CN111256623B - 一种棱锥式连续角度测量传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种棱锥式连续角度测量传感器及其测量方法，该传感器包括：光源，用于发射光束；正棱锥体，所述正棱锥体用于同被测物体相连接，且可随被测物体一起旋转，正棱锥体的锥面用于反射所述光源发射的光束；光电探测器，用于在光束反射至同一个光电探测器的测量过程中，接收经正棱锥体的锥面反射的光束，并显示其入射位置；处理***，用于根据所述光电探测器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。本发明中对光源的位置没有过多的要求，因此不会因为光源的位置难以固定于旋转轴上而导致测量误差，进而可以提高测量准确性。

Description

一种棱锥式连续角度测量传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及精密测试技术领域，特别涉及一种棱锥式连续角度测量传感器及其测量方法。

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。申请号为201810688632.X，名称为“棱锥式连续角度测量传感器及其测量方法”的中国发明，通过将光源设置于正棱锥体的中心，在正棱锥体上设置若干个透光孔，光源发射的光束可以直接从透光孔透射出去，被光电探测器接收，相比于反射的方式，可以简化计算过程，提高运算速度，同时也简化了整个装置的结构。然而该发明也有缺陷，例如由于需要在旋转中心设计点光源或者线激光器，但实际应用中发现，由于装配误差等原因，难以保证光源准确设置在旋转中心轴线处，继而造成了角度测量误差。另外，相关供电电缆的固定等也存在使用不便的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种棱锥式连续角度测量传感器及其测量方法，可以进一步提高测量精度与计算速度。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种棱锥式连续角度测量传感器，包括：

光源，用于发射出光束；

正棱锥体，所述正棱锥体用于同被测物体相连接，且可随被测物体一起旋转，正棱锥体的锥面用于反射所述光源发射的光束，所述光源发射的光束入射至正棱锥体的锥点；

光电探测器，用于在光束反射至同一个光电探测器的测量过程中，接收经正棱锥体的锥面反射的光束，并显示其入射位置；

处理***，用于根据所述光电探测器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。

在进一步优化的方案中，光电探测器为至少两个，且至少两个光电探测器错开设置，使得在测量过程中至少有一个光电探测器能够接收到光束。

上述方案中，通过设置两个及以上光电探测器，当其中一个光电探测器接收不到光束时切换至另一个光电探测器接收，因此可以可靠地保障连续角度测量，增强角度传感器的实用性。

进一步优化的方案中，所述正棱锥体的每个锥面的倾角为45°。进一步地，所述光源发射出的光束垂直于正棱锥体的底面。通过设置锥面的倾角为45°，可以实现被锥面反射的光束垂直入射至光电探测器，简化运算过程。且光电探测器的位置就可以与光源呈90度设置，这样便于各个部件的布置，减小整个***的结构尺寸。

在进一步优化的方案中，所述光源发射出的光束经整形分束器整形后入射至正棱锥体的锥面。光束经整形分束器后被整形成能量均布的圆形激光，更有利于正棱锥体的锥面对其进行反射，也更有利于光电探测器接收。

进一步优化的方案中，所述光源发射出的光束经整形分束器整形为环形光束，环形光束的圆心与正棱锥体的锥点重合。环形光束的圆心与正棱锥体的锥点重合，光束投射到正棱锥体的锥面，锥点处无光束，此时可以将锥点削掉以保障正棱锥体的使用安全。环形光束投射到锥面后近似于矩形光斑，能量集中，更有利于光电探测器接收。

在进一步优化的方案中，从正棱锥体的锥面反射的光束经反光镜反射后再入射至光电探测器。通过设置反光镜对光束进行反射后再入射至光电探测器，可以增长光臂，继而在保障测量精度的基础上减小部件的空间占用，减小整体设备尺寸。

在另一个优化的方案中，从正棱锥体的锥面反射的光束经双自由曲面透镜透射至光电探测器。

另一方面，本发明同时提供了一种上述棱锥式连续角度测量传感器的测量方法，包括以下步骤：

将正棱锥体与被测物体同轴连接，使得正棱锥体可随被测物体的旋转而同步转动；

调整光源、至少两个光电探测器的位置关系，使得在测量过程中至少有一个光电探测器可以接收到从正棱锥体的锥面反射的光束；

激发光源发射出光束，所述光束经过所述正棱锥体的锥面反射出去，所述光电探测器记录入射光束的初始位置；

被测物体旋转，在旋转过程中，所述光电探测器记录入射光束的入射位置的变化，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明方案中，光源的位置没有特殊要求，只需要在正棱锥体的外部且其发出的光束能入射至正棱锥体的锥面即可，便于激光源的固定安装，也方便于供电电缆的布置。

此外，本发明采用的正棱锥在体积上也较正棱柱大大减小了，在成本以及精度控制上更便于实际工业应用。

通过将被测物体安装在正棱锥体上，被测物体旋转时正棱锥体随之一起旋转，通过测量旋转过程中的经正棱锥体反射的光束位于光电探测器上的入射位置点的变化，处理***能够根据两个光电探测器上光束入射位置的变化来计算被测物体旋转角度的变化值，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。

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要介绍，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附图。

图1为实施例1中提供的角度传感器的示意图。

图2a、图2b分别为正棱锥体旋转不同角度时的光路效果图。

图3为实施例2中提供的角度传感器的示意图。

图4为实施例3中提供的角度传感器的示意图。

图中标号说明：

1-光源，2-整形分束器，3-反光镜，4-双自由曲面透镜，5-正棱锥体，7-光电探测器一，8-光电探测器二。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种棱锥式连续角度测量传感器，包括光源1、正棱锥体5、光电探测器一7、光电探测器二8及处理***。

