系,传感器的角度测量精度得到进一步提高。且在本方案中,为了避免经折射镜折射后的光束再次发生折射对测量精度造成影响,所述折射镜与光电探测器贴合。
且在本方案中,所述折射镜一的入射端面与入射至折射镜一的光束形成小于45°的夹角,折射镜二的入射端面与入射至折射镜二的光束形成小于45°的夹角。
作为一种较优的实施方式,所述光束2为P偏振光。通过采用偏振光,增加了光束经过折射入射至光电探测器的强度,降低了光束以大入射角入射于折射镜时光束的反射率,减小了折射镜反射入射光的比例,换言之可以降低***对光束入射强度的要求。
如图3所示,本实施例中,透射部件5包括一体成型的透射部51和定位部52,透射部51和定位部52均为正多边形立柱。为了便于生产,如图3所示,定位部52的形状与透射部51的形状相同。中空部9设置于透射部51,由沿透射部51的轴向设置的圆柱形通孔形成,若干个透光孔6沿透射部51的周向分布,贯穿透射部51的整个壁厚,以让光源1发射的光束2透过,入射至折射镜一10和/或折射镜二11。定位部52设置有安装孔,被测物体通过该安装孔连接定位部52。透射部51和/或定位部52也可以采用圆柱,或其他结构,采用多边形立柱的目的是为了便于夹持定位部52,以便于安装定位。
如图2所示,实线表示旋转前的光束2,虚线表示旋转角度后的光束2,在光束2从透光孔6透射至同一个折射镜经过折射入射至同一个光电探测器的测量过程中,定义旋转前光束2在光电探测器上的入射点为入射点一,旋转后光束2在光电探测器上的入射点为入射点二,通过光电探测器一7或光电探测器二8上测量到的入射位置变化值(即入射点一与入射点二之间的距离),即可计算出旋转角度。为了将折射镜引入***的测量误差降到最低,折射镜厚度控制在光源1(点)至折射镜入射点的1%以内,下面计算过程忽略了折射镜引入到***误差。为了便于描述,定义光源1(点)到光电探测器(直线)的投影为投影点,光源1与光电探测器之间的距离所在直线为距离线,具体的,则有s=s1±s2,其中,L为光源1与光电探测器之间的距离,s为光电探测器(一或二)测量到的位移变化值,s1为入射点一与投影点之间的距离,s2为入射点二与投影点之间的距离,α为旋转前的光束2与距离线之间的夹角,β为旋转后的光束2与距离线之间的夹角。
为了保障光源1发射的光束2经过透光孔6透射后并经过折射镜一和/或折射镜二折射后,可以被光电探测器一7和/或光电探测器二8所接收,以实现连续测量,可以分别针对光电探测器一7和光电探测器二8设置两个临界点,两个临界点所对应的透射部件5的每个透光孔6旋转角度的范围,分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值,光源1发射的光束2通过透光孔6射出后,至少有一光电探测器可接收经对应折射镜折射后的光束,即光束2位于该光电探测器中的两个临界点之间的检测区域;处理***对光电探测器一7和光电探测器二8之间切换检测计算的方法为,当光电探测器一7、光电探测器二8中其中一个探测到透射光束2超出该光电探测器中两个临界点之间区域时,处理***自动切换到采用另一个光电探测器检测区域内的光束2检测值进行计算。
容易理解的,为了避免干扰,光电探测器一7(或光电探测器二8)在同一时刻只能接收从一个透光孔6射出的光束2。仅以光源1在光电探测器的投影点为光电探测器的中点为例,如图4所示,假设光电探测器的长度为H,光源1发射的一字线光束的角度为θ,光源1与光电探测器之间的距离为L,那么透光孔6的分布角范围β需满足下列条件:
其中
为了保障光电探测器一7和光电探测器二8之间,总有一个光电探测器能够接收到光束2,如图4所示,作为一种实施方式,可以将光电探测器一7和光电探测器二8的位置设置为满足以下关系:光源1发射的一字线光束的角度大于光电探测器一7和光电探测器二8的接收角δ。当被测物体的旋转角度很小时,旋转前后的光束2可能从同一个透光孔6射至光电探测器,当旋转角度较大时,则旋转前后的光束2从不同的透光孔6射至同一个光电探测器。
应用上述基于折射镜的角度测量传感器进行测量时,按照以下步骤操作:
将透射部件与被测物体相连接,使得透射部件可随被测物体的旋转而转动;
调整光束、透射部件、折射镜一、折射镜二、光电探测器一、光电探测器二的位置关系,使得光电探测器一和光电探测器二中的至少一个,可以接收到从其中一个透光孔透射出经折射镜一和/或折射镜二折射后的光束;
发射光束,所述光束经过所述透射部件的一个或以上的透光孔透射出去,所述折射镜一和/或折射镜二,接收从透光孔射出的光束,并使光束发生折射;所述光电探测器一和/或光电探测器二,检测到从其中一个透光孔射出的光束经对应折射镜折射后的初始入射位置;
