CN112325805A - 一种入射点非转动原点psd角度检测标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种能适应入射点与转动原点不一致的情况下便捷地对待测产品旋转角度的标定的入射点非转动原点PSD角度检测标定方法。本发明在光电传感器角度检测系统上实现不同情况下的转动角度检测，特别是待测产品的激光入射点与待测产品的转动原点为不同的点时，无论是顺时针转动还是逆时针转动，均能快速地通过PSD板卡上的激光光斑移动量来计算得到待测产品发生的转动角度量，进而根据待测产品在外力作用下产生转动角度的大小来判断产品的性能是否合格。本发明应用于检测领域。

Description

一种入射点非转动原点PSD角度检测标定方法

技术领域

本发明涉及检测领域，特别涉及一种入射点非转动原点PSD（Photo SensingDiode，光敏二极管）角度检测标定方法。

背景技术

物体发生震动或受到外力而引起形变，会引起其表面发生角度变化。很多时候，通过检测这些角度变化来确定物体发生震动或受到外力作用的程度大小。目前，主要有采用便携式数字激光测震仪（PDV：Portable Digital Vibrometer）以及索尼堆栈式镜头（RS-CMOS）进行检测。PDV的检测方式是利用多普勒效应，利用接受到的震动物体对发射光速度的调制，通过算法推算出震动物体的速度，转化成相对位移，通过数学公式转换，从而把位移转换成角度的变化。而RS-CMOS的方式是利用相似三角形的原理，利用RS-CMOS位置感应器件，推导出震动物体相对位移，通过数学公式转换，从而把位移转换成角度的变化。但这两种方式均存在以下问题：都是成本太高，计算复杂，不适合量产。

此外，目前的检测方式检测得到的一般是模拟在理想状态下的测试结果，如设定激光入射点与待测产品发生转动的原点为同一个点。这与现实测量的情况（激光入射点与待测产品发生转动的原点为两个不同的点）存在较大差异，无法实现精确的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能适应入射点与转动原点不一致的情况下便捷地对待测产品旋转角度的标定的入射点非转动原点PSD角度检测标定方法。

本发明所采用的技术方案是：本发明方法通过光电传感器角度检测系统实现，所述光电传感器角度检测系统包括激光发射器、产品机台、PSD板卡，待测产品定位于所述产品机台上，外力驱使待测产品发生转动动作，所述PSD板卡通过移动马达设置，所述激光发射器对待测产品进行照射，所述PSD板卡位于待测产品反射的激光光路上且初始状态时所述PSD板卡的板面垂直于待测产品反射的激光光路，当外力使待测产品发生角度旋转时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化，

当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点相一致时，设所述激光发射器的入射光路不变，设待测产品表面发生转动角度Δθ，反射光角度转动为Δ2θ，所述PSD板卡把反射光角度的变化转换成电压的过程如下：

Δθ=K *Δδ ……………………………………(1)

Δδ= (VA-VB)/(VA+VB)…………………………(2)

其中，Δδ代表由于待测产品表面角度变化而引起的所述PSD板卡的电流检测电路检测到的电压变化，VA 和VB分别代表激光光斑在PSD板卡上移动前后的输出电压值；

由反射理论，当反射平面转动θ时，则反射激光角度变化2θ,反射点到PSD板卡的距离为L, 设从待测产品表面出射的激光在PSD板卡上的光斑发生偏移的距离为 a,则存在下面的对应关系：

a = L * tan (2θ)…………………………(3)

为了模拟待测产品的转动产生的PSD板卡电压比值的变化，保持待测产品夹具平台不动，在反射光斑垂直照射在PSD板卡上，再通过移动马达使PSD板卡发生偏移量a，记录PSD板卡VA和VB的数值变化，设Δδ和光斑偏移量a的关系因数为K1，则Δδ和光斑偏移量a的关系为：

Δδ = K1 * a……………………………………(4)

根据待测产品的角度变化和光斑在PSD板卡的位移关系式（3）并设激光在PSD板卡上的光斑位移量a与待测产品反射平面转动角θ的关系因数为K2，得出：

a = K2 *θ…………………………………………(5)

