CN105180843B - 一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器及测量方法，包括：激光束一、激光束二；反射部件，用于固定被测物体，可旋转并且沿周向设有若干个反射面，每个反射面用于将激光束一、激光束二进行反射；光电探测器一用于接收激光束一在反射部件中反射面反射后的激光束并显示其反射位置；光电探测器二用于接收激光束二在反射部件中反射面反射后的激光束并显示其反射位置；处理系统根据光电探测器一接收到的激光束一位置变化值和光电探测器二所接收到的激光束二位置变化值，得到反射部件上被测物体旋转角度值。该传感器结构简单，适用于被测物体角度连续变化的测量，可靠性高，易于实现批量制造。

Description

一种连续增量式光臂放大型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，特别涉及一种连续增量式光臂放大型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，广泛应用与工业生产各领域。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，其精度在角秒的量级，例如英国Renishaw公司生产的RESR系列精密圆光栅，外径75mm的圆光栅其系统精度为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已经成为限制仪器精度的关键因素；同时由于工艺原因，高精度的圆光栅价格高昂，限制了其应用范围。

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，提供一种连续增量式光臂放大型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，反射部件具有连续的多个反射面，通过两个激光束来实现对被测物体角度连续变化的测量，其传感器结构简单，测角精度高测量角度范围大，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：

一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，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；

光电探测器一，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显示其反射位置；

光电探测器二,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显示其反射位置；

处理系统，根据所述光电探测器一上所接收到的激光束一反射位置变化值和所述光电探测器二上所接收到的激光束二反射位置变化值，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

该连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，通过将被测物体连接在反射部件上，激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面表面后分别反射到光电探测器一、光电探测器二上。由于被测物体旋转时，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一、激光束二分别位于光电探测器一、光电探测器二上的反射位置点的变化，每个时刻激光束一、激光束二在反射面上反射后的两条激光束中至少有一条反射激光能够被对应的光电探测器一、光电探测器二所检测，即光电探测器一、光电探测器二的长度适应激光束一、激光束二反射激光束在对应光电探测器上反射位置点的变化长度。处理系统能够根据两个光电探测器上激光束一、激光束二反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变化 的测量，尤其适用于被测物体的旋转角度大于反射部件每个反射面对应的角度2θ的测量，可以测量到其连续旋转大于360°角度，或者被测物体经过多次以正转或/和反转等连续旋转之后的角度值γ′，其测量可靠，易于实现批量制造。

该光电探测器一、光电探测器二可以采用一种对光点位置敏感的光电器件，可以测出光点的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择一维线性光电探测器(简称一维PSD)，也可选择成二维平面光电探测器(简称二维PSD)。

优选地，所述反射部件设有便于固定被测物体的安装孔。

该反射部件的旋转轴设置同轴内孔，作为被测物体的安装孔，实现被测工件的安装。

优选地，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。

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。

该正多边形立柱的反射侧面形状和大小均一样，且由于反射面也均采用平面反射，更易于检测和计算。

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。

优选地，所述激光束一、激光束二分别通过激光源一和激光源二发射得到该激光束。

优选地，还包括激光源一、分光镜和至少一个反光镜，所述激光源一发射的激光束入射到分光镜经反射和透射分别得到两条激光束——即所述激光束一、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激光束并被对应所述光电探测器一、光电探测器二所接收。

只需要一个激光源一，通过分光镜和反光镜分别产生激光束一、激光束二，在保证测量结果的情况下，节约了能源，降低了成本。

本发明还提供了一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的测量方法，包括如上述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、将所述反射部件固定在被测物体上；

步骤二、调整激光束一、激光束二、反射部件、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使其相互适配，使激光束一、激光束二在所述反射部件上反射的两条激光束能够分别被所述光电探测器一、光电探测器二探测到，所述光电探测器一、光电探测器二与处理系统通信连接；

步骤三、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；

步骤四、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反射位置的变化，直到被测物体旋转停止；

步骤五、处理系统通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一、光电探测器二所检测到的激光束一、激光束二的反射激光束的位置变化进行处理，获得所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

该测量方法能够测量连续增量式角度变化，比如360°的旋转角度，即γ′＞2θ时，测量可靠，操作简单、提高了测量角度范围。

优选地，所述光电探测器一和光电探测器二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，两个所述临界点所对应的所述反射部件的每个反射面旋转角度分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值，所述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；所述处理系统对光电探测器一和光电探测器二之间切换检测计算的方法为，当所述光电探测器一、光电探测器二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，所述处理系统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。

