CN108592827A - 精密测角传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密测角传感器及其测量方法，所述精密测角传感器包括激光束一与激光束二，反射面将所述激光束一、激光束二进行反射；分光镜一，将反射面反射的激光束一分为激光束三与激光束四；分光镜二，将反射面反射的激光束二分为激光束五与激光束六；光电探测器一，用于接收经分光镜一反射的激光束三并显示入射位置；光电探测器二，用于接收经分光镜一透射出的激光束四并显示入射位置；光电探测器三，用于接收经分光镜二反射的激光束五并显示入射位置；光电探测器四，用于接收经分光镜二透射出的激光束六并显示入射位置；处理系统，用于根据光电探测器探测到的激光束入射位置的变化量处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

Description

精密测角传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及精密测角传感器及其测量方法。

背景技术

测角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。例如专利号为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，该传感器适用于被测物体角度连续增量的变化测量，测量可靠，精度高。然而相对而言，该角度传感器的计算过程略显复杂，计算时需要同时测量激光束在旋转前与旋转后入射至反射面的入射角度，运算速度慢。

发明内容

本发明的目的在于提出一种精密测角传感器及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种精密测角传感器，包括：

激光束一、激光束二，且所述激光束一与激光束二入射至反射部件的入射位置不同；

所述反射部件，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；

分光镜一，用于将所述反射部件的反射面反射的激光束一分为激光束三与激光束四；

分光镜二，用于将所述反射部件的反射面反射的激光束二分为激光束五与激光束六；

光电探测器一，用于接收经分光镜一反射的激光束三,并显示其入射位置；

光电探测器二，用于接收经分光镜一透射出的激光束四,并显示其入射位置；

光电探测器三，用于接收经分光镜二反射的激光束五,并显示其入射位置；

光电探测器四，用于接收经分光镜二透射出的激光束六,并显示其入射位置；

处理系统，用于根据光电探测器一探测到的激光束三入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束四入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据光电探测器三探测到的激光束五入射位置的变化量及光电探测器四探测到的激光束六入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

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。

优选地，所述光电探测器一与光电探测器二分别位于分光镜一的两侧，且光电探测器一、光电探测器二与分光镜一相互平行设置。将光电探测器一与光电探测器二设为平行减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算。

优选地，所述光电探测器三与光电探测器四分别位于分光镜二的两侧，且光电探测器三、光电探测器四与分光镜二相互平行设置。将光电探测器三与光电探测器四设为平行减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算。

优选地，所述激光束一、激光束二分别通过激光器一和激光器二发射得到该激光束。

另一方面，本发明还提供一种上述精密测角传感器的测量方法，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、分光镜一、分光镜二、光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四的位置关系，使得激光束一、激光束二分别经所述反射部件的反射面反射后能够分别被所述分光镜一与分光镜二分为激光束三、激光束四、激光束五、激光束六，激光束三被光电探测器一探测到，激光束四被光电探测器二探测到，激光束五被光电探测器三探测到，激光束六被光电探测器四探测到，所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四与处理系统通信连接；

步骤三：发射激光束一、激光束二，所述光电探测器一检测到分光镜一反射的激光束三的初始位置，光电探测器二检测到分光镜一透射的激光束四的初始位置；和/或，光电探测器三检测到分光镜二反射的激光束五的初始位置，光电探测器四检测到分光镜二透射的激光束六的初始位置；

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、光电探测器三、光电探测器四分别检测到所述激光束三、激光束四、激光束五、激光束六在各自探测器上入射位置的变化，直到被测物体旋转停止；

步骤五：处理系统根据光电探测器一探测到的激光束三入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束四入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据光电探测器三探测到的激光束五入射位置的变化量及光电探测器四探测到的激光束六入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

与现有技术相比，使用本发明提供的一种精密测角传感器及其测量方法，其有益效果为：

应用本方案中的精密测角传感器测量时，只需要知晓激光束入射至反射面的初始入射角即可，与转动后激光束在反射面的入射角没有关系，因此消除了激光束入射点随着反射部件旋转而变化的影响，简化了计算过程，运算速度快。

通过将反射部件安装在被测物体上，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对应的分光镜一或分光镜二，分光镜将反射激光束反射或透射到光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四上；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的激光束分别位于光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四上的反射位置点的变化，处理系统能够根据光电探测器上激光束入射位置的变化量来计算被测物体旋转角度的变化值，该传感器结构简单，适用于被测物体旋转角度的测量，成本低，计算简便。

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单地介绍，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的附图。

图1为本发明实施例中提供的一种精密测角传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例中提供的一种精密测角传感器的计算等效图。

