CN110631511B - 基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本分案申请涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置及方法，该系统包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；所述传感单元包括转盘和直角棱镜，所述直角棱镜水平放置于转盘上，且直角棱镜的两个直角边所在的侧面的相交线位于转盘的圆心处。本装置结构简单、体积小、成本低，能够实现非接触实时高精度测量，传感单元为无源光学传感器,本身无需供电，并且测试装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便。

Description

基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置及 方法

本申请为申请号201810481300.4、申请日2018年5月18日、发明名称“基于多纵模自混合效应的角度传感测量装置及方法”的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置及方法。

背景技术

角度测量技术作为计量技术的重要组成部分，随着科学技术的不断发展，角度测量技术已被广泛应用于光机电一体化、航空航天、军事国防等技术领域。

角度测量技术主要包括机械式角度测量技术、电磁式角度测量技术和光学式角度测量技术。而在光学式角度测量技术中，基于激光自混合理论的干涉测角技术因具有单光路结构、自准直等优点逐渐成为高精度角度测量的重要研究对象。但目前已有的基于激光自混合理论的角度测量装置，只能实现动态角度测量，无法在需要进行固定角度测量和定量测量的测量场合应用。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于多纵模自混合效应的，能够实现固定角度测量和定量测量的角度传感测量装置及方法

为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置，包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述传感单元包括转盘和直角棱镜，所述直角棱镜水平放置于转盘上，且直角棱镜的两个直角边所在的侧面的相交线位于转盘的圆心处；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构，所述振动目标位于直角棱镜出射激光的光路上且振动面与该光路垂直，所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；

所述多纵模激光器出射激光光束到直角棱镜上，初始状态时，出射激光光束与直角棱镜斜边所在的侧面垂直；

所述分束器设于多纵模激光器与直角棱镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的转盘的转动角度。

作为改进，所述多纵模激光器和分束器之间还设有光衰减器。

作为改进，所述滑动装置包括滑轨及设于滑轨上的滑块，振动目标底部固定于滑块上；滑轨与出射激光处于同一直线上；

作为改进，所述反射结构为反射平面镜或者反射膜。

作为改进，所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

基于上述基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置的角度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束经传感单元入射到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的转盘转动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为转盘转动角度引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测量角度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感单元的折射率，其值为定值，L_s为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立。从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得转盘转动角度引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中

为传感单元中外界光程随角度变化系数，L_s0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，n_s0为传感单元材料折射率；

利用补偿相位并结合传感单元材料折射率n_s0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度L_s0、传感单元中外界光程随角度变化系数

进行计算，可得传感单元中转盘的转动角度。

从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例1的任意角度相交平面镜光路结构示意图；

图4是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图5是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

图6是本发明实施例2的结构示意图；

图7是本发明实施例2的初始状态时的光路结构示意图；

图8是本发明实施例2的转动后的光路结构示意图；

图9是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

结合图1至图5，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图1所示，一种基于多纵模自混合效应的角度传感测量装置，包括多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分束器5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；传感单元2包括第一转盘211、第二转盘212、传动杆213、相交平面镜214，第一转盘211和第二转盘212通过传动杆213同步转动，传动杆213两端端部分别连接有第一连接柱215和第二连接柱216，第一连接柱215底部和第二连接柱216底部分别通过轴承设于第一转盘211和第二转盘212上，传动杆213平行于第一转盘211圆心与第二转盘212圆心的连接线，相交平面镜214包括镜面相向的第一平面镜2141和第二平面镜2142，所述第一平面镜2141的一侧与第二平面镜2142的一侧相连且二者的连接边连接于第二连接柱216上，所述第一平面镜2141和第二平面镜2142的镜面均背离传动杆213，第一平面镜2141镜面与第二平面镜2142镜面的夹角的角平分线与传动杆213位于同一直线上，所述第一平面镜2141镜面与第二平面镜2142镜面的夹角记为α，α的取值范围为：0°<α<180°；振动目标3能够发生振动，且振动目标3的振动面附着有反射结构，振动目标3设于第二平面镜2142外侧且振动面与第一平面镜2141镜面的夹角等于

