CN112146574B - 一种高精度的非接触式动态角度测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的非接触式动态角度测量装置及其方法，属于非接触式动态角度测量领域。本装置包括转动角度测量工装、激光位移传感器、转台；所述的转动角度测量工装安装在转台的水平平面上，所述的激光位移传感器安装在转动角度测量工装的正上方，使得激光垂直入射到转动角度测量工装的周期性结构螺线结构上，在转台转动时，根据激光位移传感器测量得到位移数据即可解算出转动的角度。上位机可以通过预设的转动方向判断选择的程序并记录起始位置的高度，在工作过程中，只需实时记录当前位置的高度值，以及出现的最高点或最低点的次数，即可快速完成旋转角度的计算，计算量小，保证了输出结果的实时性。

Description

一种高精度的非接触式动态角度测量装置及其方法

技术领域

本发明属于非接触式动态角度测量技术领域，具体涉及一种高精度的非接触式动态角度测量装置及其方法。

背景技术

随着科学技术的发展，先进的非接触式光学测试设备被用于各个领域，同时，人们对于设备的精度要求越来越高。在转台上进行转动实验时，由于转台无法输出自身的转动数据，通常采用光纤陀螺对转台转动情况进行测量，但是光纤陀螺存在零偏以及长时间测量结果漂移的问题，无法满足对转台转动角度的高精度测量需求。因此，需要一套高精度的非接触式动态测角装置，能长时间准确测量转台转动的角度且不发生结果漂移问题。

对于转动角度的测量，主要有非光学测量法和光学测量法。非光学测量方法主要有扫描探针显微镜法和电容电感法测量法，即通过探针原子与被测物体表面原子的相互作用来进行测量，该方法测量精度高，甚至可以直接探测被测物表面的原子结构，但是由于其是接触式的测量方法，在测量时会对被测物表面形貌造成影响。光学测量方法主要有光斑位置检测法和干涉法，传统的光斑位置检测法，采用3台激光器，将3束光聚焦在安装于被测物表面的CCD光电传感器上的同一点，根据CCD获得的3个光斑的移动距离，解算获得被测物在空间中的转动角度，该方法具有较大的测量范围，但是其精度受CCD等光电传感像元大小的制约，同时，安装在被测物上的CCD光电传感器会影响被测物的转动姿态，对测试精度产生较大影响。干涉法通过光的干涉效应，将转动角度这一物理量转换成光的调相信号，从而将微小的转动量转换成易观测的光强量。但是，干涉法的空间光路容易受环境因素影响。

发明内容

针对现有技术无法满足对转台转动角度的测量精度的问题，本发明提供了一种高精度的非接触式动态角度测量装置及其方法，通过设置在转台上的带有周期性锯齿形螺线结构的转动角度测量工装、以及固定安装在周期性锯齿形螺线结构上方的激光位移传感器，能够实现转动角度的非接触式测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度的非接触式动态角度测量装置，包括转动角度测量工装、激光位移传感器和转台；所述的转动角度测量工装同轴安装在转台水平面上，所述的激光位移传感器垂直吊装在转动角度测量工装上方；所述的转动角度测量工装包括圆盘底座和锯齿形螺线结构，锯齿形螺线结构以圆盘底座中轴为圆心呈环形阵列分布，相邻的两个锯齿形螺线结构首尾相连；激光位移传感器发射的激光入射到锯齿形螺线结构的倾斜平面上。

采用上述装置测量转台的角度时，首先将转动角度测量工装固定在转台水平面，使得转动角度测量工装与转台同轴；调整激光位移传感器的吊挂高度和位置，保证激光位移传感器发射的激光入射至锯齿形螺线结构的倾斜平面上，并将激光位移传感器连接上位机；

然后启动上位机、激光位移传感器和转台，预设转动方向，开启转动实验；激光位移传感器发射测试激光并入射到锯齿形螺线结构的倾斜平面上，在转台转动过程中，激光位移传感器实时输出激光发射点与入射点之间的高度值，并由上位机记录高度变化曲线；所述高度变化曲线起始时入射点位置标记为A，当前时刻的入射点位置标记为B；

最后根据上位机记录的标记入射点位置A与标记入射点位置B之间的高度变化曲线解算出转台实时转动的角度。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

(1)本发明设计的测量装置采用了光学测量法，不会对被测物体的表面形貌产生影响，测量过程中仅需要一台激光位移传感器即可完成测量工作，无需将多台激光位移传感器进行聚焦处理，避免了聚焦过程产生的误差影响。