该光电探测器一和光电探测器二上均设置两个临界点作为检测对应反射面的旋转角度，两个光电探测器的配合，可以满足始终能够检测该反射部件的反射面反射其中一束激光束到对应光电探测器的位置。处理系统能够通过光电探测器一和光电探测器二上激光束反射的位置，分别获得对应反射面旋转的方向和角度，处理系统还可以通过对两个光电探测器的检测的切换、叠加运算，最终获得该被测物体的旋转角度。

进一步优选地，所述反射部件的两个不同反射面反射的两条激光束中只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，且所述反射部件中其中一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器一上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值时，所述反射部件另一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器二上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值；所述反射部件中其中一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器一上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值时，所述反射部件另一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器二上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值。

当激光束一的反射激光超过光电探测器一上的两个临界点检测范围时，激 光束二的反射激光则进入光电探测器二上的两个临界点检测范围，处理系统可以切换其检测结果来计算被测物体的旋转角度，运算更加简单方便。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，通过将被测物体安装在反射部件上，激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面后分别反射到光电探测器一、光电探测器二上；被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部件上不同反射面反射出激光束一、激光束二分别位于光电探测器一、光电探测器二上的反射位置点的变化，处理系统能够根据两个光电探测器上激光束一、激光束二反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；

2、该连续增量式光臂放大型高精度角度传感器可以选用激光源一，然后通过分光镜和反光镜分别产生激光束一、激光束二，在保证测量结果的情况下，节约了能源，降低了成本；

3、该连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的光电探测器一和光电探测器二上均设置两个临界点作为检测对应反射面的旋转角度，两个光电探测器的配合，可以满足始终能够检测该反射部件的反射面反射其中一束激光束到对应光电探测器的位置；如当激光束一的反射激光超过光电探测器一上的两个临界点检测范围时，激光束二的反射激光则进入光电探测器二上的两个临界点检测范围，处理系统可以切换其检测结果来计算被测物体的旋转角度，运算更加简单方便。

附图说明：

图1为本发明所述连续增量式光臂放大型高精度角度传感器测量被测物体旋转角度的示意图；

图2为图1中使用激光源一以及反光镜和分光镜形成两条激光束来测量被测物体旋转角度的示意图；

图3为图1中反射部件的结构示意图；

图4为本发明所述连续增量式光臂放大型高精度角度传感器采用的双激光源角度测量示意图；

图5为图4中采用双激光源测量反射部件上被测物体旋转一定角度后的激光光路示意图；

图6为图1中激光源在反射部件旋转前、后的两条激光束反射在光电探测器上的示意图；

图7为图6中光电探测器相对水平面倾斜一定角度时的激光源在反射部件旋转前、后的两条激光束反射在光电探测器上的示意图；

图8为光电探测器一上两个临界点分别对应的反射部件反射面旋转角度的检测极大值和检测极小值示意图；

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9a为激光束入射到正多边形立柱反射面中心线位置时的光电探测器与反射位置的示意图；

图9b为激光束入射到正多边形立柱反射面中心线以外的位置时的光电探 测器与反射位置的示意图。

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，12、临界点，13、临界点。

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，一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，包括，激光束一3、激光束二4，还包括以下部件：

反射部件5，反射部件5用于固定被测物体，反射部件5可旋转并且沿周向设有若干个反射面6，每个反射面6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，用于接收激光束一3在反射部件5中的反射面6反射后的激光束并显示其反射位置；

光电探测器二8,用于接收激光束二4在反射部件5中的反射面6反射后的激光束并显示其反射位置；

处理系统，根据光电探测器一7所接收到的激光束一3位置变化值和所述光电探测器二8所接收到的激光束二4位置变化值，处理得到反射部件5上被测物体的旋转角度值。

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。该连续增量式光臂放大型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立柱反射面6中心线上点时，图1中反射面投影为一条线段，入射点正好在该线段的中点位置，其中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)，因此正多边形立柱的上该反射面6旋转角度等于被测物体旋转角度，即γ＝α-β，由图6、图8，可得：

γ＝α-β (公式1)

(公式2)

(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。如图1所示，被测物体旋转角度变化方向可以由SA的长度变化获得，S点为反射部件5(如正多边形立柱)中心在光电探测器一7上的投影点，A点为激光束一3经过反射部件5对应反射面反射后入射到光电探测器一7上的位置点，若处理系统检测到光电探测器一7上SA增加则反射部件5此时是沿顺时针方向旋转，SA减少时则反射部件5沿逆时针方向旋转。