根据公式(4)和公式（5）推导出:

Δδ= K1* K2*θ …………………………………(6)

从而得出入射点和转动原点相同时的标定系数：

K=K1* K2……………………………(7)

该方法还包括以下步骤：

A、当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生顺时针旋转时，设y为反射光斑中心至旋转轴的距离，L为反射光斑中心至PSD的距离，θ为顺时针旋转角，a为PSD上光斑移动距离，将PSD板卡上光斑发生移动后的光斑中心点与发生旋转后的待测产品上的激光反射点连接，形成连接线，以连接线作为基准，经过待测产品发生旋转前的激光反射点作平行线g且该平行线g穿过所述PSD板卡，以该平行线g穿过所述PSD板卡的点与PSD板卡上的光斑发生移动后的光斑中心点之间的连线为短边b，以平行线g与所述PSD板卡的交点到待测产品发生旋转前的激光反射点之间的连线作为长边作平行四边形，以a和b的长度之和作为构成直角三角形的底边，直角三角形的锐角分别为2θ、90°-2θ；

在△PQR中QR=b，∠RQP=90°+2θ ，∠QPR=2*(30°-θ)；(两倍入射角)

在△POR中OR=y，∠ROP=θ，∠OPR=180°-60°-θ；

(a+b)为直角三角形的直角边：

………………………………(8)

根据正弦定理：

……………………(9)

……………………(10)

联立上述（3）(4)(5)三式得:

…………………(11)；

B、当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生逆时针旋转时，设y为反射光斑中心至旋转轴的距离，L为反射光斑中心至PSD的距离，β为逆时针旋转的旋转角，a为PSD上光斑移动距离，将PSD板卡上光斑发生移动后的光斑中心点与发生旋转后的待测产品上的激光反射点连接，形成连接线，以连接线作为基准，经过待测产品发生旋转前的激光反射点作平行线h且该平行线h穿过所述PSD板卡，以该平行线h穿过所述PSD板卡的点与PSD板卡上的光斑发生移动后的光斑中心点之间的连线为短边b，以平行线h与所述PSD板卡的交点到待测产品发生旋转前的激光反射点之间的连线作为长边作平行四边形，以a和b的长度之和作为构成直角三角形的底边，在△PQR中QR=b，∠RQP=90°-2β ，∠QPR=60°+ 2β ，

在△POR中PO=y，∠ROP=β，∠PRO=60°-β，

a+b为直角三角形的直角边：

………………………………………………………(12)

根据正弦定理在△PQR中:

…………………………………………… (13)

……………………………………………(14)

根据正弦定理在△OPR中：

………………………………………(15)

联立上述三式（8）（9）（10）得：

……………… (16)；

C、根据计算得到的PSD上光斑移动距离a，即可算得待测产品产生的角度旋转量，进而判断待测产品在外力作用下产生的变化量。

进一步地，所述移动马达通过马达驱动器与PLC控制器电信号连接。

所述产品机台还包括工作台、夹具和信号采集模块，所述信号采集模块配合在所述夹具下侧，所述信号采集模块与所述PLC控制器电信号连接。

所述PLC控制器外接24V电源。

所述激光发射器和所述PSD板卡由5V电源供电。

本发明的有益效果是：通过本发明方法，能够在光电传感器角度检测系统上实现不同情况下的转动角度检测，特别是待测产品的激光入射点与待测产品的转动原点为不同的点时，无论是顺时针转动还是逆时针转动，均能快速地通过PSD板卡上的激光光斑移动量来计算得到待测产品发生的转动角度量，进而根据待测产品在外力作用下产生转动角度的大小来判断产品的性能是否合格，故本发明能适应入射点与转动原点不一致的情况下便捷地对待测产品旋转角度进行标定，进而判断待测产品在外力作用下发生形变的量。

附图说明

图1是本发明方法述及的光电传感器角度检测系统的简易结构示意图；

图2是本发明在理想状态下的简易激光光路图；

图3是当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生顺时针旋转时的光路原理分析图（图中的Laser为激光发射器）；

图4是当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生逆时针旋转时的光路原理分析图（图中的Laser为激光发射器）；