图中标记说明

激光器1，激光器2，激光束一3，激光束二4，激光束三31，激光束四32，激光束五41，激光束六42，反射部件5，反射面6，分光镜一7，分光镜二8，光电探测器一9，光电探测器10，光电探测器11，光电探测器12。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本实施例示意性地公开了一种精密测角传感器，包括激光器一1，激光器二2，激光束一3，激光束二4，激光束三31，激光束四32，激光束五41，激光束六42，反射部件5，所述反射部件5包括有若干个反射面6，分光镜一7，分光镜二8，光电探测器一9，光电探测器二10，光电探测器三11，光电探测器四12。所述激光束一1与激光束二2入射至反射部件5的入射位置不同。

本新型精密测角传感器中：

激光器一1发射出激光束一3，激光束一3入射至反射部件5的若干个反射面6，经反射面6反射后入射至所述分光镜一7；所述分光镜一7将激光束一3分为激光束三31与激光束四32，所述光电探测器一9接收经分光镜一7反射的激光束三31，并测量其入射位置，所述光电探测器二10接收经分光镜一7透射出的激光束四32，并测量其入射位置。

同时，激光器二2发射出激光束二4，激光束二4入射至反射部件5的若干个反射面6，经反射面6反射后入射至所述分光镜二8；所述分光镜二8将激光束二4分为激光束五41与激光束六42，所述光电探测器三11接收经分光镜反射二8的激光束五41，并测量其入射位置，所述光电探测器四12接收经分光镜二8透射出的激光束六42，并测量其入射位置。

处理系统，用于根据光电探测器一9探测到的激光束三31入射位置的变化量及光电探测器二10探测到的激光束四32入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据光电探测器三11探测到的激光束五41入射位置的变化量及光电探测器四12探测到的激光束六42入射位置的变化量处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

如图1所示，旋转运行前的反射部件、反射面、激光束用实线表示，旋转运行后的反射部件、反射面、激光束用虚线表示，激光束的传输路径与反射部件、反射面的运动路径如下：

旋转运行前，激光器一1发射出激光束一3，激光束一3入射至反射部件5的若干个反射面6，经反射面6反射后入射至所述分光镜一7；所述分光镜一7将激光束一3分为激光束三31与激光束四32，所述光电探测器一9接收经分光镜一7反射的激光束三31，并测量其入射位置，所述光电探测器二10接收经分光镜一7透射出的激光束四32，并测量其入射位置。此时此处记为第一入射位置。

同时，激光器二2发射出激光束二4，激光束二4入射至反射部件5的若干个反射面6，经反射面6反射后入射至所述分光镜二8；所述分光镜二8将激光束二4分为激光束五41与激光束六42，所述光电探测器三11接收经分光镜二8反射的激光束五41，并测量其入射位置，所述光电探测器四12接收经分光镜二8透射出的激光束六42，并测量其入射位置。此时此处记为第二入射位置。

旋转运行后，激光器一1发射出激光束一3，激光束一3入射至反射部件5的若干个反射面6，经反射面6反射后入射至所述分光镜一7；所述分光镜一7将激光束一3分为激光束三31与激光束四32，所述光电探测器一9接收经分光镜一7反射的激光束三31，并测量其入射位置，所述光电探测器二10接收经分光镜一7透射出的激光束四32，并测量其入射位置。此时记为第三入射位置。

同时，激光器二2发射出激光束二4，激光束二4入射至反射部件5的若干个反射面6，经反射面6反射后入射至所述分光镜二8；所述分光镜二8将激光束二4分为激光束五41与激光束六42，所述光电探测器三11接收经分光镜二8反射的激光束五41，并测量其入射位置，所述光电探测器四12接收经分光镜二8透射出的激光束六42，并测量其入射位置。此时此处记为第四入射位置。

根据第一入射位置与第三入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据第二入射位置与第四入射位置的变化量处理得到被测物体的旋转角度值。

作为一种较优的实施方式，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。容易理解的，此处的设计是为了方便被测物体旋转角度的计算，此处不限制反射面的形状与大小。

作为一种较优的实施方式，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。

作为一种较优的实施方式，所述光电探测器一与光电探测器二分别位于分光镜一的两侧，且光电探测器一、光电探测器二与分光镜一相互平行设置。容易理解的，此处的设计是为了减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算，在保证光电探测器能接收到激光束的情况下，不限制光电探测器的角度。

作为一种较优的实施方式，所述光电探测器三与光电探测器四分别位于分光镜二的两侧，且光电探测器三、光电探测器四与分光镜二相互平行设置。容易理解的，此处的设计是为了减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算，在保证光电探测器能接收到激光束的情况下，不限制光电探测器的角度。