振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标3沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；多纵模激光器1出射激光光束到第二平面镜2142上且激光光束与第二平面镜2142镜面的夹角为

多纵模激光器1出射激光光束与经过第二平面镜2142反射后的激光光束形成的夹角等于α，多纵模激光器出射激光光束与振动目标振动面的夹角等于

分束器5设于多纵模激光器1与第二平面镜2142之间，用于将激光光束分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的第一转盘211和第二转盘212的转动角度。

基于上述测量装置的角度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束到第二平面镜上，然后反射到第一平面镜上，再反射到振动目标上，入射到振动目标的激光光束由反射结构反射，反射的光束沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的任一转盘转动(基于传动杆的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，传动杆带动另外一个转盘同步转动)，带动相交平面镜水平移动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为转盘转动角度引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测量角度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感单元的折射率，其值为定值，L_s为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立。从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得转盘转动角度引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中

为传感单元中外界光程随角度变化系数，L_s0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，n_s0为传感单元材料折射率；

利用补偿相位并结合传感单元材料折射率n_s0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度L_s0、传感单元中外界光程随角度变化系数

进行计算，可得传感单元中转盘的转动角度。

由式(7)可进一步获得角度传感器外腔变化灵敏度S_mLc和邻级角度差Δθ_m。其中，外腔变化灵敏度S_mLc是指单位角度变化引起的补偿外腔长度变化，邻级角度差Δθ_m是指角度θ₂(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与角度θ₁(变化前)外腔等相位点位置(m级)所对应的邻级角度差值。一般而言，在角度测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量角度差大于邻级角度差Δθ_m，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重合位置。

式(8)和(9)分别为外腔变化灵敏度S_mLc和邻级角度差Δθ_m表达式：

上述测量分析方法中，传感单元外界光程与角度变化的关系的分析方法如下：

如图2所示，起始位置O₂V(即第二转盘圆心O₂与相交平面镜定点V的连线)与y轴平行，当第一转盘1旋转角度为θ时

第二转盘2将旋转相同角度，传动杆始终与x轴平行以保证相交平面镜在垂直方向不发生偏移，只在xy面内产生平动。旋转后，第一平面镜和第二平面镜均保持相交，并发生偏移，激光器1由A点发出激光，且在整个旋转过程中，激光器1位置始终保持在A点，经多次平面镜和反射镜反射后光线从D点沿原路返回，其中，第一转盘和第二转盘的半径均为R。

基于以上具有单相交平面镜的角度测量系统，为理论计算其光程变化，建立如图3所示的单个任意夹角相交平面镜结构图，相交平面镜顶点V₁旋转后到达V₂，原光路AB₁C₁D₁变为AB₂C₂D₂，可推导光程差如下：

其中，

经几何推导得：

角度变化引起的光程差可表示为：

代入公式(7)可得：

结合公式(12)可知，光程差与两镜面夹角α、转盘旋转角度θ相关，为简化方程采用特殊镜面夹角化简如下：

(1)当两镜面夹角α为90°，即两镜面垂直时，可得到光程差：

ΔL＝-4Rsinθ (14)

此时，将式(14)代入公式(7)、(8)、(9)可得：

δφ_sj＝k_0jn_s0|-4Rsinθ|＝-k_0jδ(n_cL_c)＝-δφ_cj (15)

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用双模LD激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形。仿真模拟结果如图4所示。从图4可以看出，当角度为0时，此时激光器外腔初始光程为1050mm,为n_gL₀的整数倍，m＝1000,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元角度增加

时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分立，此时我们微调补偿外腔长度为18.15mm,此时激光器外腔相位再次成为φ_g的整数倍，m＝1000,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单元角度的变化，实现对传感单元转盘转动角度的测量。