(2)本发明设计的测量工装可以直接安装在转台上，在转动角度测量过程中，整个过程仅需通过激光位移传感器测量数据，无需与物体产生接触，不会影响被测物体的转动姿态，能够在长时间工作过程中避免结果漂移问题。

(3)本发明测量装置的测量精度可调，只需更换测量工装即可，周期性锯齿形螺线结构越多，螺距越高，转动角度的测量精度越高。上位机可以通过预设的转动方向判断选择的程序并记录起始位置的高度，在工作过程中，只需实时记录当前位置的高度值，以及出现的最高点或最低点的次数，即可快速完成旋转角度的计算，计算量小，保证了输出结果的实时性。

附图说明

图1是高精度的非接触式动态角度测量装置的结构示意图；

图2是转动角度测量工装的结构示意图；

图3是转动时激光光斑位置变化示意图；

图4是螺线结构按母线展开示意图；

图5是顺时针转动，

且激光束在转台转动过程中入射在1个锯齿形螺线结构时，位移传感器获得的高度变化曲线；

图6是顺时针转动，

且激光束在转台转动过程中入射在2个锯齿形螺线结构时，位移传感器获得的高度变化曲线；

图7是顺时针转动，

时位移传感器获得的高度变化曲线；

图8是逆时针转动，

且激光束在转台转动过程中入射在1个锯齿形螺线结构时，位移传感器获得的高度变化曲线；

图9是逆时针转动，

且激光束在转台转动过程中入射在2个锯齿形螺线结构时，位移传感器获得的高度变化曲线；

图10是逆时针转动，

时位移传感器获得的高度变化曲线；

图中，1转动角度测量工装、2激光位移传感器、3转台、11下圆盘、12上圆盘、13锯齿形螺线结构。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1-3所示，一种高精度的非接触式动态角度测量装置包括转动角度测量工装1、激光位移传感器2、转台3。所述的转动角度测量工装1同轴安装在转台3水平面上，所述的激光位移传感器2垂直吊装在转动角度测量工装1上方；所述的转动角度测量工装1包括圆盘底座和锯齿形螺线结构13，锯齿形螺线结构以圆盘底座中轴为圆心呈环形阵列分布，相邻的两个锯齿形螺线结构首尾相连；激光位移传感器2发射的激光入射到锯齿形螺线结构的倾斜平面上。在转台3转动时，根据激光位移传感器2测量得到高度差数据即可解算出转动的角度。

如图2所示，在本发明的一项具体实施中，圆盘底座包括下圆盘11和上圆盘12，所述的上圆盘同轴安装在下圆盘上，上圆盘的直径小于下圆盘的直径，上圆盘的外壁与下圆盘的上表面之间形成定位安装槽，起固定作用。呈环形阵列分布的锯齿形螺线结构固定安装在所述的定位安装槽中，锯齿形螺线结构的倾斜平面与上圆盘的外壁垂直。进一步的，所述的锯齿形螺线结构沿下圆盘母线展开后呈直角三角形，激光点仅在直角三角形的斜边所在平面上移动。所述环形阵列中的锯齿形螺线结构数量为15-25，在本实施例中优选为20个。

如图3所示，当控制转台2转动时，入射在锯齿形螺线结构13上的激光光斑从A₁移动到A₂，通过激光位移传感器2可以获得A₁和A₂的高度差Δh，根据公式

即可解算出转动的角度。

并可知，锯齿形螺线结构13越多，转动角度的测量精度越高，图2中采用的是20个相同锯齿形螺线结构13，锯齿形螺线结构13的螺距即为中心圆盘12和外圈圆盘11的高度差。

具体原理如下：

如图4所示，将激光入射的锯齿形螺线结构13按其母线展开，可得：

L＝2πR/n

其中，L为单个锯齿形螺线结构13的长度，R为转动测量工装的外圈圆盘半径11。

锯齿形螺线结构13的螺旋角

其中，h为锯齿形螺线结构13的螺距，所以，从图中可得

其中，Δh为激光位移传感器2测得的高度变化量，ΔL即为转动角度测量工装1在转台3上转过的弧长。

换算得到：

由于锯齿形螺线结构13的螺旋角α是其结构参数，其值固定，因此ΔL和Δh成线性关系。

根据弧长公式：ΔL＝R*Δθ，可知弧长和角度成线性关系，亦即Δθ和Δh成线性关系。

因此，当采用n个周期性锯齿形螺线结构13时，即将一圈360°的角度等分成了n个

的角度，因此，首先可将Δθ分为激光束扫过整数个锯齿形螺线结构测得的周期性高度变化Δh_i所对应的角度Δθ_i和不足整数个锯齿形螺线结构的高度变化Δh_d所对应的角度Δθ_d，即：

