CN112648986A - 一种高精度光电摆及其倾斜角度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高精度光电摆及其倾斜角度计算方法，所述光电摆包括光电摆本体、光反射面、光发射装置、光接收装置及电桥电路，所述光反射面设置为2个且相连对称设置于光电摆本体端部的摆锤平面上，所述光反射面与摆锤平面的夹角为22.5度，光接收装置设置为2个，所述光接收装置对称设置于光发射装置的两侧，所述光接收装置按照特定角度接收光线同时进行光电转换，2个光接收装置分别接入电桥电路的两个桥臂，所述电桥电路测量2个光接收装置输出的电信号差值。与传统电磁摆相比，本发明利用接收光电管的光电转换特性和光的反射原理，通过简单的组装，即可完成“摆”的功能，具有成本低廉、精度高、抗干扰能力强、制作工艺简单的优点。

Description

一种高精度光电摆及其倾斜角度计算方法
技术领域
本发明属于船舶导航技术领域，特别是涉及一种高精度光电摆及其倾斜角度计算方法。
背景技术
长久以来，陀螺罗经作为一种能够准确寻找地理北向的导航仪器，在各类船舶上得到广泛应用，成为海上导航的主要仪器。
“摆”是单转子电磁控制陀螺罗经寻北的重要组成部分,其作用是敏感陀螺主轴高度角信号,控制力矩器产生控制力矩,进而抵消主轴视运动，使得陀螺主轴稳定指北，现有电控罗经电磁摆的测量范围要求达到±40′即可。
传统摆是使用电磁感应原理，将“8”字线圈紧贴在摆锤上，摆锤正上方固定电磁铁，产生交变磁场，当“摆”水平时，摆锤处于电磁铁正下方，“8”字线处于交变磁场正中心，两线圈产生电压抵消；当“摆”不水平时，摆锤相对于电磁铁有偏心，此时根据输出电压的大小和方向即能计算出倾斜角度及方向。
这种以电磁感应原理制成的电磁摆不可避免存在分布电容和两线圈间的相互干扰，零位电压无法真正为零。另外，电磁摆输出信号为毫伏级交流高阻抗弱信号，抗干扰能力较差，且“摆”安装于陀螺球上，处于强电磁干扰环境中，极容易受到电磁波干扰，输出摆信号波动明显，直接影响系统的控制精度。另外制作工艺非常复杂，需要使用很细的漆包线绕成左右对称的“8”字线圈，绕制圈数及绕制形状均会影响其对称性，进而影响输出精度，要求生产工人具有丰富的工作经验和高超的操作水平，零位调整复杂，费工费时，产品合格率低，长期以来成本居高不下。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高精度光电摆，用于解决现有技术中电磁摆精度低、抗干扰能力差、制作成本高的问题。此外，本发明还要提供一种高精度光电摆的倾斜角度计算方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种高精度光电摆，包括光电摆本体、光反射面、光发射装置、光接收装置及电桥电路，所述光反射面设置为2个且相连对称设置于所述光电摆本体端部的摆锤平面上，所述光反射面与摆锤平面的夹角为22.5度，所述光接收装置设置为2个，所述光接收装置对称设置于所述光发射装置的两侧，所述光接收装置按照特定角度接收光线同时进行光电转换，2个所述光接收装置分别接入电桥电路的两个桥臂，所述电桥电路测量2个光发射装置输出的电信号差值。
作为优选的技术方案，所述光发射装置为发光二极管，所述光接收装置为接收光电管。
作为优选的技术方案，所述光电摆本体的偏转角度为0度时，所述发光二极管发出的光打在两个光反射面的连接点。
本发明的第二方面，提供一种高精度光电摆的倾斜角度计算方法，采用上述的用高精度光电摆，光电摆本体的倾斜角度值与两个光接收装置的电信号差值呈一阶函数关系，由以下拟合函数表达：y＝a0+a1*x。
其中，所述函数式的拟合方法为：获取多组光电摆本体真实倾斜角度数据及电信号差值数据，当倾斜角度范围为±1度时，通过MATLAB计算，得到a0为0.0007286，a1为0.0008977。
其中，所述光电摆本体的真实角度与拟合角度的非线性误差由以下公式计算ε＝ΔL/YFS*100％，ε为非线性误差百分比，ΔL为多组数据中真实角度与拟合角度的最大差值，所述YFS为测量量程。
其中，所述非线性误差为0.07％。
本发明用高精度光电摆的工作原理为：发光二极管按照一定散射角发光，接收光电管接收反射面反射的光，当光电摆本体水平时，反射面的连接点在两个接收光电管的中垂线上，两个接收光电管接收到的光强度相同，输出电压相等。当光电摆本体倾斜时，反射面的连接点偏离两个接收光电管的中垂线，两个接收光电管接收的光线即会存在差异，这种差异打破电桥平衡，输出电压不为零，根据电压的输出大小与正负，即能计算出光电摆的倾斜角度大小及方向。
如上所述，本发明的高精度光电摆，具有以下有益效果：与传统电磁摆相比，本发明利用接收光电管的光电转换特性和光的反射原理，通过简单的组装，即可完成“摆”的功能，具有成本低廉、精度高、抗干扰能力强、制作工艺简单的优点。
附图说明
图1为本发明高精度光电摆的结构示意图。
图2为本发明高精度光电摆的电路原理图。
图3为本发明高精度光电摆在第一状态下的结构示意图。
图4为图3的局部放大图。
图5为本发明高精度光电摆在第二状态下的结构示意图。
图6为图5的局部放大图。
图7为本发明测量±1°范围倾斜角度时电压输出及拟合角度的关系图。
图8为本发明测量±1°范围倾斜角度时电压输出与角度误差的关系图。
