CN113124783B - 基于旋转偏光片的角度测量装置及其角度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转偏光片的角度测量装置及其角度计算方法，包括主动转轴、三个空心轴、四个偏光片、光源、三个光电感应器和信号处理装置；三个空心轴分别与主动转轴传动连接，且传动比均为2；三个偏光片分别设置于三个空心轴中，且位于同一径向平面；主动转轴的一端与待测旋转件连接；光源位于所述主动转轴的一端，且均匀照射三个偏光片；第四偏光片位于主动转轴的另一端，且与三个偏光片平行；三个光电感应器设置于第四偏光片上，且分别与三个空心轴对应，信号处理装置分别与三个光电感应器连接。本发明可实现旋转角度的测量。

Description

基于旋转偏光片的角度测量装置及其角度计算方法

技术领域

本发明涉及角度测量技术领域，尤其涉及一种基于旋转偏光片的角度测量装置及其角度计算方法。

背景技术

角度传感器是一种能够感知被测角度并将其转换为可用输出信号的传感器。角度传感器作为传感器中的一个大类，它既可以测量角度，也可以测量物体的加速度、速度、位移。在建筑、矿业、机械工业、军工业等领域都有广泛的应用。

目前的角度传感器通常指旋转编码器，内部在轴上安装有光栅，通过轴的旋转，切割光栅，举例说，对于360脉冲的产品，每圈输出360脉冲，则一个脉冲代表1°，还有绝对值型的旋转编码器，输出信号是固定对应角度的，输出二进制，BCD或格雷码等。还有一种就是霍尔式的角度传感器，主要是通过磁场来检测角度变化。

本发明旨在提出一种新型的角度传感器及其角度计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于旋转偏光片的角度测量装置及其角度计算方法，可实现旋转角度的测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于旋转偏光片的角度测量装置，包括主动转轴、第一空心轴、第二空心轴、第三空心轴、第一偏光片、第二偏光片、第三偏光片、第四偏光片、光源、第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器和信号处理装置；

所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴分别与所述主动转轴传动连接，且传动比均为2；所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片分别一一对应地设置于所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴中，且位于同一径向平面；所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的偏振化方向互成120°角；

所述主动转轴的一端与待测旋转件连接；所述光源位于所述主动转轴的一端，且均匀照射所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片；所述第四偏光片位于所述主动转轴的另一端，且与所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片平行；所述第四偏光片在所述同一径向平面的投影覆盖所述主动转轴、第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴；

所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器分别设置于所述第四偏光片远离所述光源的一面上，且分别与所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴一一对应；所述信号处理装置分别与所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器连接。

本发明还提出基于如上所述的角度测量装置的角度计算方法，包括：

根据第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器输出的电压信号，标定得到最高电压值和最低电压值；

根据预设的计算周期，采集第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器的电压信号，得到第一电压值、第二电压值和第三电压值；

根据一计算周期对应的第一电压值、第二电压值和第三电压值以及所述最高电压值和最低电压值，计算所述一计算周期对应的角度；

根据所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度，计算所述一计算周期对应的旋转角度；

根据待测旋转件旋转前至旋转后期间内的各计算周期对应的旋转角度，计算所述待测旋转件的旋转角度。

本发明的有益效果在于：当待测旋转件旋转时，带动主动转轴同步旋转，而主动转轴又带动三个空心轴旋转，使得三个空心轴中的偏光片进行旋转，而第四偏光片是固定的，因此三个空心轴中的偏光片和第四偏光片的偏振化方向的夹角在不断地进行变化，在这过程中，光源持续进行照射，使得三个光电感应器采集到的电压信号也呈周期性变化。通过对三个周期性变化的电压信号进行分析，即可求出待测旋转件的旋转角度。本发明可实现旋转角度的测量。

附图说明

图1为本发明实施例一的角度检测装置的结构示意图；

图2为图1中剖线A-A的剖面示意图；

图3为图1基于图2中的剖线B-B的剖面示意图；

图4为本发明实施例二的初始状态下四个偏光片的偏振化方向示意图；

图5为本发明实施例二中主动转轴旋转一周采集到的电压信号示意图；

图6为对图5进行处理后的电压信号示意图；

图7为本发明实施例二的角度计算方法的流程图。

标号说明：

1、主动转轴；21、第一空心轴；22、第二空心轴；23、第二空心轴；31、第一偏光片；32、第二偏光片；33、第三偏光片；34、第四偏光片；4、光源；51、第一光电感应器；52、第二光电感应器；53、第三光电感应器；61、第一齿轮；62、第二齿轮。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，一种基于旋转偏光片的角度测量装置，包括主动转轴、第一空心轴、第二空心轴、第三空心轴、第一偏光片、第二偏光片、第三偏光片、第四偏光片、光源、第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器和信号处理装置；

所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴分别与所述主动转轴传动连接，且传动比均为2；所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片分别一一对应地设置于所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴中，且位于同一径向平面；所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的偏振化方向互成120°角；