作为一种较优的实施方式，所述激光束一、激光束二分别通过激光器一和激光器二发射得到该激光束。

基于上述精密测角传感器，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、分光镜一、分光镜二、光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四的位置关系，使得激光束一、激光束二分别经所述反射部件的反射面反射后能够分别被所述分光镜一与分光镜二分为激光束三、激光束四、激光束五、激光束六，激光束三被光电探测器一探测到，激光束四被光电探测器二探测到，激光束五被光电探测器三探测到，激光束六被光电探测器四探测到，所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四与处理系统通信连接；

步骤三：发射激光束一、激光束二，所述光电探测器一检测到分光镜一反射的激光束三的初始位置，光电探测器二检测到分光镜一透射的激光束四的初始位置；和/或，光电探测器三检测到分光镜二反射的激光束五的初始位置，光电探测器四检测到分光镜二透射的激光束六的初始位置；

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、光电探测器三、光电探测器四分别检测到所述激光束三、激光束四、激光束五、激光束六在各自探测器上入射位置的变化，直到被测物体旋转停止；

步骤五：处理系统根据光电探测器一探测到的激光束三入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束四入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据光电探测器三探测到的激光束五入射位置的变化量及光电探测器四探测到的激光束六入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

结合图2，上述精密测角传感器的测量方法的计算公式如下：

Y2-Y1＝(L2-L1)×(tan(α)-tan(α-2θ))

其中，Y1为光电探测器二10上激光束旋转前与旋转后的入射位置的变化量，Y2为光电探测一9上激光束旋转前与旋转后的入射位置的变化量，L1为光电探测器二10与分光镜一7的距离，L2为光电探测器一9与分光镜一7的距离，由于L1、L2、Y1、Y2为已知量，求得Y与L的值。而α为激光器发射出的激光束入射至反射部件的反射面的初始入射角度，在运算的过程中，ɑ固定不变，为已知量。因此可以利用上述公式求得被测物体的旋转角度θ。与背景技术中所述的角度传感器相比，该组计算公式不需要测得旋转后，激光器发射出的激光束入射至反射部件的反射面的入射角度，消除了激光束入射电随着被反射部件旋转而变化的影响。

Claims (7)

1.一种精密测角传感器，其特征在于，包括：

激光束一、激光束二，且所述激光束一与激光束二入射至反射部件的入射位置不同；

所述反射部件，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；

分光镜一，用于将所述反射部件的反射面反射的激光束一分为激光束三与激光束四；

分光镜二，用于将所述反射部件的反射面反射的激光束二分为激光束五与激光束六；

光电探测器一，用于接收经分光镜一反射的激光束三，并显示其入射位置；

光电探测器二，用于接收经分光镜一透射出的激光束四，并显示其入射位置；

光电探测器三，用于接收经分光镜二反射的激光束五，并显示其入射位置；

光电探测器四，用于接收经分光镜二透射出的激光束六，并显示其入射位置；

处理系统，用于根据光电探测器一探测到的激光束三入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束四入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据光电探测器三探测到的激光束五入射位置的变化量及光电探测器四探测到的激光束六入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

2.根据权利要求1所述的精密测角传感器，其特征在于，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。

3.根据权利要求2所述的精密测角传感器，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的精密测角传感器，其特征在于，所述光电探测器一与光电探测器二分别位于分光镜一的两侧，且光电探测器一、光电探测器二与分光镜一相互平行设置。

5.根据权利要求1所述的精密测角传感器，其特征在于，所述光电探测器三与光电探测器四分别位于分光镜二的两侧，且光电探测器三、光电探测器四与分光镜二相互平行设置。

6.根据权利要求1-5任一所述的精密测角传感器，其特征在于，所述激光束一、激光束二分别通过激光器一和激光器二发射得到该激光束。

7.根据权利要求1-6任一所述的精密测角传感器的测量方法，其特征在于，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、分光镜一、分光镜二、光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四的位置关系，使得激光束一、激光束二分别经所述反射部件的反射面反射后能够分别被所述分光镜一与分光镜二分为激光束三、激光束四、激光束五、激光束六，激光束三被光电探测器一探测到，激光束四被光电探测器二探测到，激光束五被光电探测器三探测到，激光束六被光电探测器四探测到，所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四与处理系统通信连接；

步骤三：发射激光束一、激光束二，所述光电探测器一检测到分光镜一反射的激光束三的初始位置，光电探测器二检测到分光镜一透射的激光束四的初始位置；和/或，光电探测器三检测到分光镜二反射的激光束五的初始位置，光电探测器四检测到分光镜二透射的激光束六的初始位置；

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、光电探测器三、光电探测器四分别检测到所述激光束三、激光束四、激光束五、激光束六在各自探测器上入射位置的变化，直到被测物体旋转停止；

步骤五：处理系统根据光电探测器一探测到的激光束三入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束四入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值；和/或，根据光电探测器三探测到的激光束五入射位置的变化量及光电探测器四探测到的激光束六入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。