CN108895988B - 一种基于交变光场整周封闭的角位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，包括发光元件、动盘、定盘、光电接收装置和电子信号处理电路，动盘上设有一圈呈扇环形的动盘透光面，发光元件包括环形交变光源体，环形交变光源体由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场，定盘上设有4n个相同的定盘透光面，沿圆周方向间隔均匀分布并围成一圈，定盘透光面在垂直于环形交变光源体的方向上被单交变光场完全覆盖；光电接收装置具有A、B、C、D测头组，动盘相对定盘转动，A、B、C、D测头组输出的四路光电流信号输入到电子信号处理电路中，进行处理后得到动盘相对定盘的角位移值。本发明能实现角位移精密测量，同时减小测量系统体积，更利于集成。
Description
技术领域
本发明涉及一种角位移测量系统，具体涉及一种基于交变光场整周封闭的角位移测量系统。
背景技术
在光学领域中，用于精密角位移测量的传感技术主要是圆光栅。圆光栅利用对莫尔条纹的个数进行计数来测量位移，其采用精密机械细分技术，在诸多相交刻线的垂直方向用恒定光强的光源照射，光线从两块光栅刻线重合处的缝隙通过，形成明暗条纹(即莫尔条纹)，通过对莫尔条纹明暗变化次数的计数，来实现空间位移的测量。目前，光栅为提高测量精度，主要采用干涉扫描原理(即利用精细光栅的衍射和干涉形成位移的测量信号)和双测头求平均的方式。当要求测量精度进一步提高时，需增加测头数目，采用多测头平均的方式来减少测量误差。光栅的测量精度主要依赖于栅线的精密程度，故每个栅条的栅距小和精度高，要求光源的准直性、测头的扫描掩膜和光电池加工精度高，使得整周封闭的难度大且成本高。这些因素限制了光栅测量系统不能采用整周封闭方式，而是采用多测头平均的方式。参考大量文献资料，其他角位移测量方法中，磁场式位移测量多采用整周封闭的测量方法，可以用较低的加工精度实现较高的测量精度，但因为机械开槽精度、各绕组的一致性、工作环境的电磁干扰等因素的影响，使得磁场式位移测量精度要远低于高精度光栅角位移测量的水平。
时栅是一种以时钟脉冲作为位移测量基准的位移传感器，专利CN104655057A中公开的一种基于光强正交调制的时栅角位移传感器，其采用四路光源体分别通入相位相差90°的正弦激励电信号驱动，形成四组频率、幅值相等，相位相差90°的交变光源，光电测头输出反应四组动盘透光面光通量变化的电信号，经放大、隔离后转换为电行波信号，与参考信号分别整形后，进行比相，由插补得到角位移值，从而实现角位移的测量。这种时栅角位移传感器存在如下问题：(1)四路交变光源信号的幅值、相位、散射角以及均匀性的不可控，使得高质量行波获取困难，从而制约了测量精度。(2)四路光源均需准直，使得传感器测头整体体积大，不利于集成，且成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，以实现角位移精密测量，同时减小测量系统体积，更利于集成。
本发明所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，包括发光元件、动盘、定盘、光电接收装置以及电子信号处理电路，发光元件同轴安装在动盘正上方，定盘同轴安装在动盘正下方，光电接收装置同轴安装在定盘正下方，发光元件、定盘、光电接收装置保持固定，动盘上设有一圈沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的动盘透光面，相邻两个动盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面所对的圆心角。
所述发光元件包括光源基体和安装在光源基体上的环形交变光源体，环形交变光源体由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场。
所述定盘上设有4n个相同的定盘透光面，4n个相同的定盘透光面沿圆周方向间隔均匀分布，并围成一圈，一个定盘透光面所对的圆心角等于一个动盘透光面所对的圆心角或者等于一个动盘透光面所对的圆心角的2倍，相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面所对的圆心角的
定盘透光面的径向高度小于或者等于动盘透光面的径向高度，各个定盘透光面在垂直于环形交变光源体的方向上被单交变光场完全覆盖。
所述光电接收装置包括测头基体和安装在测头基体上的4n个光电测头，4n个光电测头沿圆周方向分布，并围成一圈，4n个光电测头能同时独立接收4n个所述定盘透光面的全部光通量；其中，沿圆周方向，第4i+1个光电测头连成一组，组成A测头组，第4i+2个光电测头连成一组，组成B测头组，第4i+3个光电测头连成一组，组成C测头组，第4i+4个光电测头连成一组，组成D测头组，i依次取0至n-1的所有整数。
动盘相对定盘转动，A、B、C、D测头组输出反映定盘透光面光通量变化的四路光电流信号，四路光电流信号输入到电子信号处理电路中，进行处理后得到动盘相对定盘的角位移值。
