CN109458956B - 一种利用偏振原理的扭转角测量装置及方法 - Google Patents

一种利用偏振原理的扭转角测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种利用偏振原理的扭转角测量装置及相应的测量方法。该利用偏振原理的扭转角测量装置包括：用于产生偏振光的偏振光发射模块，位于偏振光发射模块的前方的扭转测量模块，扭转测量模块用于接收偏振光并产生与光强对应的电信号，输出扭转角测量数据；偏振光发射模块包括光源、准直镜和第一偏振片，扭转测量模块包括第二偏振片、旋转电机、轴角编码器、物镜和光电探测器。该利用偏振原理的扭转角测量装置的结构和软硬件简单、集成度高，同时兼顾扭转角测量的高精度和大范围，测量方法简单、易于实施。

Description

一种利用偏振原理的扭转角测量装置及方法
技术领域
本发明涉及三维角度测量的技术领域，具体涉及一种利用偏振原理进行的扭转角测量装置及方法。
背景技术
高精度、大测量范围的角度测量技术已经成为角度测量行业内的普遍需求和发展方向。光电测量方式是角度测量技术的一种方式，其具有作用距离长、非接触、测量精度高等优势。光电测量方式一般通过专用光学系统结合光源、探测器等手段来实现。在各种大型安装工程、辅助加工、实时监测等场合需要广泛地应用三维角度测量技术。
三维角度光电测量技术以静态测量和动态测量相结合的方式完成目标的角度测量。其中，静态测量主要依靠操作手观察目视光学系统中的标志线，去对齐测量目标，通过读取设备上的刻度和测量结果，完成被测目标的初始对准和基准设置；动态测量则在完成初始对准后，通过探测器，实时输出角度变化结果。
目前，三维角度光电测量技术中的扭转角测量主要有自准直和图像法两种主要方式。自准直测量方法通过在被测点之间建立的刚性基准，再增加测量单元，将扭转测量转变为两个测量单元的方位或俯仰角度组合测量，可以得到高精度扭转角测量结果。自准直测量方法的精度最高，可以达到秒级精度。基于图像处理的扭转角度测量，一般通过对标志点、标志线进行图像采样，提取基线在图像中的旋转角度。基于图像处理的扭转角度测量的测量精度低于自准直测量方法，但是其可以完成大范围扭转角度测量。
现有技术中自准直测量方法依赖于长焦距的光学系统，无法兼顾高精度和大范围；且自准直测量方法只能测量方位和俯仰两个维度的角度变化，无法直接测量扭转角，必须增加刚性基准以实现对扭转角的测量，因此，仅适用于短距离测量而无法适用长距离测量。现有技术中基于图像处理的扭转角测量，需要依赖高清成像及图像算法，其所需的光学系统和电子学硬件成本都较高，且需要采用计算机进行高速计算，不便于集成。
针对现有技术中自准直测量方法及基于图像处理的扭转角测量方法所存在的问题，急需一种结构和软硬件简单、集成度高，同时兼顾高精度和大范围的扭转角测量装置及方法。
发明内容
针对现有技术中自准直测量方法及基于图像处理的扭转角测量方法所存在的问题，本发明实施例提出一种利用偏振原理的扭转角测量装置及方法。该利用偏振原理的扭转角测量装置的结构和软硬件简单、集成度高，同时兼顾扭转角测量的高精度和大范围。
该利用偏振原理的扭转角测量装置的具体方案如下：一种利用偏振原理的扭转角测量装置，包括：偏振光发射模块，用于产生偏振光；位于所述偏振光发射模块的前方的扭转测量模块，用于接收所述偏振光并产生与光强对应的电信号，输出扭转角测量数据；所述偏振光发射模块包括：光源，用于产生能被光电探测器敏感到的光；准直镜，位于所述光源前方，用于将所述光转换成平行光；第一偏振片，位于所述准直镜前方，用于将所述平行光转换成偏振光；所述扭转测量模块包括：第二偏振片，位于所述第一偏振片的前方，用于调制所述第一偏振片所产生的偏振光；旋转电机，与所述第二偏振片连接，用于驱动所述第二偏振片做圆周运动；轴角编码器，用于测量所述第二偏振片的旋转角度；物镜，位于所述第二偏振片的前方，用于将穿过所述第二偏振片的平行光进行汇聚；光电探测器，用于接收所述物镜汇聚的光并对所述物镜汇聚的光进行光电转换，获得与光强对应的电信号。
优选地，所述光源包括激光、白炽灯或LED灯。