Δh＝Δh_i+Δh_d

Δθ＝Δθ_i+Δθ_d

由于转台可以在单轴内双向转动，因此对于转台沿顺时针和逆时针两种方向转动时，应采用不同的计算方式，具体如下：

1.当转台沿顺时针转动(从上往下看)时，激光点从每一个锯齿形螺线结构倾斜平面的高处移动至低处，位移传感器获得的高度变化曲线中每一个高度变化周期均从曲线最低点b至曲线最高点a；转台实时转动的角度计算步骤如下：

根据标准曲线的最高点a、最低点b以及实时获得的顺时针高度变化曲线，判断起始位置点A与标准曲线的最高点a之间的距离Δh_1p；实时计算当前位置点B与标准曲线的最低点b之间的距离Δh_2p；由计数器实时记录高度变化曲线中的最低点个数j，起始位置A位于最低点处时不计入内，即初始时刻j＝0；上位机读取实时记录结果，计算并显示转台实时转动的角度：

下面对各种情况进行说明：

1.当转动角度

时，即Δh_i＝0，此时分两种情况进行讨论：

(1)如图5所示，激光束只入射在一个锯齿形螺线结构13上，此时j＝0，可得如下关系式：

Δh_d＝Δh_1p+Δh_2p-h

(2)如图6所示，激光束在转台转动过程中入射在2个锯齿形螺线结构13上，如图5所示，激光束光斑从A点随着转台2转动移动到B点，此时i＝1，可得如下关系式：

Δh_d＝Δh_1p+Δh_2p

2.当转动角度

时：

如图7所示，

Δh_d＝Δh_1p+Δh_2p

综上所述：当预设转台沿顺时针转动(从上往下看)时，

当预设转动方向为逆时针方向时，激光点从每一个锯齿形螺线结构倾斜平面的低处移动至高处，形成的高度变化曲线中每一个高度变化周期均从曲线最高点a至曲线最低点b；转台实时转动的角度计算步骤如下：

根据标准曲线的最高点a、最低点b以及实时获得的逆时针高度变化曲线，判断起始位置点A与标准曲线的最低点b之间的距离Δh_1n；实时计算当前位置点B与标准曲线的最高点a之间的距离Δh_2n；由计数器实时记录高度变化曲线中的最高点个数i，起始位置A位于最高点处时不计入内，即初始时刻i＝0；上位机读取实时记录结果，计算并显示转台实时转动的角度：

下面对各种情况进行说明：

1.当转动角度

时，即Δh_i＝0，此时分两种情况进行讨论：

(1)如图8所示，激光束只入射在一个锯齿形螺线结构13上，此时j＝0，可得如下关系式：

Δh_d＝Δh_1p+Δh_2p-h

(2)如图9所示，激光束在转台转动过程中入射在2个锯齿形螺线结构13上，如图5所示，激光束光斑从A点随着转台2转动移动到B点，此时i＝1，可得如下关系式：

Δh_d＝Δh_1p+Δh_2p

2.当转动角度

时：

如图10所示，

Δh_d＝Δh_1p+Δh_2p

综上所述：当预设转台沿逆时针转动(从上往下看)时，

本发明的高精度的非接触式动态角度测量装置的具体工作方法为：

步骤1：将转动角度测量工装1固定在转台水平面，使得转动角度测量工装1与转台同轴；调整激光位移传感器的吊挂高度和位置，保证激光位移传感器发射的激光入射至锯齿形螺线结构的倾斜平面上，并将激光位移传感器连接上位机；

步骤2：启动上位机、激光位移传感器和转台，预设转动方向，开启转动实验；激光位移传感器发射测试激光并入射到锯齿形螺线结构的倾斜平面上，在转台转动过程中，激光位移传感器实时输出激光发射点与入射点之间的高度值，并由上位机记录高度变化曲线；所述高度变化曲线起始时入射点位置标记为A，当前时刻的入射点位置标记为B；

步骤3：根据上位机记录的标记入射点位置A与标记入射点位置B之间的高度变化曲线解算出转台实时转动的角度。

解算过程总结如下：

转台顺时针转动时，记录起始位置点A与标准曲线的最高点a之间的距离Δh_1p，当前位置点B与标准曲线的最低点b之间的距离Δh_2p以及高度变化曲线中的最低点个数j，代入公式

转台逆时针转动时，记录起始位置点A与标准曲线的最低点b之间的距离Δh_1n，当前位置点B与标准曲线的最高点a之间的距离Δh_2n，高度变化曲线中的最高点个数i，代入公式