如图1、2所示，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。初始位置下激光源一1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射面的中心线上，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的中心线上，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的透射光即激光束一3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位置也随着变化。根据正多边形立柱的旋转角度变化，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。

当被测物体的旋转角度小于反射部件5中每个反射面6对应的旋转角度时，即γ′＜2θ，如图1与图2所示，采用光电探测器一7与光电探测器二8中任何一个能够测量到激光束一3与激光束二4所对应反射激光束的位置变化值即能获得其被测物体的旋转角度。当被测物体连续进行旋转时，每旋转一定角度，光电探测器一7和光电探测器二8均对其旋转角度进行测量，当被测物体连续旋转累计的增量值γ′已经超出该反射面对应的角度2θ时，即γ′＞2θ，如该反射面对应的光电探测器一7无法探测到激光束一3的反射激光束的位置时，则采用光电探测器二8对激光束二4的反射激光束进行测量，处理系统则交替对光电 探测器一7和光电探测器二8测量值进行处理，得到被测物体最终连续增量变化的旋转角度。

为了达到上述目的，实现光电探测器一7与光电探测器二8其中至少一个能够在被测物体旋转到任何角度都能进行测量，并且能够实现光电探测器一7与光电探测器二8的切换、交替测量，该光电探测器一7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5的每个反射面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，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；处理系统对光电探测器一7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，处理系统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。

实施例2

如图7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立柱旋转一定角度γ后，假设光电探测器上所检测到的位置变化为L_AB′，由公式1-4可得：

(公式5)

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。

实施例3

如图4、5、6、7所示，该连续增量式光臂放大型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其中一个反射面6的中心线位置，激光源二2入射点在正多边形立柱另一个反射面6的中心线位置。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。

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，设计原理如图6、8、9a、9b所示。可得计算公式如下：

(公式6)

(公式7)

(公式8)

β＝θ-∠_OO”O' (公式9)

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

EG＝r₁+L_oo'×sin(α)+(r+L_oo'×cos(α))×tan(α+2β) (公式11)

FG＝(r+L_oo'×cos(α))×(tan(α+2β)-tan(α-2β)) (公式12)

为简化公式，同时为保证激光反射点可以很好的被对应光电探测器接收，将F点与G点适当放大，可以使用以下近似公式：

EF＝＝r₂+(r+L_oo′)×tan(α-2θ) (公式13)

EG＝r₂+(r+L_oo′)×tan(α+2θ) (公式14)

FG＝(r+L_oo′)×(tan(α+2θ)-tan(α-2θ)) (公式15)

要求在任何情况下都可以将光反射到两个光电探测器上。

如图4、5所示，在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。

如图1所示，初始位置下激光源一1入射点在正多边形立柱其中一个反射面6的中心线位置，入射角为70度，激光源二2入射点在正多边形立柱另一个反射面6的中心线位置，入射角为70度。光电探测器一7与光电探测器二8相互平行，正多边形立柱轴线距离光电探测器一7与光电探测器二8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入射点在正多边形立柱的反射位置也随着变化，如图5所示。随着正多边形立柱的角度变化，分别采用光电探测器一7与光电探测器二8探测到的激光束一3、激光束二4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1-8、及图9a、9b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

光电探测器二8的长度与固定位置同样为：

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。

为实现光电探测器一7与光电探测器二8交替测量，该光电探测器一7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5的每个反射面6旋转角度分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值，所述反射部件5的两个不同反射面6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；所述处理系统对光电探测器一7和光电探测器二8之间切换检测计算的方法为，当所述光电探测器一7、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，所述处理系统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。

实施例4

该连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的测量方法，包括上述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、将反射部件5固定在被测物体上，一般测的时候，如果被测物体不便移动，先保持被测物体不动，通过反射部件5的安装孔11将反射部件5连接在被测物体上；

步骤二、调整激光束一3、激光束二4、反射部件5、光电探测器一7、光电探测器二8的位置关系，使其相互适配，使激光束一3、激光束二4在反射部件5上反射的两条激光束能够分别被光电探测器一7、光电探测器二8探测到，光电探测器一7、光电探测器二8与处理系统通信连接；

步骤三、发射激光束一3、激光束二4，该激光束一3、激光束二4分别经过反射部件5的不同反射面反射后，光电探测器一7、光电探测器二8检测到该反射光束的初始位置；

步骤四、被测物体旋转，在旋转过程中，光电探测器一7、光电探测器二8分别检测到激光束一3、激光束二4的反射激光束在各自探测器上反射位置的变化，直到被测物体旋转停止；