所述定盘透光面可以有两种优选的形状：第一种定盘透光面为双正弦形，定盘透光面沿圆周方向展开后的形状为[0,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，一个定盘透光面所对的圆心角等于一个动盘透光面所对的圆心角。第二种定盘透光面为双余弦形，定盘透光面沿圆周方向展开后的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，一个定盘透光面所对的圆心角等于一个动盘透光面所对的圆心角的2倍。双正弦形定盘透光面或者双余弦形定盘透光面与现有的半正弦形定盘透光面相比，透光面积更大，从而增大了光通量，获得的光电流信号更大，同时也更便于后续光电流信号的处理。
所述环形交变光源体可以是环形发光二极管阵列，也可以是环形同轴光源。
所述4n个光电测头可以都是相同的扇环形光电池，也可以都是相同的扇环形光敏阵列。
所述电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块、第二差分放大模块、微控移相模块和第三差分放大模块，A测头组、C测头组输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块，经差分放大后输出第一电压信号U13，B测头组、D测头组输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块，经差分放大后输出第二电压信号U24，第一电压信号U13输入至微控移相模块，经移相后输出第三电压信号U′13，第三电压信号U′13、第二电压信号U24输入至第三差分放大模块，经差分放大后输出电行波信号Uo，电行波信号Uo输入至FPGA，经FPGA处理后得到动盘相对定盘的角位移值。
所述微控移相模块包括数字电位器、差分放大器、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，FPGA控制数字电位器调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器输入至差分放大器的同向输入端，差分放大器的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器的反向输入端，差分放大器的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器的输出端，差分放大器的输出端输出移相90°后的第三电压信号U′13。
所述数字电位器的型号为AD5277，所述差分放大器的型号为LF353。通过FPGA设置步进点数，AD5277可以取各种不同范围的电阻值，配合LF353、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，能将第一电压信号U13精确移相90°，输出第三电压信号U′13。
本发明与现有技术相比，具有如下效果：
(1)刻画透光面精度要求不高，光电接收装置制作简易，能较好的实现整周封闭测量，避免了外部不必要因素影响。
(2)单交变光场避免了光源激励信号的幅值、相位、散射角以及均匀性、一致性难以保证的问题，从源头上解决了电行波信号质量难以提高的问题，减小了测量误差。
(3)采用单个环形交变光源体，减小了测量系统的体积，更易集成处理；同时，单个环形交变光源体激励降低了电路控制的难度和传感器的安装难度，简化了系统结构。
(4)单个环形交变光源体、动盘、定盘和光电接收装置组合为一个整体，在360°范围内实现了从产生单交变光场到光电接收输出光电流信号的完全封闭，消除了由散射角引起的一部分误差，进一步提高了测量精度。
附图说明
图1为实施例1中的发光元件、动盘、定盘、光电接收装置的位置关系示意图。
图2为实施例1中的动盘的结构示意图。
图3为实施例1中的定盘的结构示意图。
图4为实施例1中的光电接收装置的结构以及引线示意图。
图5为实施例1中的定盘透光面与动盘透光面的对应关系图。
图6为实施例2中的发光元件、动盘、定盘、光电接收装置的位置关系示意图。
图7为实施例2中的动盘的结构示意图。
图8为实施例2中的定盘的结构示意图。
图9为实施例2中的光电接收装置的结构以及引线示意图。
图10为实施例2中的定盘透光面与动盘透光面的对应关系图。
图11为实施例1、实施例2的测量原理图。
图12为实施例1、实施例2中的微控移相模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
实施例1：如图1至图5所示的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，包括发光元件1、动盘2、定盘3、光电接收装置4以及电子信号处理电路，发光元件1、定盘3、光电接收装置4保持固定，动盘2随被测物体转动。发光元件1同轴安装在动盘2正上方，发光元件1包括光源基体12和安装在光源基体12上的环形交变光源体11，环形交变光源体11为环形发光二极管阵列，由一路正弦激励信号驱动，形成单交变光场。
