CN109959353A - 一种补偿式角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种补偿式角度传感器，包括激光束一，所述激光束一入射至反射部件；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进行反射；凹透镜，用于接收所述反射面反射的激光束一，并使得激光束一发生折射；分光镜，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二与激光束三；光电探测器一，用于接收经分光镜一反射的激光束二，并测量其入射位置；光电探测器二，用于接收经分光镜一透射出的激光束三，并测量其入射位置。本角度传感器通过凹透镜对光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，继而提高测量精度。

Description

一种补偿式角度传感器

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种补偿式角度传感器。

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。例如专利号为201821012924.3，名称为“一种精密测角传感器”的中国专利公开了一种角度传感器，该传感器通过将被测物体安装在反射部件上，被测物体旋转时反射部件随之一起旋转，光电探测器接收旋转过程中的反射部件上不同点反射出光束，处理系统能够根据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。然而基于光电探测器性能的限制，该角度传感器的放大倍数依然有限，对于特殊应用场合的适用性差，或者测量精度不高。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种补偿式角度传感器。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种补偿式角度传感器，包括激光束一，所述激光束一入射至反射部件；

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进行反射；

凹透镜，用于接收所述反射面反射的激光束一，并使得激光束一发生折射；

分光镜，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二与激光束三；

光电探测器一，用于接收经分光镜一反射的激光束二，并测量其入射位置；

光电探测器二，用于接收经分光镜一透射出的激光束三，并测量其入射位置；

处理系统，用于根据光电探测器一探测到的激光束二入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束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。

通过凹透镜对光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

在进一步的方案中，所述激光束一通过激光器发射得到该激光束。

在进一步的方案中，所述激光器、凹透镜、分光镜、光电探测器一与光电探测器二组合构成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器一与光电探测器二均接收到激光束。

在进一步的方案中，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。方便被测物体旋转角度的计算。

在进一步的方案中，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。

在进一步的方案中，所述光电探测器一与光电探测器二分别位于分光镜的两侧，且光电探测器一、光电探测器二与分光镜相互平行设置。减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算。

在进一步的方案中，光电探测器一与分光镜的距离不等于光电探测器二与分光镜的距离。

在进一步的方案中，还包括凸透镜一与凸透镜二，所述凸透镜一设置在所述分光镜与光电探测器一之间，所述凸透镜二设置在所述分光镜与光电探测器二之间。

在进一步的方案中，所述凸透镜一与凸透镜二为平凸透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本角度传感器在通过分光镜分束激光束，消除了激光束在反射面上的入射点随着反射部件旋转而变化的影响，简化了计算过程的情况下通过凹透镜对光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

2、本角度传感器通过光电探测器一与光电探测器二分别位于分光镜的两侧，且光电探测器一、光电探测器二与分光镜相互平行设置，减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算。

3、本角度传感器通过反射部件上的全部反射面形状大小相同，方便被测物体旋转角度的计算。

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为本发明实施例提供的一种补偿式角度传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的另一种补偿式角度传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的另一种补偿式角度传感器的结构示意图。

图中标记说明

激光器1，反射部件2，光电探测器一3，光电探测器二4，激光束一5，反射面6，凹透镜7，分光镜8，激光束二9，激光束三10，凸透镜一11，凸透镜二12。

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补偿式角度传感器，包括激光器1，反射部件2，凹透镜7，分光镜8，光电探测器一3，光电探测器二4及处理系统。其中激光器1用于发射激光束一5，反射部件2用于固定被测物体，且反射部件2可旋转并且沿周向设有若干个反射面6，每个反射面6用于将激光束一5进行反射。

本方案中的光路传输过程如下(虚线为转动前的反射部件与光束位置，实线为转动后的反射部件与光束位置)：

激光器1发射激光束一5，激光束一5入射至反射部件2上的反射面6，反射面6将激光束一5反射至凹透镜7，凹透镜7使得激光束一5发生折射，且分光镜8接受经凹透镜7折射后的激光束一5，使得激光束一5分为激光束二9与激光束三10，光电探测器一3接收经分光镜8反射的激光束二9并测量其入射位置，光电探测器二4接收经分光镜8透射出的激光束三10，并测量其入射位置。

处理系统，用于根据光电探测器一3探测到的激光束二9入射位置的变化量及光电探测器二4探测到的激光束三10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。凹透镜7折射后的激光束较于原有光路以更大变化角度入射至光电探测器。本方案中将反射部件2安装在被测物体上，激光束一5入射到反射部件2的不同反射面6后分别反射到对应的分光镜8，分光镜8将反射激光束反射或透射到光电探测器一3、光电探测器二4，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一3、光电探测器二4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，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，即激光入射点变化量在光电探测器一与光电探测器二上的探测量一样，光电探测器二的位置探测变化量与光电探测器一的位置探测量相减即可消除激光入射点变化量带来的误差。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。且该方案利用凹透镜的散射原理，通过凹透镜7对光束进行折射，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

