CN101769725B - F-p板反馈补偿法角位移测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了F-P板反馈补偿法角位移测量仪。它包括驱动电源、调制光源、准直物镜、反射镜、待测物体、F-P板、透镜、光电转换器、模数转换器、计算机、电机；带有驱动电源的调制光源，沿着调制光源发出光束的前进方向上放置准直物镜和反射镜，在反射镜的反射光束前进方向上放置待测物体，在该待测物体反射光方向上放置F-P板，在F-P板透射光束方向上放置透镜与光电转换器，光电转换器通过模数转换器与计算机相连，计算机控制电机驱动F-P板转动。本发明和现有技术相比较，具有结构简单、精度高、量程大等优点。

Description

F-P板反馈补偿法角位移测量仪

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪。

背景技术

由于测量的高精度和非接触性要求，角位移光学测量技术已广泛应用于工业、军事、航天、航海等诸多领域，成为不可替代的重要角度检测手段。目前，角位移测量方法主要为自准直法、全内透射差动探测法和干涉测量法。自准直法的精确度和分辨率不高，要获得较高的测量精度和分辨率，仪器会占用较大空间；全内透射差动探测法对环境的要求较高，需要在暗室中进行，同时要求光源有较高的稳定性；直接利用F-P板干涉实现高精度角位移测量，存在量程小、需要精确确定初始入射角等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪。

F-P板反馈补偿法角位移测量仪包括驱动电源、调制光源、准直物镜、反射镜、待测物体、F-P板、透镜、光电转换器、模数转换器、计算机、电机；带有驱动电源的调制光源，沿着调制光源发出光束的前进方向上放置准直物镜和反射镜，在反射镜的反射光束前进方向上放置待测物体，在该待测物体反射光方向上放置F-P板，在F-P板透射光束方向上放置透镜与光电转换器，光电转换器通过模数转换器与计算机相连，计算机控制电机驱动F-P板转动；所述的待测物体表面为镜面或金属表面；待测物体转动微角δ₁，F-P板需实时转动角度

进行补偿，才能保持光线到F-P板的入射角不变，F-P板转动的角度

为：

待测物体转动δ₁，F-P板(6)实时补偿保持光线到F-P板的入射角不变，待测物体连续转动微角δ_n，n＝1，2，3...，F-P板实时连续转动补偿

n＝1，2，3...，保持光线到F-P板的入射角始终不变，则待测物体转动的角位移δ为其转动微角δ_n，n＝1，2，3...的累加和，即，

$\mathrm{\δ}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_n$ n＝1，2，3...，

模数转换器光电转换器检测到的干涉信号s(t)输入计算机处理，得到相位变化α，从而得到待测物体的微角位移δ₁和F-P板需要进行补偿的角度

同时，计算机控制电机驱动F-P板实时转动角位移

保持光线到F-P板的入射角不变。待测物体连续转动微角δ_n，n＝1，2，3...，F-P板实时连续转动补偿

n＝1，2，3...，，始终保持光线到F-P板的入射角不变，则待测物体转动的角位移δ为其微角位移δ_n，n＝1，2，3...，的累加和，即，

n＝1，2，3...。

所述的驱动电源给调制光源提供直流、正弦信号。所述的调制光源为半导体激光器。所述的F-P板在电机驱动下绕垂直于其入射光线与透射光线所在平面的转轴旋转，光线到F-P板的入射角不变。所述的光电转换器为光电二级管。所述的电机为伺服电机系统。

本发明采用F-P板正弦相位调制干涉技术，结构简单，实现了高精度测量；通过待测物体微角位移累加和实现角位移测量，实现了大量程测量。

附图说明

图1为本发明F-P板反馈补偿法角位移测量仪。

图2为待测物体的反射光束入射到F-P板。

图3为F-P板旋转视图。

图中：驱动电源1、调制光源2、准直物镜3、反射镜4、待测物体5、F-P板6、透镜7、光电转换器8、模数转换器9、计算机10、电机11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，F-P板反馈补偿法角位移测量仪包括驱动电源1、调制光源2、准直物镜3、反射镜4、待测物体5、F-P板6、透镜7、光电转换器8、模数转换器9、计算机10、电机11；带有驱动电源1的调制光源2，沿着调制光源2发出光束的前进方向上放置准直物镜3和反射镜4，在反射镜4的反射光束前进方向上放置待测物体5，在该待测物体5反射光方向上放置F-P板6，在F-P板6透射光束方向上放置透镜7与光电转换器8，光电转换器8通过模数转换器9与计算机10相连，计算机10控制电机11驱动F-P板6转动。

所述的驱动电源1给调制光源2提供直流、正弦信号。所述的调制光源2为半导体激光器。所述的F-P板6在电机11驱动下绕垂直于其入射光线与透射光线所在平面的转轴旋转，光线到F-P板6的入射角不变。所述的光电转换器8为光电二级管。所述的电机11为伺服电机系统。所述的待测物体5表面为镜面或金属表面。

如图2所示，光束透过F-P板6后形成光束I、II，经透镜7汇聚形成干涉，光电转换器8探测到的干涉信号为

s(t)＝cos[z cos(ωt+θ)+α]    (1)

s(t)为光线透过F-P板6后经过透镜7汇聚形成的干涉信号，z为干涉信号s(t)的调制振幅，ω为驱动电源1的正弦相位调制信号频率，t为时间，α为待测物体5转动使干涉信号s(t)发生的相位变化。