如图1、图2所示，动盘2的外圆半径为84mm，内圆半径为36mm，动盘2采用玻璃作为材料，在其上表面覆盖遮光材料，使动盘2上留有一圈未覆盖遮光材料且沿圆周方向(即动盘圆周方向)均匀间隔分布的呈扇环形的透光面，形成动盘透光面21，动盘透光面21的外圆半径为82mm、内圆半径为38mm，径向高度为44mm，动盘透光面21所对的圆心角为12°，相邻两个动盘透光面21间隔的圆心角也等于12°，则动盘2上共有15个动盘透光面21。
如图1、图3、图5所示，定盘3平行同轴安装在动盘2正下方，且留有0.4mm间隙，定盘3的外圆半径为84mm，内圆半径为36mm，定盘3采用玻璃作为材料，在其上表面覆盖遮光材料，使定盘3上留有20个相同的定盘透光面31，20个相同的定盘透光面31沿圆周方向间隔均匀分布，并围成一圈，定盘透光面31为双正弦形，定盘透光面31沿圆周方向展开后的形状为[0,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，每个定盘透光面31的中心到圆心的距离(即每个定盘透光面31的中心所在的圆的半径)为60mm，每个定盘透光面31的径向高度为40mm、所对的圆心角为12°，相邻两个定盘透光面31间隔的圆心角等于6°，各个定盘透光面31在垂直于环形交变光源体11的方向上被单交变光场完全覆盖，则沿圆周逆时针方向，当第4j+1个定盘透光面31的透光量为100％时，第4j+2个定盘透光面31的透光量为50％，第4j+3个定盘透光面31的透光量为0，第4j+4个定盘透光面31的透光量为50％，j依次取0至4的所有整数。
如图1、图4所示，光电接收装置4同轴固定在定盘3正下方，光电接收装置4包括测头基体42和安装在测头基体42上的20个相同的光电测头41，光电测头41为扇环形光电池，20个相同的光电测头41沿圆周方向均匀分布，并围成一圈，20个相同的光电测头41能同时独立接收20个定盘透光面31的全部光通量(比如第1个光电测头41独立接收第1个定盘透光面31的全部光通量，第2个光电测头41独立接收第2个定盘透光面31的全部光通量，…，第20个光电测头41独立接收第20个定盘透光面31的全部光通量)，并转换为光电流信号输出；其中，沿圆周逆时针方向，第4i+1个光电测头41通过引线连成一组，组成A测头组，第4i+2个光电测头41通过引线连成一组，组成B测头组，第4i+3个光电测头41通过引线连成一组，组成C测头组，第4i+4个光电测头41通过引线连成一组，组成D测头组，i依次取0至4的所有整数。
如图11、图12所示，电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块6、第二差分放大模块7、微控移相模块和第三差分放大模块8，微控移相模块包括数字电位器9、差分放大器5、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，数字电位器9的型号为AD5277，差分放大器5的型号为LF353。
在没有动盘2的情况下，A、B、C、D测头组上可以获得四组同幅同频，相位相差90°的光信号，经光电转换后的光电流可分别表示为：
I0°＝Im(1+cosωt)·S0°，I90°＝Im(1+cosωt)·S90°，I180°＝Im(1+cosωt)·S180°，I270°＝Im(1+cosωt)·S270°；
其中，S0°表示某一时刻第1个、第5个、第9个、第13个和第17个定盘透光面31的透光面积之和，S90°表示某一时刻第2个、第6个、第10个、第14个和第18个定盘透光面31的透光面积之和，S180°表示某一时刻第3个、第7个、第11个、第15个和第19个定盘透光面31的透光面积之和，S270°表示某一时刻第4个、第8个、第12个、第16个和第20个定盘透光面31的透光面积之和，Im为正弦激励的电流峰值，角频率ω＝2πf＝2×104π。
在有动盘2的情况下，动盘2相对定盘3转动，定盘透光面31的透光面积(对应于光通量)分别发生周期性的增大和减小，导致光电测头41上获得的光电流也相应的发生周期性的增大和减小。
当动盘2相对定盘3从图5所示位置开始顺时针转动时，第4j+1个定盘透光面31的透光面积由最大开始减小，第4j+2个定盘透光面31的透光面积从一半开始增大，第4j+3个定盘透光面31的透光面积由最小开始增大，第4j+4个定盘透光面31的透光面积从一半开始减小。