CN110763162B - 一种超精密线激光转角感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超精密线激光转角感测方法。所述超精密线激光转角感测方法基于超精密线激光转角传感器对物体转角进行超精密测量；所述超精密线激光转角传感器包括线激光发射部件，正棱柱交错叠层激光反射部件，线激光反射光斑接收部件，控制处理器；所述控制处理器依据线激光反射光斑接收部件上受光位置变化量与正棱柱交错叠层激光反射部件转角间的几何映射关系，计算得到被检测物的转角值。本发明将正棱柱交错叠层激光反射部件安装到被测物上与其同步旋转，利用通过正棱柱轴线的线激光作为光源，当被测物旋转，使最终投射到线激光反射光斑接收部件上的光斑位置发生较大改变，实现转角量的放大，可实现对被测物转角的超高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，特别涉及一种超精密线激光转角感测方法。
背景技术
角度测量是计量科学的重要组成部分,特别是微小角度的测量在精密加工、航空航天、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的意义和作用。目前角度测量主要是由接触式测量逐步向光学测量方向发展。光学测角法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点。目前已有二维激光传感器,该产品可以测量工件的二面角，采用二维激光传感器来测量工件的面型得出工件的二面角，另外利用分光光度计、菲索干涉仪或者泰曼格林干涉仪进行测量的代价过大,测量一个工件所花费的时间较长，精度低。另外一些测量角度的方法,比如用图像处理的方法，但是其精度同样较低。
现有方法构建的激光反射装置，检测过程中转角量与感光元件上受光位置量的映射几何关系倍增量较低，即受光位置变化量相对于激光反射装置位移量放大倍数较小；在感光元件分辨率一定的情况下，映射几何关系较低的倍增量，限制了转角量的最小检测值，且代价昂贵。因此，在需要对微小转角量进行超高精度检测时，现有的方法难以满足应用要求。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提出了一种超精密线激光转角感测方法，用于解决现有转角检测中，难以实现对微小转角量进行超高精度检测的问题。
本发明为了实现上述目的，提出的一种超精密线激光转角感测方法，用于采用一种超精密线激光转角传感器对待测物转角进行超精密测量，其特征在于，所述超精密线激光转角传感器包括线激光发射部件(1)，正棱柱交错叠层激光反射部件(2)，线激光反射光斑接收部件(3)，控制处理器(4)；所述线激光发射部件(1)以线激光发射方向通过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的轴线安装；所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)由2个轴线共线、相互交错的角度为度的相同正棱柱组成，其中n为正棱柱的侧面数，D为正棱柱边长；所述线激光反射光斑接收部件(3)垂直于线激光发射方向安装，与正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的中心O安装位置的垂直距离为R；所述控制器(4)分别与线激光发射部件(1)和线激光反射光斑接收部件(3)连接；所述控制器(4)包含所述线激光发射部件(1)的线激光控制模块(41)、所述线激光反射光斑接收部件(3)的信息处理模块(42)、数据计算模块(43)、输出接口模块(44)；基于所述超精密线激光转角传感器，所述超精密线激光转角感测方法包括如下步骤：
1)所述被检测物位于初始位置时，由所述线激光控制模块(41)控制线激光发射部件(1)发射线激光投射到正棱柱交错叠层激光反射部件(2)上，所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)反射后投射至所述线激光反射光斑接收部件(3)上点p10，由所述信息处理模块(42)采集处理得到接收点p10所在位置；
2)所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)发生转角Δθ时，所述激光束投射至正棱柱交错叠层激光反射部件(2)上，经所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)反射后投射至线激光反射光斑接收部件(3)上点p11，由所述信息处理模块(42)采集处理得到接收点p11所在位置；
3)所述数据计算模块(43)依据线激光反射光斑接收部件(3)上接收点p10与p11位置分别计算两者与光源发出位置p20的距离L1、L2,以所述线激光发射部件(1)以通过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)轴线且激光发射方向垂直于正棱柱交错叠层激光反射部件(2)中正棱柱的任一侧面时的位置为正位置，L1、L2与正棱柱偏离正位置角度θ1、θ2存在映射几何关系，由计算得到正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的转角值Δθ；当经过所述激光反射的线激光位于接收点p10时，所述L1、L2与θ1、θ2以及Δθ求解的几何关系表达式为：
Δθ＝θ2-θ1
其中n为正棱柱的侧面数量，θ1、θ2均为此时正棱柱偏离正位置的角度，通过数学方法可以拟合出θ关于L的公式，由此解得任意位置的θ1和θ2，进而求出激光反射装置旋转角度即被测物旋转角度θ2-θ1，即Δθ；