优选地，所述准直镜包括单个准直镜片或者多个准直镜片组成的准直镜组。
优选地，所述物镜包括单个物镜或者多个物镜组成的物镜组。
优选地，所述光电探测器包括PSD探测器、CCD探测器、CMOS图像传感探测器或者光电二极管阵列。
优选地，所述旋转电机的定子固定于所述扭转测量模块的主体上，所述第二偏振片固定于所述旋转电机的转子上。
优选地，所述轴角编码器的壳体固定于所述扭转测量模块的主体上，所述轴角编码器的转子固定于所述旋转电机的转子上。
优选地，所述光电探测器设置于所述物镜的焦平面处，所述光电探测器的光敏面垂直于所述物镜的光轴。
优选地，数据处理器根据所述电信号判断所述旋转电机在一个旋转周期内的光强度，通过数据处理得到光强度的峰值点所对应的轴角编码器的角度数据，进而测量获得扭转角度。
本发明实施例还提供一种利用偏振原理的扭转角测量装置测量扭转角的方法。利用偏振原理的扭转角测量装置测量扭转角的方法包括步骤S1：采用全站仪进行测量坐标的给定，使得所述全站仪的当前方位俯仰位置所确定的光轴方向为测量坐标系oxyz中的oz方向；步骤S2：将偏振光发射模块安装于第一待测点，采用所述全站仪接收所述偏振光发射模块所发出的平行光；调节用于安装调节所述偏振光发射模块的机构，使得所述平行光在所述全站仪的目视中所成光斑位于目视分划板的中心位置；步骤S3：将扭转测量模块安装于第二待测点，使其接收偏振光发射模块所发出的平行光；观察扭转测量模块中光电探测器所敏感到光斑的坐标位置，调节用于调节所述扭转测量模块的机构，使得光电探测器所敏感到光斑的坐标位置位于所述光电探测器的中心坐标处；步骤S4：将旋转周期内光电探测器所敏感到的光能量的最大值时刻的轴角编码器的输出作为初始值；将后续旋转周期内光电探测器所敏感到的最大时刻的轴角编码器的输出值与所述初始值之差作为相对扭转角度。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置在传统的准直测量手段的基础上，再利用光的偏振特性，以旋转电机带动第二偏振片产生角运动，进而以改变光通量的方式实现对扭转角进行测量。进一步地，本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置的测量范围大，在不需要辅助设备的前提下也可以实现角分级的精度。进一步地，本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置结合了精简的光机结构和高灵敏度电子学系统，从而有效地完成扭转角度测量。进一步地，本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置的结构简单、易于集成、成本较低。进一步地，本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置的安装、调试、操作简便，适用于现场工作环境，具有较高的使用价值和便于普及。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种利用偏振原理的扭转角测量装置的结构示意图；
图2为图1所示实施例中扭转角测量原理的示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种利用偏振原理的扭转角测量装置测量扭转角的方法的步骤流程示意图；
图4为将图1所示实施例中偏振发射模块与测量取齐的示意图；
图5为将图1所示实施例中扭转测量模块与偏振发射模块取齐的示意图。附图中标号说明：
10、偏振光发射模块 20、扭转测量模块 11、光源
12、准直镜 13、第一偏振片 24、第二偏振片
25、旋转电机 26、轴角编码器 27、物镜
28、光电探测器 30、全站仪 100、扭转角测量装置
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种利用偏振原理的扭转角测量装置的结构示意图。在该实施例中，一种利用偏振原理的扭转角测量装置100，包括：用于产生偏振光的偏振光发射模块10，位于偏振光发射模块10的前方的扭转测量模块20，扭转测量模块20用于接收偏振光并产生与光强对应的电信号。偏振光发射模块10安装于第一测试点，扭转测量模块20安装于第二测试点。第一测试点和第二测试点间隔一定的距离。