待测物体5转动前调整反射镜4，使待测物体5反射的光束垂直入射到F-P板6，此时有，i＝0，i₁＝0，i为光线到F-P板6初始入射角，i₁为i所对应的折射角。

当待测物体5转动微角δ₁后，光线入射到F-P板6的入射角为Δi，Δi₁为Δi对应的折射角，I、II两束光的相位差变化量为，

$\mathrm{\α}=\frac{4\mathrm{\πnh}(1-\cos \mathrm{\Δ}{i}_1)}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

n为F-P板6的折射率，h为F-P板6的厚度，λ为调制光源2发出光束的波长。

依据折射率公式有，

sin Δi＝n sin Δi₁    (3)

如图3所示，依据反射定律及角度关系得，

δ₁＝Δi/2             (4)

将式(2)、(3)代入式(4)得，

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\arcsin n\sqrt{1-{(1-\frac{\mathrm{\α\λ}}{4\mathrm{n\πh}})}^2}}{2}---\left(5\right)$

待测物体5转动微角δ₁，F-P板6需实时转动角度

进行补偿，才能保持光线到F-P板6的入射角不变。依据反射定律及角度关系有，F-P板6转动的角度

为

将式(4)、(5)代入式(6)得，

如图3所示，待测物体5转动δ₁，F-P板6实时补偿

保持光线到F-P板6的入射角不变；待测物体5连续转动微角δ_n(n＝1，2，3...)，F-P板6实时连续转动补偿

(n＝1，2，3...)，保持光线到F-P板6的入射角始终不变。则待测物体5转动的角位移δ为其转动微角δ_n(n＝1，2，3...)的累加和，即，

$\mathrm{\δ}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_n$ (n＝1，2，3...)                (8)

带有驱动电源1的调制光源2发出的光经过准直物镜3后，经反射镜4反射到待测物体5。待测物体5转动前调整反射镜4，使待测物体5反射的光束垂直入射到F-P板6。待测物体5转动微角位移δ₁，F-P板6的透射光由透镜7汇聚到光电转换器8上，模数转换器9将光电转换器8检测到的干涉信号s(t)输入计算机10处理，得到相位变化α，从而得到待测物体5的微角位移δ₁和F-P板6需要进行补偿的角度

同时，计算机10控制电机11驱动F-P板6实时转动角位移

保持光线到F-P板6的入射角不变。待测物体5连续转动微角δ_n(n＝1，2，3...)，F-P板6实时连续转动补偿

(n＝1，2，3...)，始终保持光线到F-P板6的入射角不变，则待测物体5转动的角位移δ为其微角位移  δ_n(n＝1，2，3，...)的累加和，即，(n＝1，2，3...)。

Claims (6)

1.一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪，其特征在于包括驱动电源(1)、调制光源(2)、准直物镜(3)、反射镜(4)、待测物体(5)、F-P板(6)、透镜(7)、光电转换器(8)、模数转换器(9)、计算机(10)、电机(11)；带有驱动电源(1)的调制光源(2)，沿着调制光源(2)发出光束的前进方向上放置准直物镜(3)和反射镜(4)，在反射镜(4)的反射光束前进方向上放置待测物体(5)，在该待测物体(5)反射光方向上放置F-P板(6)，在F-P板(6)透射光束方向上放置透镜(7)与光电转换器(8)，光电转换器(8)通过模数转换器(9)与计算机(10)相连，计算机(10)控制电机(11)驱动F-P板(6)转动；所述的待测物体(5)表面为镜面或金属表面；待测物体(5)转动微角位移δ₁，F-P板(6)需实时转动补偿角度

进行补偿，才能保持光线到F-P板(6)的入射角不变，F-P板(6)转动补偿角度

为：

n′为F-P板(6)的折射率，h为F-P板(6)的厚度，λ为调制光源(2)发出光束的波长，待测物体(5)转动δ₁，F-P板(6)实时补偿角度

保持光线到F-P板(6)的入射角不变，待测物体(5)连续转动微角位移δ_n，n＝1，2，3...，F-P板(6)实时连续转动补偿n＝1，2，3...，保持光线到F-P板(6)的入射角始终不变，则待测物体(5)转动的角位移δ为其转动微角位移δ_n的累加和，其中n＝1，2，3...，即，

$\mathrm{\δ}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_n,n=\mathrm{1,2,3}...,$

模数转换器(9)将光电转换器(8)检测到的干涉信号s(t)输入计算机(10)处理，得到相位变化α，从而得到待测物体(5)的微角位移δ₁和F-P板(6)需要进行补偿角度同时，计算机(10)控制电机(11)驱动F-P板(6)实时转动补偿角度

保持光线到F-P板(6)的入射角不变，待测物体(5)连续转动微角δ_n，n＝1，2，3...，F-P板(6)实时连续转动补偿

n＝1，2，3...，始终保持光线到F-P板(6)的入射角不变，则待测物体(5)转动的角位移δ为其微角位移δ_n的累加和，其中n＝1，2，3...。

2.根据权利要求1所述的一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪，其特征在于所述的驱动电源(1)给调制光源(2)提供直流、正弦信号。

3.根据权利要求1所述的F-P板反馈补偿法角位移测量仪，其特征在于所述的调制光源(2)为半导体激光器。

4.根据权利要求1所述的一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪，其特征在于所述的F-P板(6)在电机(11)驱动下绕垂直于其入射光线与透射光线所在平面的转轴旋转，光线到F-P板(6)的入射角不变。

5.根据权利要求1所述的一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪，其特征在于所述的光电转换器(8)为光电二级管。

6.根据权利要求1所述的一种F-P板反馈补偿法角位移测量仪，其特征在于所述的电机(11)为伺服电机系统。

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