步骤五、处理系统通过对步骤三、步骤四中光电探测器一7、光电探测器二8所检测到的激光束一3、激光束二4的反射激光束的位置变化进行处理，获得 反射部件5上被测物体的旋转角度值。

如图8所示，其中光电探测器一7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，如图中所示光电探测器一7的两个临界点12和临界点13，临界点12和临界点13所对应的反射部件5的每个反射面6旋转角度分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值，以顺时针旋转，反射面6上J点对应检测极小值临界点13，H点对应检测极大值临界点12，反射部件5的两个不同反射面6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，临界点12和临界点13之间的检测区域；处理系统对光电探测器一7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临界点12和临界点13之间区域时，处理系统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。

特别的，反射部件5的两个不同反射面6反射的两条激光束中只有一条反射激光束位于该光电探测器中的临界点12和临界点13之间的检测区域，且所述反射部件5中其中一个反射面反射的激光束对应光电探测器一7上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值时，反射部件5另一个反射面反射的激光束对应光电探测器二8上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值；反射部件5中其中一个反射面反射的激光束对应光电探测器一7上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值时，反射部件5另一个反射面反射的激光束对应光电探测器二8上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值。

该测量方法能够测量连续增量式角度测量，比如360°的旋转角度，即γ′＞2θ时，测量可靠，操作简单、提高了测量角度范围。

实施例5

该实施例为激光束入射点在反射部件5上反射面非中心线的其他位置的计算方法，即激光入射不对称实施例，如图9a-9b所示，该实施例采用了双光路实现测量，即采用两个激光源来实现，每个激光源对应一个光电探测器。具体是初始位置下激光源一1入射点在正多边形立柱其中一个反射面6的中心线位置，激光源二1入射点位于正多边形立柱两个反射面6交线上。当正多边形立柱角度变化时，激光源一1与激光源二1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，当激光源一1入射点靠近正多边形立柱两个反射面6的交线时，激光源二2入射点将靠近正多边形立柱另一反射面的中部，如图9a、9b所示。随着正多边形立柱的角度变化，交替采用光电探测器一7与光电探测器二8的检测长度变化值进行正多边形立柱旋转角度计算。

如图9b所示，当两个激光源的激光束入射点为正多边形立柱反射面上非中心线上的点，该入射点距离正多边形立柱中心线的距离为e，当正多边形立柱角度旋转γ角度后，由图9b可得：

γ＝α-β (公式16)

(公式17)

(公式18)

L_AB＝(r+e)×tan(α)-h-(r+e+L_oo'×cos(α))×tan(2β-α) (公式19)

选用不同形状的正多边形立柱与激光束的入射角，则对应的光电探测器一7的长度与临界点的位置需要进行相应适应性调整设计，设计原理如图8与图9a、9b所示。当激光源一1入射点为正多边形立柱反射面中心线上的点，可以按照公式6至公式15计算光电探测器一7的位置与长度，激光源二2入射点为正多边形立柱两个反射面交线上端点时，根据图8a、8b、8c、9a、9b可得公式如下：

EF＝r₁+(r+r₂×cos(θ))×tan(α) (公式20)

EG＝r₁+(r+r₂×cos(θ))×tan(α+2×θ) (公式21)

FG＝(r+r₂×cos(θ))×(tan(α+2×θ)-tan(α)) (公式22)

要求在任何情况下都可以将光反射到光电探测器上。

本实施例中正多边形边数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其中一个反射面6上中心线的点，入射角为70度；激光源二2入射点在正多边形立柱另一个反射面6靠近边缘处得点，入射角为70度，如图1所示。光电探测器一7与光电探测器二8相互平行，正多边形立柱轴线距离光电探测器一7与光电探测器二8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入射点在正多边形立柱的位置也随着变化，当激光源一1入射点靠近正多边形立柱两个反射面交线的端点时，激光源二2入射点将靠近正多边形立柱反射面中心线，其中激光源一1的激光束一3的变化如图8a到8b所示，激光源二2的激光束二4的入射角度变化如图8b到8a所示。此时正多边形立柱转角采用光电探测器二8的距离变化进行计算。随着正多边形立柱的角度变化，交替采用光电探测器一7与光电探测器二8长度变化进行计算。