其中，第4j+1个定盘透光面31的透光面积与第4j+3个定盘透光面31的透光面积的变化关系完全相反，第4j+2个定盘透光面31的透光面积与第4j+4个定盘透光面31的透光面积的变化关系完全相反，第4j+2个定盘透光面31的透光面积的最大值与第4j+1个定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第4j+3个定盘透光面31的透光面积的最大值与第4j+2个定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第4j+4个定盘透光面31的透光面积的最大值与第4j+3个定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位；这样A测头组输出第一路光电流信号I1、B测头组输出第二路光电流信号I2、C测头组输出第三路光电流信号I3、D测头组输出第四路光电流信号I4，I1、I2、I3、I4的相位依次相差90°，第一路光电流信号I1与第三路光电流信号I3经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块6，经差分放大后输出第一电压信号U13，第二路光电流信号I2与第四路光电流信号I4经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块7，经差分放大后输出第二电压信号U24，FPGA控制数字电位器9调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器9输入至差分放大器5的同向输入端，差分放大器5的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器5的反向输入端，差分放大器5的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器5的输出端，差分放大器5的输出端输出移相90°后的第三电压信号U′13，第三电压信号U′13与第二电压信号U24输入至第三差分放大模块8，经差分放大后输出电行波信号Uo，其基波表达式为：
式中：Ke为光强耦合系数，Kf为光电流放大倍数，x为动盘2相对定盘3的角位移，W为动盘透光面21所对的圆心角，这里取值为12°。
电行波信号Uo经FPGA内的信号调理模块整形成方波后，与一路整形成方波的相位固定的同频参考信号输入至FPGA内的时空位移转换模块，进行比相，得到两路信号的相位差(即两个方波信号过零点的时间差)，该时间差乘以空间当量(即高频时钟插补)得到动盘2相对定盘3的角位移x，FPGA内的时空位移转换模块输出动盘2相对定盘3的角位移x，通过FPGA内的上位机通信模块可以将角位移x发送给上位机位移显示模块进行显示。
实施例2：如图6至图10所示的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，包括发光元件1、动盘2、定盘3、光电接收装置4以及电子信号处理电路，发光元件1、定盘3、光电接收装置4保持固定，动盘2随被测物体转动。发光元件1同轴安装在动盘2正上方，发光元件1包括光源基体12和安装在光源基体12上的环形交变光源体11，环形交变光源体11为环形同轴光源，由一路正弦激励信号驱动，形成单交变光场。
如图6、图7所示，动盘2的外圆半径为84mm，内圆半径为36mm，动盘2采用玻璃作为材料，在其上表面覆盖遮光材料，使动盘2上留有一圈未覆盖遮光材料且沿圆周方向(即动盘圆周方向)均匀间隔分布的呈扇环形的透光面，形成动盘透光面21，动盘透光面21的外圆半径为82mm、内圆半径为38mm，径向高度为44mm，动盘透光面21所对的圆心角为6°，相邻两个动盘透光面21间隔的圆心角也等于6°，则动盘2上共有30个动盘透光面21。
如图6、图8、图10所示，定盘3平行同轴安装在动盘2正下方，且留有0.4mm间隙，定盘3的外圆半径为84mm，内圆半径为36mm，定盘3采用玻璃作为材料，在其上表面覆盖遮光材料，使定盘3上留有24个相同的定盘透光面31，24个相同的定盘透光面31沿圆周方向间隔均匀分布，并围成一圈，定盘透光面31为双余弦形，定盘透光面31沿圆周方向展开后的形状为[-π,π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，每个定盘透光面31的中心到圆心的距离(即每个定盘透光面31的中心所在的圆的半径)为60mm，每个定盘透光面31的径向高度为40mm、所对的圆心角为12°，相邻两个定盘透光面31间隔的圆心角等于3°，各个定盘透光面31在垂直于环形交变光源体11的方向上被单交变光场完全覆盖，则沿圆周逆时针方向，当第4j+1个定盘透光面31的透光量为81.8％时，第4j+2个定盘透光面31的透光量为50％，第4j+3个定盘透光面31的透光量为18.2％，第4j+4个定盘透光面31的透光量为50％，j依次取0至5的所有整数。
如图6、图9所示，光电接收装置4同轴固定在定盘3正下方，光电接收装置4包括测头基体42和安装在测头基体42上的24个相同的光电测头41，光电测头41为扇环形光敏阵列，24个相同的光电测头41沿圆周方向均匀分布，并围成一圈，24个相同的光电测头41能同时独立接收24个定盘透光面31的全部光通量(比如第1个光电测头41独立接收第1个定盘透光面31的全部光通量，第2个光电测头41独立接收第2个定盘透光面31的全部光通量，…，第24个光电测头41独立接收第24个定盘透光面31的全部光通量)，并转换为光电流信号输出；其中，沿圆周逆时针方向，第4i+1个光电测头41通过引线连成一组，组成A测头组，第4i+2个光电测头41通过引线连成一组，组成B测头组，第4i+3个光电测头41通过引线连成一组，组成C测头组，第4i+4个光电测头41通过引线连成一组，组成D测头组，i依次取0至5的所有整数。