偏振光发射模块10包括：用于产生能被光电探测器敏感到的光的光源11，位于光源11前方且用于将所述光转换成平行光的准直镜12，位于准直镜12的前方且用于将所述平行光转换成偏振光的第一偏振片13。偏振光发射模块10产生平行光，该平行光通过第一偏振片13后，形成一束线偏振光。偏振光发射模块10的光轴方向平行于图1中所示oxyz测量坐标系的oz轴，oz轴作为测量基准。
光源11安装于偏振光发射模块10的光学系统的焦点位置。光源11包括激光、白炽灯或LED灯。在设计时，根据测量距离和对应探测器灵敏度对光源11进行选择。激光属于一种点光源，激光为单色光且方向性好、漂移小。光源11优选为激光。光源11发出的光通过准直镜12，形成一束平行光。准直镜12包括单个准直镜片或者多个准直镜片组成的准直镜组。准直镜12具体可根据光源11的发散角进行适应性选择和设计。平行光通过第一偏振片13后形成一束线偏振光，线偏振光通过扭转测量模块20进行接收。
扭转测量模块20为扭转角主要测量部件，接收由偏振光发射模块10出射的线偏振光并计算得到扭转角度。扭转测量模块20包括：位于第一偏振片13的前方且用于调制第一偏振片13所产生的偏振光的第二偏振片24，与第二偏振片24连接且用于驱动第二偏振片24做圆周运动的旋转电机25，用于测量第二偏振片24的旋转角度的轴角编码器26，位于第二偏振片24的前方且用于将穿过第二偏振片24的平行光进行汇聚的物镜27，用于接收物镜27汇聚的光并对物镜27汇聚的光进行光电转换以获得电信号的光电探测器28。
第二偏振片24用于在平行光路中对偏振光发射模块10传来的线偏振平行光进行强度调制。第二偏振片24的偏振方向与第一偏振片13的偏振方向在不同角度下会使得通光量发生改变，最终引起光电探测器28上敏感到的光强度发生改变。
旋转电机25用于带动第二偏振片24进行旋转，使第二偏振片24的偏振方向做圆周运动。旋转电机25的定子与扭转测量模块20的主体固定，第二偏振片24与旋转电机25的转子固定，偏振光透过旋转电机25的转子中心孔照射至物镜27。轴角编码器26用于测量第二偏振片24旋转角度，并且实时输出角度数据。轴角编码器26的壳体与扭转测量模块20的主体固定，轴角编码器26的转子与旋转电机25的转子固定，偏振光同样透过编码器26的转子中心孔径照射到物镜27上。物镜27包括单个物镜或者多个物镜组成的物镜组。物镜27具体可根据偏振光发射模块10的光学系统焦距情况进行匹配设计。
光电探测器28设置于物镜27的光学系统焦平面位置。光电探测器28的光敏面垂直于物镜27的光轴。光电探测器28的输出数据所表征的坐标中心位置与物镜27的光学系统焦点重合。光电探测器28用于对接收偏振光并进行光电转换，获得电信号。电信号具体包括电流信号、电压信号或编码后的数字信号。数据处理器根据输出电信号的大小来判断旋转电机25在一个旋转周期内的光强度。数据处理器通过数据处理得到峰值点的轴角编码器26的角度数据，从而测量扭转角度。在进行安装固定时，根据光电探测器28计算得到的坐标中心位置可对偏振光发射模块与扭转测量模块进行对准操作，进行初始精确定位。光电探测器28包括PSD探测器、CCD探测器、CMOS图像传感探测器或者光电二极管阵列。
如图2所示，为图1所示实施例中扭转角测量原理的示意图。在该具体阐述原理的实施例中，光电探测器28采用PSD探测器，PSD探测器所获得的电信号为电流信号。在图2中，C为某一参考时刻PSD探测器输出的表征光强度的电流i与编码器角度r之间的关系。在图2中，C′为测量时PSD探测器输出的表征光高强度的电流i′与编码器输出r′之间的关系。
在图2中，在一个转动周期C内，PSD探测器获取的电流i信号与第二偏振片24的转角(轴角编码器26输出)关系如下：