被测物体旋转,在旋转过程中,所述光电探测器一和/或光电探测器二检测到从其中一个透光孔射出的光束经折射镜一和/或折射镜二折射后在各自探测器上入射位置的变化,直到被测物体旋转停止;
处理***通过所述光电探测器一上所接收到的光束一入射位置变化值和/或所述光电探测器二上所接收到的光束二入射位置变化值,处理得到被测物体的旋转角度值。
实施例2
如图3所示,图3中仅展示了激光束一的传输过程本实施例提供了
一种基于折射镜的角度测量传感器,包括激光束一3、激光束二4,还包括以下部件:
反射部件16,用于固定被测物体,反射部件16可旋转并且沿周向设有若干个反射面14,每个所述反射面14用于将所述激光束一3、激光束二4进行反射;
折射镜一10,用于接收所述激光束一3在所述反射部件中的反射面反射后的激光束并使得激光束发生折射;
折射镜二11,用于接收所述激光束二4在所述反射部件中的反射面反射后的激光束并使得激光束发生折射;
光电探测器一7,用于接收经折射镜一10折射后的光束,并显示其入射位置;
光电探测器二8,用于接收经折射镜二11折射后的光束,并显示其入射位置;
处理***,根据所述光电探测器一上所接收到的激光束一入射位置变化值和/或所述光电探测器二上所接收到的激光束二入射位置变化值,处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。
容易理解的,入射光线与光电探测器接收面的夹角过小时,入射光线的光斑会发生重心的偏移,对光电探测器的测量精度造成影响。通过折射镜的设置,使得增加角度传感器放大倍数的同时,降低光束入射至光电探测器的角度,将大入射角度激光折射后以小角度入射至PSD,不仅提高了PSD测量稳定性,而且根据三角关系,传感器的角度测量精度得到进一步提高。且在本方案中,为了避免经折射镜折射后的光束再次发生折射对测量精度造成影响,所述折射镜与光电探测器贴合。
作为一种较优的实施方式,所述激光束一3入射至折射镜一10的入射角大于45°,所述激光束二4入射至折射镜二11的入射角大于45°。
在进一步的方案中,所述光束2为P偏振光。通过采用偏振光,增加了光束经过折射入射至光电探测器的强度,降低了光束以大入射角入射于折射镜时光束的反射率,减小了折射镜反射入射光的比例,换言之可以降低***对光束入射强度的要求。
应用上述基于折射镜的角度测量传感器测量时,包括以下几个步骤:
将所述反射部件固定在被测物体上;
调整激光束一、激光束二、反射部件、折射镜一、折射镜二、光电探测器一、光电探测器二的位置关系,使得激光束一被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至折射镜一,光电探测器一可接收到经折射镜一折射后的激光束一,激光束二被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至折射镜二,光电探测器二可以接收到经折射镜二折射后的激光束二;
发射激光束一、激光束二,所述激光束一、激光束二分别经过所述反射部件的不同反射面反射且经由不同的折射镜发生折射后,所述光电探测器一、光电探测器二检测到该反射光束的初始位置;
被测物体旋转,在旋转过程中,所述光电探测器一、光电探测器二分别检测到所述激光束一、激光束二的反射激光束在各自探测器上入射位置的变化,直到被测物体旋转停止;
处理***通过所述光电探测器一上所接收到的激光束一入射位置变化值和/或所述光电探测器二上所接收到的激光束二入射位置变化值,处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。
实施例3
如图6所示,图6中仅展示了激光束一的传输过程,以展示其原理。本实施例提供了一种基于折射镜的角度测量传感器,包括激光束一3、激光束二4,还包括以下部件:
反射部件16,用于固定被测物体,反射部件16可旋转并且沿周向设有若干个反射面14,每个所述反射面14用于将所述激光束一3、激光束二4进行反射;
光电探测器一7,光电探测器二8,至少一个反射镜一15,至少一个反射镜二(图中未示出),折射镜一10,折射镜二(图中未示出);
反射镜一15设置于光电探测器一7与反射部件16之间,激光束一3被反射部件16中的一个反射面14反射后的激光束入射至反射镜一15,折射镜一10接收反射镜一15反射后的激光束,并使激光束发生折射,光电探测器一7接收经折射镜一10折射后的激光束,并显示其入射位置;
反射镜二设置于折射镜二与反射部件16之间,激光束二被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至反射镜二,折射镜二接收反射镜二反射后的激光束,并使激光束发生折射,光电探测器二接收经折射镜二折射后的激光束,并显示其入射位置;