(2)当镜面夹角α为60°，可得到光程差：

此时，将式(18)代入公式(7)、(8)、(9)可得：

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用双模LD激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形。仿真模拟图如图5所示。从图5可以看出，当角度为0时，此时激光器外腔初始光程为1050mm,为n_gL₀的整数倍，m＝1000,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元角度增加

时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分立，此时我们微调补偿外腔长度为0.28mm,此时激光器外腔相位再次成为φ_g的整数倍，m＝1000,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单元角度的变化，实现对传感单元转盘转动角度的测量。

从上述推导过程可以看出，与传统激光自混合角度测量方法相比，本实施例所述的单个任意角度相交平面镜内入射型自混合角度测量系统及测量方法，角度测量范围不受限制且系统分辨率较高。

从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率；

6.传感单元的结构中：(1)激光光束入射到相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过相交平面镜和振动目标构成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围；(3)测量系统整体结构简单易实现，机械误差小，第一平面镜与第二平面镜的夹角角度可调，不同角度对应于不同的系统测量分辨率，可根据实际需求选择夹角角度。

结合图6至图9，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

如图6所示，一种基于多纵模自混合效应的角度传感测量装置，包括多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分束器5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理单元8；传感单元2包括转盘21和直角棱镜22，直角棱镜22水平放置于转盘21上(即直角棱镜的两个平行面中的一个面置于转盘上)，且直角棱镜的两个直角边所在的侧面的相交线位于转盘的圆心处；振动目标3能够发生振动，且振动目标3的振动面附着有反射结构，振动目标3位于直角棱镜22出射激光的光路上且振动面与该光路垂直，振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标3沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；多纵模激光器1出射激光光束到直角棱镜22上，初始状态时，出射激光光束与直角棱镜斜边所在的侧面垂直；分束器5设于多纵模激光器1与直角棱镜22之间，用于将激光光束分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的转盘21的转动角度。

基于上述测量装置的角度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束，初始状态时直角棱镜放置于转盘上，入射角度为0(即初始状态时，激光器出射光束与直角棱镜斜边所在的侧面垂直)，转盘转动，激光光束入射到直角棱镜斜面上，激光光束入射光进入直角棱镜后在内部经两次反射后由原入射面出射到振动目标上，入射到振动目标的激光光束与激光器出射激光光束方向相反并由反射结构反射，基于直角棱镜的特性，反射的光束沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的转盘转动，带动直角棱镜转动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度。

本实施的具体测量分析方法与实施例1中的测量分析方法相同，参见公式(1)到公式(9)的分析过程，本实施例与实施例1的区别仅在于传感单元的具体结构不同，进而使得本实施例中传感单元外界光程与角度变化的关系与实施例1中的关系不同。

本实施例中，传感单元外界光程与角度变化的关系的分析方法如下：

如图7所示，初始状态时直角棱镜放置于转盘上，入射角度为0，随着转盘的转动，光束入射到直角棱镜斜边所在侧面的入射角度(即所测量角度)发生变化，入射光进入直角棱镜后在内部经两次反射后由原入射面出射。

如图8所示，转盘旋转θ角度(即直角棱镜旋转θ角度)后，由图中显示的几何关系，可得图中ME的光程为：

图8中直角棱镜内部EC加CD加DF的光程为：

图8中FN的光程为：

因此，直角棱镜旋转θ角度时的光程差可表示为：

其中a指的是直角棱镜直角边的边长，h指的是转盘圆心位置到平面镜所在位置的垂直距离，n指的是棱镜的折射率，θ指的是光束进入直角棱镜斜面的入射角，γ指的是光束进入斜面的折射角，q₁指的是棱镜AC段长度，q₂指的是棱镜OC段长度。

将式(25)代入公式(7)、(8)、(9)可得：

基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用双模LD激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强度叠加波形。仿真模拟图如图9所示。从图9可以看出，当角度为0时，此时激光器外腔初始光程为1050mm,为n_gL₀的整数倍，m＝1000,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元角度增加