由上述过程可以看出，本发明将角度测量转换为了距离测量，通过在转动过程中，对与转动角度成正比的距离进行测量，从而解算出转动角度。周期性锯齿形螺线结构越多，螺距越高，转动角度的测量精度越高，可以实时对转台转动角度进行测量。

上位机可以通过预设的转动方向判断选择的程序并记录起始位置的高度，在工作过程中，只需实时记录当前位置的高度值，以及出现的最高点或最低点的次数，即可快速完成旋转角度的计算，计算量小，保证了输出结果的实时性。在转动角度测量过程中，整个过程仅需通过激光位移传感器测量数据，无需与物体产生接触，不会影响被测物体的转动姿态，能够在长时间工作过程中避免结果漂移问题。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高精度的非接触式动态角度测量装置，其特征在于，包括转动角度测量工装(1)、激光位移传感器(2)和转台(3)；所述的转动角度测量工装(1)同轴安装在转台(3)水平面上，所述的激光位移传感器(2)垂直吊装在转动角度测量工装(1)上方；所述的转动角度测量工装(1)包括圆盘底座和锯齿形螺线结构(13)，锯齿形螺线结构以圆盘底座中轴为圆心呈环形阵列分布，相邻的两个锯齿形螺线结构首尾相连；激光位移传感器(2)发射的激光入射到锯齿形螺线结构的倾斜平面上；

所述的圆盘底座包括下圆盘(11)和上圆盘(12)，所述的上圆盘同轴安装在下圆盘上，上圆盘的直径小于下圆盘的直径，上圆盘的外壁与下圆盘的上表面之间形成定位安装槽；呈环形阵列分布的锯齿形螺线结构固定安装在所述的定位安装槽中，锯齿形螺线结构的倾斜平面与上圆盘的外壁垂直。

2.根据权利要求1所述的一种高精度的非接触式动态角度测量装置，其特征在于，所述的锯齿形螺线结构沿下圆盘母线展开后呈直角三角形。

3.根据权利要求1所述的一种高精度的非接触式动态角度测量装置，其特征在于，所述环形阵列中的锯齿形螺线结构数量为15-25。

4.一种根据权利要求1所述高精度的非接触式动态角度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将转动角度测量工装(1)固定在转台水平面，使得转动角度测量工装(1)与转台同轴；调整激光位移传感器的吊挂高度和位置，保证激光位移传感器发射的激光入射至锯齿形螺线结构的倾斜平面上，并将激光位移传感器连接上位机；

步骤2：启动上位机、激光位移传感器和转台，预设转动方向，开启转动实验；激光位移传感器发射测试激光并入射到锯齿形螺线结构的倾斜平面上，在转台转动过程中，激光位移传感器实时输出激光发射点与入射点之间的高度值，并由上位机记录高度变化曲线；所述高度变化曲线起始时入射点位置标记为A，当前时刻的入射点位置标记为B；

步骤3：根据上位机记录的标记入射点位置A与标记入射点位置B之间的高度变化曲线解算出转台实时转动的角度。

5.根据权利要求4所述的高精度的非接触式动态角度测量装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：

当预设转动方向为顺时针方向时，激光点从每一个锯齿形螺线结构倾斜平面的高处移动至低处，激光位移传感器获得的高度变化曲线中每一个高度变化周期均从曲线最低点b至曲线最高点a；转台实时转动的角度计算步骤如下：

根据标准曲线的最高点a、最低点b以及实时获得的顺时针高度变化曲线，判断起始位置点A与标准曲线的最高点a之间的距离Δh_1p；实时计算当前位置点B与标准曲线的最低点b之间的距离Δh_2p；由计数器实时记录高度变化曲线中的最低点个数j，起始位置A位于最低点处时不计入内，即初始时刻j＝0；上位机读取实时记录结果，计算并显示转台实时转动的角度：

n为锯齿形螺线结构的数量，h为锯齿形螺线结构的螺距；

当预设转动方向为逆时针方向时，激光点从每一个锯齿形螺线结构倾斜平面的低处移动至高处，激光位移传感器获得的高度变化曲线中每一个高度变化周期均从曲线最高点a至曲线最低点b；转台实时转动的角度计算步骤如下：

根据标准曲线的最高点a、最低点b以及实时获得的逆时针高度变化曲线，判断起始位置点A与标准曲线的最低点b之间的距离Δh_1n；实时计算当前位置点B与标准曲线的最高点a之间的距离Δh_2n；由计数器实时记录高度变化曲线中的最高点个数i，起始位置A位于最高点处时不计入内，即初始时刻i＝0；上位机读取实时记录结果，计算并显示转台实时转动的角度：

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