其中，附图标记具体说明如下：光电摆本体1、光反射面2、发光二极管3、接收光电管4。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图7。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
请参阅图1及图2，本实施例提供一种高精度光电摆，包括光电摆本体1及反射装置，反射装置包括两个光反射面2，两个光反射面2与光电摆本体1端部摆锤平面的夹角为22.5度，对称的固定在摆锤平面上，按照特定的角度反射发光二极管3发出的光。
该光电摆还包括光发出及光接收装置，即包括一个发光二极管3及两个接收光电管4，两个接收光电管4对称排列于发光二极管3的两边，按照特定的角度接收光反射面2发出的光线，同时对接收到的光进行光电转换。当光电摆本体1的偏转角度为0度时，发光二极管3发出的光打在两个光反射面2的连接点。
该光电摆还包括电桥电路，两个接收光电管4分别接入电桥电路的两个桥臂，用于测量两个接收光电管4输出的电信号的差值(即电压)。
如图3至图6所示，发光二极管3按照一定的散射角发光，接收光电管4接收光反射面2反射的光，当“摆”水平时，反射面的连接点在两个接收光电管4中垂线上，两个接收光电管4接收到的光强度相同，输出电压相等，电桥电路输出电压相等。当“摆”倾斜时，光反射面2的连接点偏离两个接收光电管4的中垂线，两个接收光电管4接收的光线即会存在差异，这种差异打破电桥平衡，输出电压不为零。根据电压输出的大小及正负，即能计算出“摆”倾斜的角度大小及方向。
根据表1的数据，当倾斜角度范围为±1度时，通过MATLAB计算，进行函数的拟合，光电摆本体1的倾斜角度与接收光电摆的电压差值呈一阶函数关系，由以下函数进行表达：y＝a0+a1*x，经计算得到a0为0.0007286，a1为0.0008977。如图7所示，真实角度与电压值之间的函数曲线与拟合角度与电压值之间的函数曲线几乎完全重合。光电摆本体1的真实角度与拟合角度的非线性误差由以下公式计算ε＝ΔL/YFS*100％，ε为非线性误差百分比，ΔL为多组数据中真实角度与拟合角度的最大差值，真实角度与拟合角度的差值数据如图8所示，YFS为测量量程，本实施例中取2°，ΔL为0.0014°，计算得到非线性误差百分比为0.07％。
表1真实倾斜角度与拟合角度的关系表
序号 真实角度(°) 电压值(mV) 拟合角度(°)
1 -1.0 -1115.6 -1.0008
2 -0.8 -891.1 -0.7993
3 -0.5 -558.2 -0.5004
4 -0.3 -334.4 -0.2995
5 -0.2 -222.8 -0.1993
6 -0.15 -167.0 -0.1492
7 -0.1 -112.8 -0.1005
8 -0.05 -56.7 -0.0502
9 0 -1.4 -0.0005
10 0.05 54.0 0.0492
11 0.1 110.3 0.0998
12 0.15 166.2 0.1499
13 0.2 223.5 0.2014
14 0.3 332.7 0.2994
15 0.5 555.8 0.4997
16 0.8 891.5 0.8011
17 1.0 1112.2 0.9992
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种高精度光电摆，其特征在于，包括光电摆本体、光反射面、光发射装置、光接收装置及电桥电路，所述光反射面设置为2个且相连对称设置于所述光电摆本体端部的摆锤平面上，所述光反射面与摆锤平面的夹角为22.5度，所述光接收装置设置为2个，所述光接收装置对称设置于所述光发射装置的两侧，所述光接收装置按照特定角度接收光线同时进行光电转换，2个所述光接收装置分别接入电桥电路的两个桥臂，所述电桥电路测量2个光接收装置输出的电信号差值。
2.如权利要求1所述的一种高精度光电摆，其特征在于，所述光发射装置为发光二极管，所述光接收装置为接收光电管。
3.如权利要求2所述的一种高精度光电摆，其特征在于，所述光电摆本体的偏转角度为0度时，所述发光二极管发出的光打在两个光反射面的连接点。
4.一种高精度光电摆的倾斜角度计算方法，采用权利要求1-3任一项所述的用高精度光电摆，其特征在于，光电摆本体的倾斜角度值与两个光接收装置的电信号差值呈一阶函数关系，由以下拟合函数表达：y＝a0+a1*x。
5.如权利要求4所述的一种高精度光电摆的倾斜角度计算方法，其特征在于，所述函数式的拟合方法为：获取多组光电摆本体真实倾斜角度数据及电信号差值数据，通过MATLAB计算，当倾斜角度范围为±1度时，得到a0为0.0007286，a1为0.0008977。
6.如权利要求5所述的一种高精度光电摆的倾斜角度计算方法，其特征在于，所述光电摆本体的真实角度与拟合角度的非线性误差由以下公式计算ε＝ΔL/YFS*100％，ε为非线性误差百分比，ΔL为多组数据中真实角度与拟合角度的最大差值，所述YFS为测量量程。
7.如权利要求6所述的一种高精度光电摆的倾斜角度计算方法，其特征在于，所述非线性误差为0.07％。
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