图5是非原点入射时，待测产品转动角度与光斑移动距离的关系图。

具体实施方式

如图1所示，本发明通过光电传感器角度检测系统实现，所述光电传感器角度检测系统包括激光发射器1、产品机台2、PSD板卡3，待测产品定位于所述产品机台2上，外力驱使待测产品发生转动动作，所述PSD板卡3通过移动马达4设置。所述移动马达4通过马达驱动器5与PLC控制器6电信号连接。所述产品机台2还包括工作台、夹具21和信号采集模块22，所述信号采集模块22配合在所述夹具21下侧，所述信号采集模块22与所述PLC控制器6电信号连接。所述PLC控制器6外接24V电源。所述激光发射器1和所述PSD板卡3由5V电源供电。所述激光发射器1对待测产品进行照射，所述PSD板卡3位于待测产品反射的激光光路上且初始状态时所述PSD板卡3的板面垂直于待测产品反射的激光光路，当外力使待测产品发生角度旋转时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化。如图2所示，当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点相一致时，设所述激光发射器1的入射光路不变，设待测产品表面发生转动角度Δθ，反射光角度转动为Δ2θ，所述PSD板卡3把反射光角度的变化转换成电压的过程如下：

Δθ=K *Δδ ……………………………………(1)

Δδ= (VA-VB)/(VA+VB)…………………………(2)

其中，Δδ代表由于待测产品表面角度变化而引起的所述PSD板卡3的电流检测电路检测到的电压变化，VA 和VB分别代表激光光斑在PSD板卡上移动前后的输出电压值；

由反射理论，当反射平面转动θ时，则反射激光角度变化2θ,反射点到PSD板卡3的距离为L, 设从待测产品表面出射的激光在PSD板卡上的光斑发生偏移的距离为 a,则存在下面的对应关系：

a = L * tan (2θ)…………………………(3)

为了模拟待测产品的转动产生的PSD板卡电压比值的变化，保持待测产品夹具平台不动，在反射光斑垂直照射在PSD板卡上，再通过移动马达使PSD板卡发生偏移量a，记录PSD板卡VA和VB的数值变化，设Δδ和光斑偏移量a的关系因数为K1，则Δδ和光斑偏移量a的关系为：

Δδ = K1 * a ……………………………………(4)

根据待测产品的角度变化和光斑在PSD板卡的位移关系式（3）并设激光在PSD板卡上的光斑位移量a与待测产品反射平面转动角θ的关系因数为K2，得出：

a = K2 *θ…………………………………………(5)

根据公式(4)和公式（5）推导出:

Δδ= K1* K2*θ…………………………………(6)

从而得出入射点和转动原点相同时的标定系数：

K=K1* K2……………………………(7)。

该方法还包括以下步骤：

A、如图3所示，当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生顺时针旋转时，设y为反射光斑中心至旋转轴的距离，L为反射光斑中心至PSD的距离，θ为顺时针旋转角（以O为旋转中心），a为PSD上光斑移动距离，将PSD板卡上光斑发生移动后的光斑中心点与发生旋转后的待测产品上的激光反射点P连接，形成连接线，以连接线作为基准，经过待测产品发生旋转前的激光反射点R作平行线g且该平行线g穿过所述PSD板卡，以该平行线g穿过所述PSD板卡的点与PSD板卡上的光斑发生移动后的光斑中心点之间的连线为短边b，以平行线g与所述PSD板卡的交点到待测产品发生旋转前的激光反射点之间的连线作为长边作平行四边形，以a和b的长度之和作为构成直角三角形的底边，直角三角形的锐角分别为2θ、90°-2θ；

在△PQR中QR=b，∠RQP=90°+2θ ，∠QPR=2*(30°-θ)；(两倍入射角)

在△POR中OR=y，∠ROP=θ，∠OPR=180°-60°-θ；

a+b为直角三角形的直角边：

………………………………(8)

根据正弦定理：

……………………(9)

……………………(10)

联立上述（3）(4)(5)三式得:

