CN108458672A - 基于双曲面透镜的角度传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双曲面透镜的角度传感器及其测量方法，该角度传感器包括光电探测器一和光电探测器二，双曲面透镜一和双曲面透镜二，所述双曲面透镜一设置于所述光电探测器一与所述透射部件之间，在光束从透光孔透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔射出的光束入射至双曲面透镜一，经双曲面透镜一透射后入射至光电探测器一；处理系统，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。本新型角度传感器不仅可以实现连续角度测量，而且精度高、计算速度快。

Description

基于双曲面透镜的角度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，特别涉及一种基于双曲面透镜的角度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。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，且系统中存在非线性误差，导致测量精度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双曲面透镜的角度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：

一种基于双曲面透镜的角度传感器，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；

光电探测器一和光电探测器二，双曲面透镜一和双曲面透镜二，

所述双曲面透镜一设置于所述光电探测器一与所述透射部件之间，在光束从透光孔透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔射出的光束入射至双曲面透镜一，经双曲面透镜一透射后入射至光电探测器一；

所述双曲面透镜二设置于所述光电探测器二与所述透射部件之间，在光束从透光孔透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔射出的光束入射至双曲面透镜二，经双曲面透镜二透射后入射至光电探测器二；

光电探测器一和光电探测器二分别接收从双曲面透镜一和双曲面透镜二透射出的光束，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；

上述方案中，通过在光电探测器与透射部件之间设置双曲面透镜，可以实现透射部件转动角度与光斑位置成线性关系，消除非线性误差，进而提高角度传感器的测量精度。

进一步优化的方案中，所述透射部件包括一体成型的透射部和定位部，所述透射部沿周向设置有所述若干个透光孔，所述被测物体固定于所述定位部。通过将透射部件设置为透射部和定位部一体成型的构件，装配时可以操作(例如夹持)定位部实现透射部件与光电探测器、光源等部件之间的定位，被测物体与光源分别位于透射部件的不同位置，也可避免被测物体与光源之间的相互影响。

在进一步优化的方案中，所述定位部为正多边形立柱或圆柱。正多边形立柱结构本身具有较强的定位效果，可以更好地实现发射部件与光电探测器、光源等部件之间的定位。

在进一步优化的方案中，所述中空部由沿透射部的轴向设置的圆柱形通孔形成。如此设置，可使得透光孔沿圆柱形的孔壁分布，实现更好地进行角度测量。

在进一步优化的方案中，所述透射部和定位部为形状相同的正多边形立柱或圆柱。如此设置，便于生产，即透射部件为一个整体结构，只需要将立柱沿轴向划分为两部分，其中上部分的每个侧面设置透光孔，即形成透射部。

在进一步优化的方案中，透射部件设有便于同被测物体相连接的安装孔，所述安装孔位于所述定位部。

在进一步优化的方案中，所述透射部件内壁的非透光孔区域设置有吸光材料层。通过设置吸光材料层，可以吸收未透射出去的光束，避免光束反射回光源。

另一方面，本发明同时给出了上述基于双曲面透镜的角度传感器的测量方法，包括以下步骤：

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、反射部件、光电探测器一、光电探测器二、双曲面透镜一和双曲面透镜二的位置关系，使得从一个透光孔射出的光束入射至双曲面透镜一，经双曲面透镜一透射后入射至光电探测器一，和/或，从一个透光孔射出的光束入射至双曲面透镜二，经双曲面透镜二透射后入射至光电探测器二；

发射光束，所述光束经过所述反射部件的一个或以上的透光孔透射出去，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，所述光电探测器一和/或光电探测器二检测到从其中一个透光孔射出的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；

处理系统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：

通过将光源设置于透射部件的中心，在透射部件上设置若干个透光孔，光源发射的光束可以直接透射出去，被光电探测器接收，相比于反射的方式，简化了计算过程，提高运算速度，同时也简化了整个装置的结构。

通过双曲面透镜一和双曲面透镜二的设置，可以实现透射部件转动角度与光斑位置成线性关系，消除非线性误差，进而提高角度传感器的测量精度。

通过将被测物体安装在透射部件上，被测物体旋转时透射部件随之一起旋转，通过测量旋转过程中的透射部件上不同透光孔透射出光束分别位于光电探测器一、光电探测器二上的入射位置点的变化，处理系统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。

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透光孔的旋转角度，两个光电探测器的配合，可以满足始终能够检测该透射部件的透光孔透射其中一束光束到对应光电探测器的位置；如当光束从一个透光孔射出后超过光电探测器一上的两个临界点检测范围时，光束则从另一个透光孔射出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

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为实施例中提供的角度传感器的示意图。

图3为透射部件的结构示意图。

图4为同一光源发射的光束经双曲面透镜不同位置后的光路示意图。

图5为光源与光电探测器的位置关系示意图。

图6为一字线激光的角度与光电探测器一和光电探测器二的接收角的关系示意图。

图中标号说明：

1-光源，2-光束2，3-双曲面透镜一，4-双曲面透镜二，5-透射部件，6-透光孔，7-光电探测器一，8-光电探测器二，9-中空部，透射部51，定位部52。

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双曲面透镜的角度传感器，包括光源1、双曲面透镜一3、双曲面透镜二4、透射部件5、光电探测器一7、光电探测器二8及处理系统。