4)根据检测的精度要求，可以确定正棱柱的侧面数量，每个面所测量的角度为偏离正位置的左右度，即可得出线激光反射光斑接收部件(3)上接收点的范围，所述被检测物旋转一定角度，使所述线激光束投射至正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的棱边时，所述线激光反射光斑接收部件(3)的信息处理模块(42)检测到反射光斑位于收范围的边缘处，此时使线激光发射部件(1)的线激光照射另一个正棱柱，由于所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)由2个轴线共线、相互交错的角度为/>度的相同正棱柱组成，因此此时线激光发射部件(1)的线激光照射到另一个正棱柱正位置，进行角度的继续测量，循环往复即可完成多圆周大角度范围的转角测量；
进一步地，所述超精密线激光转角传感器进行大角度连续测量转角时，元器件参数R、D、正棱柱侧面数量n，可根据检测精度进行更改，以满足不同检测环境的要求。
本发明的有益效果是：本发明通过利用2个相同的、共轴线正棱柱相互交错度叠层构成正棱柱交错叠层激光反射部件，其中n为正棱柱的侧面数，激光反射部件随被检测物同步转动，利用相同的线激光在正棱柱交错叠层激光反射部件上入射角的变化，使最终投射到线激光反射光斑接收部件上的激光光斑位置发生较大的改变，实现被检测物转角量在线激光反射光斑接收部件上的放大；在线激光反射光斑接收部件分辨率一定的情况下，可实现对被检测物转角超高精度测量。
附图说明
图1为超精密线激光转角感测方法原理示意图，图1中2—正棱柱交错叠层激光反射部件为同一正棱柱的初始位置和终点位置，第二个正棱柱未画出，该部件详细结构在图2中给出。
图中标记为，1—线激光发射部件，2—正棱柱交错叠层激光反射部件，3—线激光反射光斑接收部件，4—控制处理器，41—线激光控制模块，42—信息处理模块，43—数据计算模块，44—输出接口模块。
图2为正棱柱交错叠层激光反射部件详细结构图。
图中2个相同的、共轴线正棱柱相互交错度叠层构成正棱柱交错叠层激光反射部件，其中n为正棱柱的侧面数，根据精度要求确定。
图3为正棱柱交错叠层激光反射部件底部正棱柱或顶部正棱柱正位置视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，所述超精密线激光转角传感器包括线激光发射部件(1)，正棱柱交错叠层激光反射部件(2)，线激光反射光斑接收部件(3)，控制处理器(4)。优选地，所述线激光发射部件(1)为具有较高平行度的线激光发射管；所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)为2个正棱柱侧边长边边长为D的镜面反射元件交错叠层而成；所述线激光反射光斑接收部件(3)为CCD(电荷耦合装置)或PSD(光电位置传感器)，与所述控制处理器(4)连接。所述控制处理器器(4)包含线激光控制模块(41)、信息处理模块(42)、数据计算模块(43)、输出接口模块(44)；所述线激光控制模块(41)主要用于对所述线激光发射部件(1)的启停控制，所述信息处理模块(42)主要实现对线激光反射光斑接收部件(3)的受光位置信息进行采集处理，得到激光光斑在线激光反射光斑接收部件(3)上的位置值，所述数据计算模块(43)主要依据线激光反射光斑接收部件(3)上受光位置变化量计算被检测物的转角值，所述输出接口模块(44)主要实现传感器检测转角数据的对外输出功能。
优选标定方式，以所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的底部正棱柱底边中点作为标定点，此时线激光在所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)上的反射点为底面中点，所述线激光反射光斑接收部件(3)上激光投射点为p20，由所述信息处理模块(42)处理记录p20点的位置，作为所述超精密线激光转角传感器的标定点；所述底部正棱柱底面中点仅为优选标定点，也可选用所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)上其它位置进行标定。所述线激光发射部件(1)以线激光发射方向通过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的轴线安装；所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)由2个轴线共线、相互交错的角度为度的相同正棱柱组成，其中n为正棱柱的侧面数，D为正棱柱边长；所述线激光反射光斑接收部件(3)垂直于线激光发射方向安装，与正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的中心O安装位置的垂直距离为R；所述控制器(4)分别与线激光发射部件(1)和线激光反射光斑接收部件(3)连接。
在实际检测过程中，当所述被检测物发生转角Δθ后，所述数据计算模块(43)依据线激光反射光斑接收部件(3)上接收点p10与p11位置分别计算两者与光源发出位置p20的距离L1、L2,以所述线激光发射部件(1)以通过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)轴线且激光发射方向垂直于正棱柱交错叠层激光反射部件(2)中正棱柱的任一侧面时的位置为正位置，L1、L2与正棱柱偏离正位置角度θ1、θ2存在映射几何关系，由计算得到正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的转角值Δθ；当经过所述激光反射的线激光位于接收点p10时，所述L1、L2与θ1、θ2以及Δθ求解的几何关系表达式为：
Δθ＝θ2-θ1