为了方便被测物体旋转角度的计算，反射部件2上的全部所述反射面6形状大小相同。作为一种具体的实施方式，反射部件2为正多边形立柱，正多边形立柱的每个侧面为反射面6。且在本实施例中，光电探测器一3与光电探测器二4分别位于分光镜8的两侧，光电探测器一3、光电探测器二4与分光镜8相互平行设置。减小整个设备的尺寸，及方便被测物体旋转角度的计算。且光电探测器一与分光镜的距离不等于光电探测器二与分光镜的距离。该计算过程基于三角几何关系，并结合专利号为201821012924.3中传感器运用的计算过程即可完成计算，故此处不做细述。

同时，为了实现角度的连续测量，在本方案中激光器1、凹透镜7、分光镜8、光电探测器一3与光电探测器二4组合构成探测头，本方案中的探测头的数量为两个，通过设置两个探测头，当其中一个探测头中的任意一个光电探测器接收不到光束时切换至另一个探测头接收，因此可以可靠地保障连续角度测量，增强角度传感器的实用性。为了保证两个探测头可以实现连续测量，作为一种具体的方式，两个探测头内的激光器发射出的激光束入射于反射部件的不同点。且容易理解的，此处通过两个探测头实现连续测量，但是在保证实现连续测量的情况下，不限制探测头的个数，也可以是三个，四个及四个以上。

如图2所示，在另一个实施方案中，在图1所示结构基础上，本补偿式角度传感器中的探测头还包括凸透镜一11与凸透镜二12，凸透镜一11设置在分光镜8与光电探测器一3之间，凸透镜二12设置在分光镜8与光电探测器二4之间。

本实施例中的光路传输过程如下：

激光器1发射激光束一5，激光束一5入射至反射部件2上的反射面6，反射面6将激光束一5反射至凹透镜7，凹透镜7使得激光束一5发生折射，且分光镜8接受经凹透镜7折射后的激光束一5，使得激光束一5分为激光束二9与激光束三10，凸透镜一11接收经分光镜8反射的激光束二9，并使得激光束二9发生折射，光电探测器一3接收经凸透镜一11透射出的激光束二9并测量其入射位置，凸透镜二12接收经分光镜8透射出的激光束三10，并使得激光束三10发生折射，光电探测器二4接收经凸透镜二12透射出的激光束三10，并测量其入射位置。处理系统，用于根据光电探测器一3探测到的激光束二9入射位置的变化量及光电探测器二4探测到的激光束三10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。

较于图1所示的方案，该方案通过凸透镜一11与凸透镜二12，使得旋转行动前入射光电探测器一的激光束与旋转行动后入射光电探测器一的激光束近似平行，且旋转行动前入射光电探测器二的激光束与旋转行动后入射光电探测器二的激光束近似平行，避免由于光电探测器的激光入射角变化过大对于位置测量精度的影响，保障了光电探测器的测量精度。如图2所示，作为一种具体的实施方式，本方案中的凸透镜一11与凸透镜二12为平凸透镜。但是容易理解的，在保证旋转前后入射同一光电探测器的激光束近似平行的情况下，也可以采用其他类型的凸透镜，例如双面凸透镜，具体结构如图3所示。

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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种补偿式角度传感器，其特征在于，包括激光束一，所述激光束一入射至反射部件；

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进行反射；

凹透镜，用于接收所述反射面反射的激光束一，并使得激光束一发生折射；

分光镜，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二与激光束三；

光电探测器一，用于接收经分光镜一反射的激光束二，并测量其入射位置；

光电探测器二，用于接收经分光镜一透射出的激光束三，并测量其入射位置；

处理系统，用于根据光电探测器一探测到的激光束二入射位置的变化量及光电探测器二探测到的激光束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。

2.根据权利要求1所述的补偿式角度传感器，其特征在于，所述激光束一通过激光器发射得到该激光束。

3.根据权利要求2所述的补偿式角度传感器，其特征在于，所述激光器、凹透镜、分光镜、光电探测器一与光电探测器二组合构成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器一与光电探测器二均接收到激光束。

4.根据权利要求1所述的补偿式角度传感器，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。

5.根据权利要求1所述的补偿式角度传感器，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。

6.根据权利要求1所述的补偿式角度传感器，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的两侧，且光电探测器一、光电探测器二与分光镜相互平行设置。

7.根据权利要求6所述的补偿式角度传感器，其特征在于，光电探测器一与分光镜的距离不等于光电探测器二与分光镜的距离。

8.根据权利要求1所述的补偿式角度传感器，其特征在于，还包括凸透镜一与凸透镜二，所述凸透镜一设置在所述分光镜与光电探测器一之间，所述凸透镜二设置在所述分光镜与光电探测器二之间。

9.根据权利要求8所述的补偿式角度传感器，其特征在于，所述凸透镜一与凸透镜二为平凸透镜。