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可以为点光源或线光源，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，光电探测器一7与透射部件5之间设置有双曲面透镜一3，使得在光束2从透光孔6透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔6射出的光束2入射至双曲面透镜一3，经双曲面透镜一3透射后入射至光电探测器一7；光电探测器二8与透射部件55之间设置有双曲面透镜二4，使得在光束2从透光孔6透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔6射出的光束2入射至双曲面透镜二4，经双曲面透镜二4透射后入射至光电探测器二8。

其中，光电探测器一7和光电探测器二8，用于在光束2从透光孔6射至同一个光电探测器的测量过程中，分别接收从不同透光孔6射出的光束2，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。

处理系统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。处理系统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。

如图4所示，仅作为一种可实施方式的举例，双曲面透镜的中心厚度为4cm，焦距为7cm，材料为PMMA，折射率为1.495@532nm，光线出发点(即光源1)与双曲面透镜的前表面中心距离为5cm，双曲面透镜可对±30°角的光线进行变换。双曲面透镜具有折射效果，且入射至双曲面透镜的不同位置的光线的折射角不同，通过双曲面透镜的设置，可以实现光电探测器测量得到的入射位置变化量与透射部件5(即被测物体)的旋转角度之间成线性关系，继而消除实施例1中角度传感器存在的非线性误差，可以进一步提高测量精度。

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，入射至光电探测器。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。由此可知，本实施例中进行旋转角度计算的公式更简单，因此可以提高运算速度，且角度传感器的整体结构也更简单，成本更低。

为了保障光源1发射的光束2经过透光孔6透射后，可以被光电探测器一7和/或光源1二所接收，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，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，处理系统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(或二)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5所示，假设光电探测器的长度为H，光源1发射的一字线激光的角度为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6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发射的一字线激光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。

本实施例中所述角度传感器，不仅结构简单，运算速度快，而且还可以实现光电探测器的入射位置变化量与被测物体的转动角度成线性关系，进而提高测量精度。

应用上述基于双曲面透镜的角度传感器进行测量时，按照以下操作进行：

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、反射部件、光电探测器一、光电探测器二、双曲面透镜一和双曲面透镜二的位置关系，使得从一个透光孔射出的光束入射至双曲面透镜一，经双曲面透镜一透射后入射至光电探测器一，和/或，从一个透光孔射出的光束入射至双曲面透镜二，经双曲面透镜二透射后入射至光电探测器二；

发射光束，所述光束经过所述反射部件的一个或以上的透光孔透射出去，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，所述光电探测器一和/或光电探测器二检测到从其中一个透光孔射出的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；

处理系统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，处理得到被测物体的旋转角度值。

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 (10)

1.一种基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，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2通过所述透光孔透射出去；

光电探测器一和光电探测器二，双曲面透镜一和双曲面透镜二，

所述双曲面透镜一设置于所述光电探测器一与所述透射部件之间，在光束从透光孔透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔射出的光束入射至双曲面透镜一，经双曲面透镜一透射后入射至光电探测器一；

所述双曲面透镜二设置于所述光电探测器二与所述透射部件之间，在光束从透光孔透射至同一个光电探测器的测量过程中，从透光孔射出的光束入射至双曲面透镜二，经双曲面透镜二透射后入射至光电探测器二；

光电探测器一和光电探测器二分别接收从双曲面透镜一和双曲面透镜二透射出的光束，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；

处理系统，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。

2.根据权利要求1所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，所述透射部件包括一体成型的透射部和定位部，所述中空部设置于所述透射部，所述透射部沿周向设置有所述若干个透光孔，所述被测物体固定于所述定位部。

3.根据权利要求2所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，所述定位部为正多边形立柱或圆柱。

4.根据权利要求2所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，所述中空部由沿透射部的轴向设置的圆柱形通孔形成。

5.根据权利要求4所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，所述透射部和定位部均为正多边形立柱或圆柱。

6.根据权利要求5所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，所述透射部和定位部为形状相同的正多边形立柱或圆柱。

7.根据权利要求2所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，透射部件设有便于同被测物体相连接的安装孔，所述安装孔位于所述定位部。

8.根据权利要求1所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，光源发射的光为一字线激光。

9.根据权利要求8所述的基于双曲面透镜的角度传感器，其特征在于，光源发射的一字线激光的角度大于光电探测器一和光电探测器二的接收角。

10.根据权利要求1-9任一所述的新型角度传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

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、反射部件、光电探测器一、光电探测器二、双曲面透镜一和双曲面透镜二的位置关系，使得从一个透光孔射出的光束入射至双曲面透镜一，经双曲面透镜一透射后入射至光电探测器一，和/或，从一个透光孔射出的光束入射至双曲面透镜二，经双曲面透镜二透射后入射至光电探测器二；

发射光束，所述光束经过所述反射部件的一个或以上的透光孔透射出去，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，所述光电探测器一和/或光电探测器二检测到从其中一个透光孔射出的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；

处理系统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，处理得到被测物体的旋转角度值。