其中n为正棱柱的侧面数量，θ1、θ2均为此时正棱柱偏离正位置的角度，通过数学方法可以拟合出θ关于L的公式，由此解得任意位置的θ1和θ2，进而求出激光反射装置旋转角度即被测物旋转角度θ2-θ1，即Δθ；
根据检测的精度要求，可以确定正棱柱的侧面数量，每个面所测量的角度为偏离正位置的左右度，即可得出线激光反射光斑接收部件(3)上接收点的范围，所述被检测物旋转一定角度，使所述线激光束投射至正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的棱边时，所述线激光反射光斑接收部件(3)的信息处理模块(42)检测到反射光斑位于收范围的边缘处，此时使线激光发射部件(1)的线激光照射另一个正棱柱，由于所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)由2个轴线共线、相互交错的角度为/>度的相同正棱柱组成，因此此时线激光发射部件(1)的线激光照射到另一个正棱柱正位置，进行角度的继续测量，循环往复即可完成多圆周大角度测量。
进一步地，所述超精密线激光转角传感器进行大角度连续测量转角时，元器件参数R、D、正棱柱侧面数量n，可根据检测精度进行更改，以满足不同检测环境的要求。
本发明的实现原理：由于正棱柱侧面的反射，对于投射点不同而方向相同的激光束，其入射角有较大变化。如图1所示，正棱柱交错叠层激光反射部件(2)上的投射点p10与p11，其入射角分别是θ1与θ2；入射角的变化致使反射线激光在方向上发生较大变化，最终体现在所述线激光反射光斑接收部件(3)上受光位置的较大变化；形成的有益效果是所述被检测物的转角变化量Δθ，对应于所述线激光反射光斑接收部件(3)以较大倍率放大后的距离值；在所述线激光反射光斑接收部件(3)的分辨率一定的情况下，实现对被检测物微小转角量的超高精度检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变形属于本发明的权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变形在内。
Claims (2)
1.一种超精密线激光转角感测方法，用于采用一种超精密线激光转角传感器对物体进行超精密转角测量，其特征在于，所述超精密线激光转角传感器包括线激光发射部件(1)，正棱柱交错叠层激光反射部件(2)，线激光反射光斑接收部件(3)，控制处理器(4)；
所述线激光发射部件(1)以线激光发射方向通过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的轴线安装；
所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)由2个共轴线、相互交错度的相同正棱柱叠层而成，其中n为正棱柱的侧面数；
所述线激光反射光斑接收部件(3)垂直于线激光发射方向安装，与正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的中心O安装位置的垂直距离为R；
所述控制处理器(4)分别与线激光发射部件(1)和线激光反射光斑接收部件(3)连接；
所述控制处理器(4)包含线激光发射部件(1)的线激光控制模块(41)、线激光反射光斑接收部件(3)的信息处理模块(42)、数据计算模块(43)、输出接口模块(44)；基于所述超精密线激光转角传感器，所述超精密线激光转角感测方法包括如下步骤：
1)被检测物位于初始位置时，由所述线激光控制模块(41)控制线激光发射部件(1)发射线激光投射到正棱柱交错叠层激光反射部件(2)上，经反射后投射至所述线激光反射光斑接收部件(3)上点p10，由所述信息处理模块(42)采集处理得到接收点p10所在位置；
2)所述被检测物发生小转角Δθ时，所述线激光经过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)反射后投射至线激光反射光斑接收部件(3)上点p11，由所述信息处理模块(42)采集处理得到接收点p11所在位置；
3)所述数据计算模块(43)依据线激光反射光斑接收部件(3)上接收点p10与p11位置分别计算两者与光源发出位置p20的距离L1、L2，以线激光发射方向通过正棱柱交错叠层激光反射部件(2)的轴线且垂直于正棱柱交错叠层激光反射部件(2)中正棱柱侧面时的位置为正位置，L1、L2与正棱柱偏离正位置角度θ1、θ2存在映射几何关系，由计算得到转角值Δθ；所述L1、L2与θ1、θ2以及Δθ求解的几何关系表达式为：
Δθ＝θ2-θ1
其中n为正棱柱的侧面数量，θ1、θ2均为此时正棱柱偏离正位置的角度，D为正棱柱边长，通过数学方法拟合出θ关于L的公式，由此解得任意位置的θ1、θ2，进而求出被测物旋转角度Δθ，即θ2-θ1；
4)根据检测的精度要求，确定正棱柱的侧面数量，每个面所测量的角度为偏离正位置的正负度，得出线激光反射光斑接收部件(3)上接收点的范围，首先使线激光照射底部正棱柱，所述被检测物旋转一定角度，使所述线激光投射至底部正棱柱的棱边时，所述线激光反射光斑接收部件(3)的信息处理模块(42)检测到反射光斑位于接收范围的边缘处，此时使线激光照射顶部正棱柱，由于所述正棱柱交错叠层激光反射部件(2)由2个共轴线、相互交错/>度的相同正棱柱组成，因此此时线激光照射到顶部正棱柱的正位置，进行角度的继续测量，循环往复即可完成多圆周大角度测量。
2.根据权利要求1所述的一种超精密线激光转角感测方法，其特征在于：所述超精密线激光转角传感器进行角度连续测量转角时，元器件参数R、D、正棱柱侧面数量n，可根据检测精度进行更改，以满足不同检测环境的要求。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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