0～RL：旋转电机25位于编码器零位时，PSD探测器敏感到的光强度为i0，表明此时第一偏振片13与第二偏振片24的偏振方向存在一定角度，但并不正交。随着旋转电机25带动第二偏振片24转动，第一偏振片13与第二偏振片24的偏振方向夹角逐渐改变。继续参考图2，图2中显示为逐渐减小，也可能逐渐增大，取决于初始位置关系及转动方向。当第二偏振片24转角为RL时，此时PSD探测器探测到的光能量最低，接近0，表明此时第一偏振片13与第二偏振片24的偏振方向正交。
RL～RH：随着旋转电机25继续带动第二偏振片24旋转，第一偏振片13与第二偏振片24的偏振方向之间的夹角逐渐减小，因此通光量增加，PSD探测器探测到的光能量逐渐增加，在RH位置PSD探测器输出电流到达最大值iH，表明此时第一偏振片13与第二偏振片24的偏振方向相同。
RH～π：随着旋转电机25继续带动第二偏振片24旋转，第一偏振片13与第二偏振片24之间的夹角从0开始逐渐增加，因此通光量逐渐减小。
π～2π：该转角情况下，与0～π范围内测量结果相同。
同理，可以得到，在转动周期C′内，PSD探测器获取的电流i′信号与第二偏振片24转角关系与转动周期C情况基本相似。
根据测量结果，两个测量周期内的光通量最大值iH与iH′出现时，为第一偏振片13与第二偏振片24的偏振方向正交，对应轴角编码器26的数值为rH、和rH′。若以转动周期C获得最大光能量iH时的rH为初始值，对比在不同时刻光通量最大值iH′出现的轴角编码器数值rH′，则可以得到两次测量时刻扭转角度变化量，如公式1所示：
Δr＝rH′-rH (公式1)
由于光通量变化周期为π，因此，该扭转角测量装置100可以测量±90°范围内扭转角度。
本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置在传统的准直测量手段的基础上，再利用光的偏振特性，以旋转电机带动第二偏振片产生角运动，进而以改变光通量的方式实现对扭转角进行测量。
本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置的测量范围大，在不需要辅助设备的前提下也可以实现角分级的精度。
本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置结合了精简的光机结构和高灵敏度电子学系统，从而有效地完成扭转角度测量。
本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置的结构简单、易于集成、成本较低。
本发明实施例所提供的利用偏振原理的扭转角测量装置的安装、调试、操作简便，适用于现场工作环境，具有较高的使用价值和便于普及。
如图3所示，本发明实施例中提供的一种利用偏振原理的扭转角测量装置测量扭转角的方法的步骤流程示意图。该方法首先通过设备(全站仪30)的安装对准，偏振光发射模块10和扭转测量模块20的光轴方向与测量坐标系oxyz中的oz轴取齐。在本发明实施例中，利用偏振原理的扭转角测量装置测量扭转角的方法包括四个步骤，每个步骤具体的内容如下所示。
步骤S1：采用全站仪30进行测量坐标的给定，使得全站仪30的当前方位俯仰位置所确定的光轴方向为测量坐标系oxyz中的oz方向。其中，全站仪30进行测量坐标的给定取决于外界条件。
步骤S2：将偏振光发射模块10安装于第一待测点，采用全站仪30接收偏振光发射模块10所发出的平行光；调节用于安装调节偏振光发射模块10的机构，使得所述平行光在全站仪30的目视中所成光斑位于目视分划板的中心位置。此时，偏振光发射模块10与测量基准取齐。如图4所示，该实施例中进行偏振发射模块与测量取齐的示意图。
步骤S3：将扭转测量模块20安装于第二待测点，使其接收偏振光发射模块10所发出的平行光；观察扭转测量模块20中光电探测器所敏感到光斑的坐标位置，调节用于调节所述扭转测量模块20的机构，使得光电探测器所敏感到光斑的坐标位置位于所述光电探测器的中心坐标处。此时，扭转测量模块与测量基准取齐。如图5所示，扭转测量模块与偏振发射模块取齐的示意图。