时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分立，此时我们微调补偿外腔长度为0.31mm,此时激光器外腔相位再次成为φ_g的整数倍，m＝1000,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单元角度的变化，实现对激光器传感单元角度的测量。

从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率；

6.传感单元的结构中：(1)激光光束直接入射到直角棱镜中，光束简单易调节，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率；(2)直角棱镜直接固定在转盘中心，无需其他联动装置，使得测量系统整体结构紧凑，不仅减小了机械加工误差，而且使光路更易准直。

上述两种实施例中，测量装置可以做如下优选或者改进：

1.优选地，在有两个转盘的实施例中，第一转盘和第二转盘上套接有传动皮带，两个转盘通过传动皮带实现同步转动；

2.优选地，滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与入射到振动目标振动面的激光光束方向处于同一直线上；

3.优选地，反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

4.优选地，振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图1、图6中的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

5.优选地，信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪；

6.改进地，在多纵模激光器和分束器之间增设有光衰减器9，利用光衰减器9调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值，从而进一步保证测量结果的准确性，光衰减器可以采用位移型衰减器、衰减片型衰减器等类型的光衰减器；

7.改进地，多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简化，去掉分束器和光电探测器。

综上所述，本发明具有以下优点：

1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

2.测试装置体积较小，成本较低；

3.能够实现非接触实时高精度测量；

4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率；

6.传感单元的光路结构选择多样，可根据具体需求，选择具有相应特点的传感单元。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述传感单元包括转盘和直角棱镜，所述直角棱镜水平放置于转盘上，且直角棱镜的两个直角边所在的侧面的相交线位于转盘的圆心处；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构，所述振动目标位于直角棱镜出射激光的光路上且振动面与该光路垂直，所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；

所述多纵模激光器出射激光光束到直角棱镜上，初始状态时，出射激光光束与直角棱镜斜边所在的侧面垂直；

所述分束器设于多纵模激光器与直角棱镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的转盘的转动角度。

2.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述多纵模激光器和分束器之间还设有光衰减器。

3.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述滑动装置包括滑轨及设于滑轨上的滑块，振动目标底部固定于滑块上；滑轨与出射激光处于同一直线上。

4.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述反射结构为反射平面镜或者反射膜。

5.根据权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置，其特征在于：所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

6.基于权利要求1所述的基于多纵模自混合效应的直角棱镜型角度传感测量装置的角度测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束经传感单元入射到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的转盘转动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度，具体测量分析方法如下：

对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I₀为初始光强，ΔI_j为j模式激光光强变化的幅值，φ_tj为j模式激光在外腔往返一周的相位，k_0j为真空中j模式的波数，op_t(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

式(2)中φ_0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφ_sj为转盘转动角度引起的传感单元相位变化，δφ_cj为补偿相位变化，测量角度时，δφ_sj＝-δφ_cj，op₀为激光器外腔初始光程，δop_s为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δop_c为补偿光程，n_c为外腔空气折射率，其值为1，n_s为传感单元的折射率，其值为定值，L_s为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，L_c为补偿长度；

式(3)中ω₀为激光的角频率，c为真空中的光速，n_g为激光器谐振腔介质群折射率，L₀为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φ_tj＝k_0jop_t＝2mk_0jn_gL₀＝mφ_gj 式(5)

即：

op_t＝2mn_gL₀ 式(6)

式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φ_gj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φ_tj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφ_cj，进而获得转盘转动角度引起的传感单元相位变化δφ_sj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφ_sj的关系如下式所示：

式(7)中

为传感单元中外界光程随角度变化系数，L_s0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，n_s0为传感单元材料折射率；

利用补偿相位并结合传感单元材料折射率n_s0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度L_s0、传感单元中外界光程随角度变化系数

进行计算，可得传感单元中转盘的转动角度。

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