…………………(11)。

B、如图4所示，当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生逆时针旋转时，设y为反射光斑中心至旋转轴的距离，L为反射光斑中心至PSD的距离，β为逆时针旋转的旋转角（以O为旋转中心），a为PSD上光斑移动距离，将PSD板卡上光斑发生移动后的光斑中心点与发生旋转后的待测产品上的激光反射点R连接，形成连接线，以连接线作为基准，经过待测产品发生旋转前的激光反射点P作平行线h且该平行线h穿过所述PSD板卡，以该平行线h穿过所述PSD板卡的点与PSD板卡上的光斑发生移动后的光斑中心点之间的连线为短边b，以平行线h与所述PSD板卡的交点到待测产品发生旋转前的激光反射点P之间的连线作为长边作平行四边形，以a和b的长度之和作为构成直角三角形的底边，在△PQR中QR=b，∠RQP=90°- 2β ，∠QPR=60°+ 2β ，

在△POR中PO=y，∠ROP=β，∠PRO=60°-β，

(a+b为直角三角形的直角边：

………………………………………………………(12)

根据正弦定理在△PQR中:

…………………………………………… (13)

……………………………………………(14)

根据正弦定理在△OPR中：

………………………………………(15)

联立上述三式（8）（9）（10）得：

……………… (16)；

将a取为-a 并且 β取为-β, 代入式子 (16)：

………………(17)。

可以看到公式 (11) 和公式 (17)是统一的。

当L=21.55mm，y=1mm，θ∈(-5°,5°)时PSD上光斑移动曲线如图5所示。

C、根据计算得到的PSD上光斑移动距离a，即可算得待测产品产生的角度旋转量，进而判断待测产品在外力作用下产生的变化量，根据待测产品在外力作用下产生转动角度的大小来判断产品的性能是否合格。

与现有技术相比，本发明能够在光电传感器角度检测系统上实现不同情况下的转动角度检测，特别是待测产品的激光入射点与待测产品的转动原点为不同的点时，无论是顺时针转动还是逆时针转动，均能快速地通过PSD板卡上的激光光斑移动量来计算得到待测产品发生的转动角度量，进而根据待测产品在外力作用下产生转动角度的大小来判断产品的性能是否合格，故本发明能适应入射点与转动原点不一致的情况下便捷地对待测产品旋转角度进行标定。

Claims (5)

1.一种入射点非转动原点PSD角度检测标定方法，该方法通过光电传感器角度检测系统实现，所述光电传感器角度检测系统包括激光发射器（1）、产品机台（2）、PSD板卡（3），待测产品定位于所述产品机台（2）上，外力驱使待测产品发生转动动作，所述PSD板卡（3）通过移动马达（4）设置，所述激光发射器（1）对待测产品进行照射，所述PSD板卡（3）位于待测产品反射的激光光路上且初始状态时所述PSD板卡（3）的板面垂直于待测产品反射的激光光路，当外力使待测产品发生角度旋转时，激光在待测产品上的入射角或反射角发生变化，

当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点相一致时，设所述激光发射器（1）的入射光路不变，设待测产品表面发生转动角度Δθ，反射光角度转动为Δ2θ，所述PSD板卡（3）把反射光角度的变化转换成电压的过程如下：

Δθ=K *Δδ ……………………………………(1)

Δδ= (VA-VB)/(VA+VB)…………………………(2)

其中，Δδ代表由于待测产品表面角度变化而引起的所述PSD板卡（3）的电流检测电路检测到的电压变化，VA 和VB分别代表激光光斑在PSD板卡上移动前后的输出电压值；

由反射理论，当反射平面转动θ时，则反射激光角度变化2θ,反射点到PSD板卡（3）的距离为L, 设从待测产品表面出射的激光在PSD板卡上的光斑发生偏移的距离为 a,则存在下面的对应关系：

a = L * tan (2θ)…………………………(3)

为了模拟待测产品的转动产生的PSD板卡电压比值的变化，保持待测产品夹具平台不动，在反射光斑垂直照射在PSD板卡上，再通过移动马达使PSD板卡发生偏移量a，记录PSD板卡VA和VB的数值变化，设Δδ和光斑偏移量a的关系因数为K1，则Δδ和光斑偏移量a的关系为：