处理***,根据所述光电探测器一7上所接收到的激光束一3入射位置变化值和/或所述光电探测器二8上所接收到的激光束二4入射位置变化值,处理得到所述反射部件16上被测物体的旋转角度值。
如图6所示,激光束一经过反射镜反射后,可以增大光臂长度,进而可以提高角度传感器的角度测量精度。
容易理解的,PSD(光电探测器)入射角越大,则入射光斑椭圆化程度越大,在PSD位移测量方向上长轴越长,这对于PSD位置测量精度带来了不利影响。通过折射镜一10与折射镜二的设置,使得增加角度传感器放大倍数的同时,降低光束入射至光电探测器的角度,因此可以提高角度传感器的角度测量精度。且在本方案中,为了避免经折射镜折射后的光束再次发生折射对测量精度造成影响,所述折射镜与光电探测器贴合。
作为一种较优的实施方式,折射镜一的入射端面与入射至折射镜一的激光束一形成小于45°的夹角,折射镜二的入射端面与入射至折射镜二的激光束二形成小于45°的夹角。
在进一步的方案中,所述所述激光束一3与激光束二4均为P偏振光。通过采用偏振光,增加了光束经过折射入射至光电探测器的强度,降低了光束以大入射角入射于折射镜时光束的反射率,减小了折射镜反射入射光的比例,换言之可以降低***对光束入射强度的要求。
在图6所示结构中,反射镜一15为两个,激光束一3被反射部件16中的反射面14反射后的激光束入射至其中一个反射镜一15,经该反射镜一15反射后入射至另一个反射镜一15,光电探测器一7接收所述另一个反射镜一15反射并经对应折射镜折射后的激光束并显示其入射位置。激光束一3经过多次反射,可以增大光臂长度,进一步提高测量精度。
当然地,反射镜二也可以为两个,激光束二被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至其中一个反射镜二,经该反射镜二反射后入射至另一个反射镜二,光电探测器二接收所述另一个反射镜二反射并经对应折射镜折射后的激光束并显示其入射位置。
如图7所示,激光束一、激光束二由一个光源1得到。具体的,光源1和正多边形立柱之间设有分光镜12,光源1发射的光束2到达分光镜12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折射镜一10,经折射后入射至光电探测器一7,激光束二4入射到至少一个反光镜13后反射至反射面14,并经过所述反射面14反射后入射到折射镜二11,经折射后入射至光电探测器二8。如此可以降低激光源的成本。
光电探测器一7和光电探测器二8上均设置有对该两个光电探测器进行切换检测的两个临界点,两个临界点所对应的反射部件16的每个反射面14旋转角度的范围分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值,反射部件的两个不同反射面反射的两条激光束中至少有一条反射激光束位于该光电探测器中的两个临界点之间的检测区域;处理***对光电探测器一7和光电探测器二8之间切换检测计算的方法为,当光电探测器一7、光电探测器二8中其中一个探测到反射激光束超出该光电探测器中两个临界点之间区域时,处理***自动切换到采用另一个光电探测器检测区域内的激光束检测值进行计算。
另一个方案中,如图6所示,两个反射镜一15相互平行设置。同理的,两个反射镜二也可以相互平行设置,方便于结构布置。
应用上述基于折射镜的角度测量传感器测量时,包括以下几个步骤:
将所述反射部件固定在被测物体上;
调整激光束一、激光束二、反射部件、折射镜一、折射镜二、光电探测器一、光电探测器二、反射镜一和反射镜二的位置关系,使得激光束一被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至反射镜一,且折射镜一能够接收反射镜一反射后的激光束且使得经激光束发生折射并入射至光电探测器一,激光束二被反射部件中的反射面反射后的激光束入射至反射镜二,折射镜二能够接收反射镜二反射后的激光束且使得经激光束发生折射并入射至光电探测器二;
发射激光束一、激光束二,所述激光束一、激光束二在分别经过所述反射部件的不同反射面反射且入射至对应的反射镜一、反射镜二后,经所述反射镜一、反射镜二反射,分别入射至对应的折射镜一与折射镜二,所述光电探测器一、光电探测器二检测到经过所述对应的折射镜一与折射镜二折射后的激光束的初始位置;
被测物体旋转,在旋转过程中,所述光电探测器一、光电探测器二分别检测到所述激光束一、激光束二的反射激光束在各自探测器上入射位置的变化,直到被测物体旋转停止;
处理***通过所述光电探测器一上所接收到的激光束一入射位置变化值和/或所述光电探测器二上所接收到的激光束二入射位置变化值,处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。