光电探测器一7的长度与固定位置需要进行对应的设计，根据公式13-15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

光电探测器二8的长度与固定位置需要进行对应的设计，根据公式20-22可得：

EF＝r₁+(r+r₂×cos(θ))×tan(α)＝38.095mm

EG＝r₁+(r+r₂×cos(θ))×tan(α+2×θ)＝48.748mm

FG＝(r+r₂×cos(θ))×(tan(α+2×θ)-tan(α))＝10.653mm

长度与角度对应关系可以根据公式4与公式19进行转换。

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)

1.一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其特征在于，包括：

激光束一(3)、激光束二(4)；

反射部件(5)，所述反射部件(5)用于固定被测物体，所述反射部件(5)可旋转并且沿周向设有若干个反射面(6)，每个所述反射面(6)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)，用于接收所述激光束一(3)在所述反射部件(5)中的反射面(6)反射后的激光束并显示其反射位置；

光电探测器二(8),用于接收所述激光束二(4)在所述反射部件(5)中的反射面(6)反射后的激光束并显示其反射位置；

处理系统，根据所述光电探测器一(7)上所接收到的激光束一(3)反射位置变化值和所述光电探测器二(8)上所接收到的激光束二(4)反射位置变化值，处理得到所述反射部件(5)上被测物体的旋转角度值。

2.根据权利要求1所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件(5)设有便于固定被测物体的安装孔(11)。

3.根据权利要求1所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件(5)上的全部所述反射面(6)形状大小相同。

4.根据权利要求3所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，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)。

5.根据权利要求1所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，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。

6.根据权利要求1-5任一所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其特征在于，所述激光束一(3)、激光束二(4)分别通过激光源一(1)和激光源二(2)发射得到该激光束。

7.根据权利要求1-5任一所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其特征在于，还包括激光源一(1)、分光镜(10)和至少一个反光镜(9)，所述激光源一(1)发射的激光束入射到分光镜(10)经反射和透射分别得到两条激光束——即所述激光束一(3)、激光束二(4)，所述激光束一(3)、激光束二(4)经所述反射部件(5)的两个不同反射面(6)分别反射激光束并被对应所述光电探测器一(7)、光电探测器二(8)所接收。

8.一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的测量方法，包括如权利要求1-7任一所述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其特征在于，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、将所述反射部件(5)固定在被测物体上；

步骤二、调整激光束一(3)、激光束二(4)、反射部件(5)、光电探测器一(7)、光电探测器二(8)的位置关系，使其相互适配，使激光束一(3)、激光束二(4)在所述反射部件(5)上反射的两条激光束能够分别被所述光电探测器一(7)、光电探测器二(8)探测到，所述光电探测器一(7)、光电探测器二(8)与处理系统通信连接；

步骤三、发射激光束一(3)、激光束二(4)，所述激光束一(3)、激光束二(4)分别经过所述反射部件(5)的不同反射面(6)反射后，所述光电探测器一(7)、光电探测器二(8)检测到该反射光束的初始位置；

步骤四、被测物体旋转，在旋转过程中，所述光电探测器一(7)、光电探测器二(8)分别检测到所述激光束一(3)、激光束二(4)的反射激光束在各自探测器上反射位置的变化，直到被测物体旋转停止；

步骤五、处理系统通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一(7)、光电探测器二(8)所检测到的激光束一(3)、激光束二(4)的反射激光束的反射位置变化进行处理，获得所述反射部件(5)上被测物体的旋转角度值。

9.根据权利要求8所述的一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的测量方法，其特征在于，所述光电探测器一(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(12，13)，两个所述临界点(12，13)所对应的所述反射部件(5)的每个反射面(6)旋转角度分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值，所述反射部件(5)的两个不同反射面(6)反射的两条激光束中至少有一条反射激光束位于对应光电探测器中的两个临界点(12，13)之间的检测区域；所述处理系统对光电探测器一(7)和光电探测器二(8)之间切换检测计算的方法为，当所述光电探测器一(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(12，13)之间区域时，所述处理系统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。

10.根据权利要求9所述的一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的测量方法，其特征在于，所述反射部件(5)的两个不同反射面(6)反射的两条激光束中只有一条反射激光束位于该光电探测器中的两个临界点(12，13)之间的检测区域，且所述反射部件(5)中其中一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器一(7)上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值时，所述反射部件(5)另一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器二(8)上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值；所述反射部件(5)中其中一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器一(7)上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值时，所述反射部件(5)另一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器二(8)上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值。