Δδ = K1 * a……………………………………(4)

根据待测产品的角度变化和光斑在PSD板卡的位移关系式（3）并设激光在PSD板卡上的光斑位移量a与待测产品反射平面转动角θ的关系因数为K2，得出：

a = K2 *θ…………………………………………(5)

根据公式(4)和公式（5）推导出:

Δδ= K1* K2*θ …………………………………(6)

从而得出入射点和转动原点相同时的标定系数：

K=K1* K2……………………………(7)

其特征在于，该方法还包括以下步骤：

A、当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生顺时针旋转时，设y为反射光斑中心至旋转轴的距离，L为反射光斑中心至PSD的距离，θ为顺时针旋转角，a为PSD上光斑移动距离，将PSD板卡上光斑发生移动后的光斑中心点与发生旋转后的待测产品上的激光反射点连接，形成连接线，以连接线作为基准，经过待测产品发生旋转前的激光反射点作平行线g且该平行线g穿过所述PSD板卡，以该平行线g穿过所述PSD板卡的点与PSD板卡上的光斑发生移动后的光斑中心点之间的连线为短边b，以平行线g与所述PSD板卡的交点到待测产品发生旋转前的激光反射点之间的连线作为长边作平行四边形，以a和b的长度之和作为构成直角三角形的底边，直角三角形的锐角分别为2θ、90°-2θ；

在△PQR中QR=b，∠RQP=90°+2θ，∠QPR=2*(30°-θ)；

在△POR中OR=y，∠ROP=θ，∠OPR=180°-60°-θ；

a+b为直角三角形的直角边：

………………………………(8)

根据正弦定理：

……………………(9)

……………………(10)

联立上述（3）(4)(5)三式得:

…………………(11)；

B、当激光在待测产品表面的入射点与待测产品发生旋转的原点不一致且待测产品发生逆时针旋转时，设y为反射光斑中心至旋转轴的距离，L为反射光斑中心至PSD的距离，β为逆时针旋转的旋转角，a为PSD上光斑移动距离，将PSD板卡上光斑发生移动后的光斑中心点与发生旋转后的待测产品上的激光反射点连接，形成连接线，以连接线作为基准，经过待测产品发生旋转前的激光反射点作平行线h且该平行线h穿过所述PSD板卡，以该平行线h穿过所述PSD板卡的点与PSD板卡上的光斑发生移动后的光斑中心点之间的连线为短边b，以平行线h与所述PSD板卡的交点到待测产品发生旋转前的激光反射点之间的连线作为长边作平行四边形，以a和b的长度之和作为构成直角三角形的底边，在△PQR中QR=b，∠RQP=90°-2β，∠QPR=60°+ 2β，

在△POR中PO=y，∠ROP=β，∠PRO=60°-β，

a+b为直角三角形的直角边：

………………………………………………………(12)

根据正弦定理在△PQR中:

…………………………………………… (13)

……………………………………………(14)

根据正弦定理在△OPR中：

………………………………………(15)

联立上述三式（8）（9）（10）得：

………………(16)；

C、根据计算得到的PSD上光斑移动距离a，即可算得待测产品产生的角度旋转量，进而判断待测产品在外力作用下产生的变化量。

2.根据权利要求1所述的一种入射点非转动原点PSD角度检测标定方法，其特征在于：所述移动马达（4）通过马达驱动器（5）与PLC控制器（6）电信号连接。

3.根据权利要求2所述的一种入射点非转动原点PSD角度检测标定方法，其特征在于：所述产品机台（2）还包括工作台、夹具（21）和信号采集模块（22），所述信号采集模块（22）配合在所述夹具（21）下侧，所述信号采集模块（22）与所述PLC控制器（6）电信号连接。

4.根据权利要求2所述的一种入射点非转动原点PSD角度检测标定方法，其特征在于：所述PLC控制器（6）外接24V电源。

5.根据权利要求2所述的一种入射点非转动原点PSD角度检测标定方法，其特征在于：所述激光发射器（1）和所述PSD板卡（3）由5V电源供电。

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