如图11、图12所示，电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块6、第二差分放大模块7、微控移相模块和第三差分放大模块8，微控移相模块包括数字电位器9、差分放大器5、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，数字电位器9的型号为AD5277，差分放大器5的型号为LF353。
在没有动盘2的情况下，A、B、C、D测头组上可以获得四组同幅同频，相位相差90°的光信号，经光电转换后的光电流可分别表示为：
I0°＝Im(1+cosωt)So°，I90°＝Im(1+cosωt)·S90°,I180°＝Im(1+cosωt)·S180°，I270°＝Im(1+cosωt)·S270°；
其中，S0°表示某一时刻第1个、第5个、第9个、第13个、第17个和第21个定盘透光面31的透光面积之和，S90°表示某一时刻第2个、第6个、第10个、第14个、第18个和第22个定盘透光面31的透光面积之和，S180°表示某一时刻第3个、第7个、第11个、第15个、第19个和第23个定盘透光面31的透光面积之和，S270°表示某一时刻第4个、第8个、第12个、第16个、第20个和第24个定盘透光面31的透光面积之和，Im为正弦激励的电流峰值，角频率ω＝2πf＝2×104π。
在有动盘2的情况下，动盘2相对定盘3转动，定盘透光面的透光面积(对应于光通量)分别发生周期性的增大和减小，导致光电测头41上获得的光电流也相应的发生周期性的增大和减小。
当动盘2相对定盘3从图10所示位置开始逆时针转动时，第4j+1个定盘透光面31的透光面积由最大开始减小，第4j+2个定盘透光面31的透光面积从一半开始增大，第4j+3个定盘透光面31的透光面积由最小开始增大，第4j+4个定盘透光面31的透光面积从一半开始减小。其中，第4j+1个定盘透光面31的透光面积与第4j+3个定盘透光面31的透光面积的变化关系完全相反，第4j+2个定盘透光面31的透光面积与第4j+4个定盘透光面31的透光面积的变化关系完全相反，第4j+2个定盘透光面31的透光面积的最大值与第4j+1个定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第4j+3个定盘透光面31的透光面积的最大值与第4j+2个定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位，第4j+4个定盘透光面31的透光面积的最大值与第4j+3个定盘透光面31的透光面积的最大值之间互相相差90°空间相位；这样A测头组输出第一路光电流信号I1、B测头组输出第二路光电流信号I2、C测头组输出第三路光电流信号I3、D测头组输出第四路光电流信号I4，I1、I2、I3、I4的相位依次相差90°，第一路光电流信号I1与第三路光电流信号I3经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块6，经差分放大后输出第一电压信号U13，第二路光电流信号I2与第四路光电流信号I4经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块7，经差分放大后输出第二电压信号U24，FPGA控制数字电位器9调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器9输入至差分放大器5的同向输入端，差分放大器5的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器5的反向输入端，差分放大器5的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器5的输出端，差分放大器5的输出端输出移相90°后的第三电压信号U′13，第三电压信号U′13与第二电压信号U24输入至第三差分放大模块8，经差分放大后输出电行波信号Uo，其基波表达式为：
式中：Ke为光强耦合系数，Kf为光电流放大倍数，x为动盘2相对定盘3的角位移，W为动盘透光面21所对的圆心角，这里取值为6°。
电行波信号Uo经FPGA内的信号调理模块整形成方波后，与一路整形成方波的相位固定的同频参考信号输入至FPGA内的时空位移转换模块，进行比相，得到两路信号的相位差(即两个方波信号过零点的时间差)，该时间差乘以空间当量(即高频时钟插补)得到动盘2相对定盘3的角位移x，FPGA内的时空位移转换模块输出动盘2相对定盘3的角位移x，通过FPGA内的上位机通信模块可以将角位移x发送给上位机位移显示模块进行显示。
Claims (8)