其中，正棱锥体5用于同被测物体相连接，正棱锥体5可跟随被测物体同步旋转，正棱锥体5的锥面用于将光源1发射的光束反射出去，也就是说光源1发出的光束入射至正棱锥体5的锥面。光源1优选采用激光源，光信号稳定，更容易被光电探测器所接收。也可以在光源1与正棱锥体5之间设置一个整形分束器2，使得光源1发出的光束被整形成准直平行光后再入射至正棱锥体5的锥面。在更优化的方案中，光源1发射出的光束经整形分束器2整形为环形光束，且环形光束的圆心与正棱锥体的锥点重合，此时正棱锥体5可以是被削掉锥点的结构，以避免锥点的尖锐性可能造成安全隐患。环形光束投射到锥面后近似于矩形光斑，能量集中，更有利于光电探测器接收。

正棱锥体5的结构并不限于图中所展示的正六棱锥体。

如图1所示，光源发射的光束优选入射至正棱锥体的锥点。由于光源发出的是一束光，在平面上形成一个光斑，具有一定的面积，因此当光斑在正棱锥体的锥点上时，会覆盖锥点处的各个锥面，通过各个锥面反射出去，继而被布置在对应位置的光电探测器接收。也就是说，光束从锥点处入射至各个锥面。由于光束从锥点处入射至各个锥面，因此光源发射的光束经锥面反射至光电探测器，类似于光源在正棱锥体的中心，光源发射的光束被光电探测器接收，因此，其被测物体的转动角度的计算原理同申请号为201810688632.X的中国发明，可参见其说明中的计算过程描述。为了更简化计算过程，优选正棱锥体的锥面倾斜角度为45°，光源发射出的光束垂直于正棱锥体的底面，这样经过正棱锥体的锥面反射的光束就可以垂直入射至光电探测器中，既便于光电探测器接收，也可以简化计算过程。

其中，光电探测器一7和光电探测器二8，用于在光束反射至同一个光电探测器的测量过程中，接收经正棱锥体5的锥面反射的光束，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。光电探测器一和光电探测器二分别设置在不同位置的目的是为了实现连续测量，本实施例及附图中展示了两个光电探测器，但是可以理解的，可以有更多的光电探测器，且更多个光电探测器错开布置。

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。

为了保障光源1发射的光束2经过正棱锥体5的锥面反射后，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正棱锥体5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发射的光束至少有一光电探测器可接收，即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光束检测值进行计算。

应用上述棱锥式连续角度测量传感器进行测量时，按照以下步骤操作：

将正棱锥体与被测物体同轴连接，使得正棱锥体可随被测物体的旋转而同步转动；

调整光源、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，可以接收到从正棱锥体的锥面反射出的光束；

激发光源发射出光束，所述光束经过正棱锥体的锥面反射出去，光电探测器一和/或光电探测器二，检测到光束的初始位置；

被测物体旋转，在旋转过程中，光电探测器一和/或光电探测器二检测到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光束入射位置变化值和/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

请参阅图3，本实施例中提供的一种棱锥式连续角度测量传感器的结构与实施例1中相比，光电探测器与正棱锥体之间设置有一个或多个反光镜3，被正棱锥体5的锥面反射的光束经过反光镜3反射后再入射至光电探测器一7或光电探测器二8，以此来增长光臂，提高测量准确度，而且在相同测量精度的情况下使得传感器整体尺寸更小。

实施例3

请参阅图4，本实施例中提供的一种棱锥式连续角度测量传感器的结构与实施例1中相比，光电探测器与正棱锥体之间设置有双自由曲面透镜4，被正棱锥体5的锥面反射的光束经过双自由曲面透镜4透射后再入射至光电探测器一7或光电探测器二8，以此更利于光电探测器接收到光束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，包括：

光源，用于发射出光束；

正棱锥体，所述正棱锥体用于同被测物体相连接，且可随被测物体一起旋转，正棱锥体的锥面用于反射所述光源发射的光束，所述光源发射的光束入射至正棱锥体的锥点；

光电探测器，用于在光束反射至同一个光电探测器的测量过程中，接收经正棱锥体的锥面反射的光束，并显示其入射位置；光电探测器为至少两个，且至少两个光电探测器错开设置，使得在测量过程中至少有一个光电探测器能够接收到光束；

处理***，用于根据所述光电探测器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。

2.根据权利要求1所述棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，所述正棱锥体的每个锥面的倾角为45°。

3.根据权利要求2所述的棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，所述光源发射出的光束垂直于正棱锥体的底面。

4.根据权利要求1所述的棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，所述光源发射出的光束经整形分束器整形后入射至正棱锥体的锥面。

5.根据权利要求4所述的棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，所述光源发射出的光束经整形分束器整形为环形光束，环形光束的圆心与正棱锥体的锥点重合。

6.根据权利要求1所述的棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，从正棱锥体的锥面反射的光束经反光镜反射后再入射至光电探测器。

7.根据权利要求1所述的棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，从正棱锥体的锥面反射的光束经双自由曲面透镜透射至光电探测器。

8.根据权利要求1所述的棱锥式连续角度测量传感器，其特征在于，所述光源为激光器。

9.根据权利要求2-8任一所述的棱锥式连续角度测量传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将正棱锥体与被测物体同轴连接，使得正棱锥体可随被测物体的旋转而同步转动；

调整光源、至少两个光电探测器的位置关系，使得在测量过程中至少有一个光电探测器可以接收到从正棱锥体的锥面反射的光束；

激发光源发射出光束，所述光束经过所述正棱锥体的锥面反射出去，所述光电探测器记录入射光束的初始位置；

被测物体旋转，在旋转过程中，所述光电探测器记录入射光束的入射位置的变化，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。

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