步骤S4：开始测量扭转角。将旋转周期内光电探测器所敏感到的光能量的最大值时刻的轴角编码器的输出作为初始值；将后续旋转周期内光电探测器所敏感到的最大时刻的轴角编码器的输出值与所述初始值之差作为相对扭转角度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述扭转角测量包括：
偏振光发射模块，用于产生偏振光；
位于所述偏振光发射模块的前方的扭转测量模块，用于接收所述偏振光并产生与光强对应的电信号，输出扭转角测量数据；
所述偏振光发射模块包括：
光源，用于产生能被光电探测器敏感到的光；
准直镜，位于所述光源前方，用于将所述光转换成平行光；
第一偏振片，位于所述准直镜前方，用于将所述平行光转换成偏振光；
所述扭转测量模块包括：
第二偏振片，位于所述第一偏振片的前方，用于调制所述第一偏振片所产生的偏振光；
旋转电机，与所述第二偏振片连接，用于驱动所述第二偏振片做圆周运动；
轴角编码器，用于测量所述第二偏振片的旋转角度；
物镜，位于所述第二偏振片的前方，用于将穿过所述第二偏振片的平行光进行汇聚；
光电探测器，用于接收所述物镜汇聚的光并对所述物镜汇聚的光进行光电转换，获得与光强对应的电信号。
2.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述光源包括激光、白炽灯或LED灯。
3.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述准直镜包括单个准直镜片或者多个准直镜片组成的准直镜组。
4.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述物镜包括单个物镜或者多个物镜组成的物镜组。
5.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述光电探测器包括PSD探测器、CCD探测器、CMOS图像传感探测器或者光电二极管阵列。
6.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述旋转电机的定子固定于所述扭转测量模块的主体上，所述第二偏振片固定于所述旋转电机的转子上。
7.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述轴角编码器的壳体固定于所述扭转测量模块的主体上，所述轴角编码器的转子固定于所述旋转电机的转子上。
8.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，所述光电探测器设置于所述物镜的焦平面处，所述光电探测器的光敏面垂直于所述物镜的光轴。
9.根据权利要求1所述的一种利用偏振原理的扭转角测量装置，其特征在于，数据处理器根据所述电信号判断所述旋转电机在一个旋转周期内的光强度，通过数据处理得到光强度的峰值点所对应的轴角编码器的角度数据，进而测量获得扭转角度。
10.一种利用偏振原理的扭转角测量装置测量扭转角的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：采用全站仪进行测量坐标的给定，使得所述全站仪的当前方位俯仰位置所确定的光轴方向为测量坐标系oxyz中的oz方向；
步骤S2：将偏振光发射模块安装于第一待测点，采用所述全站仪接收所述偏振光发射模块所发出的平行光；调节用于安装调节所述偏振光发射模块的机构，使得所述平行光在所述全站仪的目视中所成光斑位于目视分划板的中心位置；
步骤S3：将扭转测量模块安装于第二待测点，使其接收偏振光发射模块所发出的平行光；观察扭转测量模块中光电探测器所敏感到光斑的坐标位置，调节用于调节所述扭转测量模块的机构，使得光电探测器所敏感到光斑的坐标位置位于所述光电探测器的中心坐标处；
步骤S4：将旋转周期内光电探测器所敏感到的光能量的最大值时刻的轴角编码器的输出作为初始值；将后续旋转周期内光电探测器所敏感到的最大时刻的轴角编码器的输出值与所述初始值之差作为相对扭转角度。
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