1.一种基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，包括发光元件(1)、动盘(2)、定盘(3)、光电接收装置(4)以及电子信号处理电路，发光元件(1)同轴安装在动盘(2)正上方，定盘(3)同轴安装在动盘(2)正下方，光电接收装置(4)同轴安装在定盘(3)正下方，发光元件(1)、定盘(3)、光电接收装置(4)保持固定，动盘(2)上设有一圈沿圆周方向均匀间隔分布的呈扇环形的动盘透光面(21)，相邻两个动盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面所对的圆心角；其特征在于：
所述发光元件(1)包括光源基体(12)和安装在光源基体上的环形交变光源体(11)，环形交变光源体(11)由一路交流激励信号驱动，形成单交变光场；
所述定盘(3)上设有4n个相同的定盘透光面(31)，4n个相同的定盘透光面沿圆周方向间隔均匀分布，并围成一圈，一个定盘透光面(31)所对的圆心角等于一个动盘透光面(21)所对的圆心角或者等于一个动盘透光面(21)所对的圆心角的2倍，相邻两个定盘透光面间隔的圆心角等于一个动盘透光面(21)所对的圆心角的
定盘透光面的径向高度小于或者等于动盘透光面的径向高度，各个定盘透光面(31)在垂直于环形交变光源体(11)的方向上被单交变光场完全覆盖；
所述光电接收装置(4)包括测头基体(42)和安装在测头基体上的4n个光电测头(41)，4n个光电测头(41)沿圆周方向分布，并围成一圈，4n个光电测头(41)能同时独立接收4n个所述定盘透光面(31)的全部光通量；其中，沿圆周方向，第4i+1个光电测头(41)连成一组，组成A测头组，第4i+2个光电测头(41)连成一组，组成B测头组，第4i+3个光电测头(41)连成一组，组成C测头组，第4i+4个光电测头(41)连成一组，组成D测头组，i依次取0至n-1的所有整数；
动盘(2)相对定盘(3)转动，A、B、C、D测头组输出反映定盘透光面光通量变化的四路光电流信号，四路光电流信号输入到电子信号处理电路中，进行处理后得到动盘相对定盘的角位移值。
2.根据权利要求1所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述定盘透光面(31)为双正弦形，定盘透光面(31)沿圆周方向展开后的形状为[0，π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，一个定盘透光面(31)所对的圆心角等于一个动盘透光面(21)所对的圆心角。
3.根据权利要求1所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述定盘透光面(31)为双余弦形，定盘透光面(31)沿圆周方向展开后的形状为[-π，π]区间的两条幅值相等、相位相差180°的余弦曲线段围成的全封闭轴对称图形，一个定盘透光面(31)所对的圆心角等于一个动盘透光面(21)所对的圆心角的2倍。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述环形交变光源体(11)为环形发光二极管阵列或者环形同轴光源。
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述4n个光电测头(41)都为相同的扇环形光电池或者相同的扇环形光敏阵列。
6.根据权利要求1至3任一项所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述电子信号处理电路包括FPGA、电流放大模块、第一差分放大模块(6)、第二差分放大模块(7)、微控移相模块和第三差分放大模块(8)，A测头组、C测头组输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第一差分放大模块(6)，经差分放大后输出第一电压信号U13，B测头组、D测头组输出的两路光电流信号经电流放大模块放大后，输入至第二差分放大模块(7)，经差分放大后输出第二电压信号U24，第一电压信号U13输入至微控移相模块，经移相后输出第三电压信号U′13，第三电压信号U′13、第二电压信号U24输入至第三差分放大模块(8)，经差分放大后输出电行波信号Uo，电行波信号Uo输入至FPGA，经FPGA处理后得到动盘(2)相对定盘(3)的角位移值。
7.根据权利要求6所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述微控移相模块包括数字电位器(9)、差分放大器(5)、第一电阻R1、第二电阻R2和电容C1，FPGA控制数字电位器(9)调节电阻值，第一电压信号U13通过数字电位器(9)输入至差分放大器(5)的同向输入端，差分放大器(5)的同向输入端通过电容C1接地，第一电压信号U13通过第一电阻R1输入至差分放大器(5)的反向输入端，差分放大器(5)的反向输入端通过第二电阻R2接差分放大器(5)的输出端，差分放大器(5)的输出端输出移相90°后的第三电压信号U′13。
8.根据权利要求7所述的基于交变光场整周封闭的角位移测量系统，其特征在于：所述数字电位器(9)的型号为AD5277，所述差分放大器(5)的型号为LF353。
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