所述主动转轴的一端与待测旋转件连接；所述光源位于所述主动转轴的一端，且均匀照射所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片；所述第四偏光片位于所述主动转轴的另一端，且与所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片平行；所述第四偏光片在所述同一径向平面的投影覆盖所述主动转轴、第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴；

所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器分别设置于所述第四偏光片远离所述光源的一面上，且分别与所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴一一对应；所述信号处理装置分别与所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明可实现旋转角度的测量。

进一步地，所述主动转轴的外侧表面设有第一齿轮，所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴的外侧表面分别设有第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮传动连接；所述第二齿轮的齿数与所述第一齿轮的齿数的比值为2。

由上述描述可知，三个空心轴旋转1周，三个光电感应器将输出2个完整周期的电压信号。通过将传动比设为2，使得主动轴旋转1周，三个空心轴旋转0.5周，而三个光电感应器输出1个完整周期的电压信号；即原来三个光电感应器输出的电压信号的周期为180°，通过将传动比设为2，使得电压信号的周期变为360°。

进一步地，所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴绕所述主动转轴的中心轴均匀分布。

进一步地，所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器分别位于所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴的中心轴的延长线上。

由上述描述可知，保证三个光电感应器可采集到依次穿过空心轴中的偏光片和第四偏光片的光信号。

请参阅图7，本发明还提出基于如上所述的角度测量装置的角度计算方法，包括：

根据第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器输出的电压信号，标定得到最高电压值和最低电压值；

根据预设的计算周期，采集第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器的电压信号，得到第一电压值、第二电压值和第三电压值；

根据一计算周期对应的第一电压值、第二电压值和第三电压值以及所述最高电压值和最低电压值，计算所述一计算周期对应的角度；

根据所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度，计算所述一计算周期对应的旋转角度；

根据待测旋转件旋转前至旋转后期间内的各计算周期对应的旋转角度，计算所述待测旋转件的旋转角度。

由上述描述可知，通过计算各计算周期的旋转角度后再进行累加，可准确得到总的旋转角度。

进一步地，所述第四偏光片的偏振化方向与所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的初始偏振化方向分别呈45°、165°和285°。

由上述描述可知，保证第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的偏振化方向的夹角两两之间互为120°。

进一步地，所述根据一计算周期对应的第一电压值、第二电压值和第三电压值以及所述最高电压值和最低电压值，计算所述一计算周期对应的角度具体为：

若一计算周期对应的第一电压值大于或等于第二电压值和第三电压值，且第二电压值大于第三电压值，则根据第一公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第一公式为θ_i＝30°+(Vp/2-Vb)/(Vp/2-Vv/2)×60°，Vp＝Vmax-(Vmax+Vmin)/2，Vv＝Vmin-(Vmax+Vmin)/2，Vb＝V₂-(Vmax+Vmin)/2，θ_i为所述一计算周期对应的角度，V₂为所述一计算周期对应的第二电压值，Vmax为所述最高电压值，Vmin为所述最低电压值；

若一计算周期对应的第一电压值大于或等于第二电压值和第三电压值，且第二电压值小于第三电压值，则根据第二公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第二公式为θ_i＝90°+|Vv/2-Vc|/(Vp/2-Vv/2)×60°，Vc＝V₃-(Vmax+Vmin)/2，V₃为所述一计算周期对应的第三电压值；

若一计算周期对应的第一电压值大于第二电压值和第三电压值，且第二电压值等于第三电压值，则所述一计算周期对应的角为90°；

若一计算周期对应的第三电压值大于或等于第一电压值和第二电压值，且第一电压值大于第二电压值，则根据第三公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第三公式为θ_i＝150°+(Vp/2-Va)/(Vp/2-Vv/2)×60°，Va＝V₁-(Vmax+Vmin)/2，V₁为所述一计算周期对应的第一电压值；

若一计算周期对应的第三电压值大于或等于第一电压值和第二电压值，且第一电压值小于第二电压值，则根据第四公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第四公式为θ_i＝210°+|Vv/2-Vb|/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若一计算周期对应的第三电压值大于第一电压值和第二电压值，且第一电压值等于第二电压值，则所述一计算周期对应的角为210°；

若一计算周期对应的第二电压值大于或等于第一电压值和第三电压值，且第三电压值大于第一电压值，则根据第五公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第五公式为θ_i＝270°+(Vp/2-Vc)/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若一计算周期对应的第二电压值大于或等于第一电压值和第三电压值，且第三电压值小于第一电压值，则根据第六公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第六公式为θ_i＝330°+|Vv/2-Va|/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若一计算周期对应的第二电压值大于第一电压值和第三电压值，且第三电压值等于第一电压值，则所述一计算周期对应的角为330°。

进一步地，还包括：

若所述一计算周期对应的角度大于360°，则将所述一计算周期对应的角度减去360°后的值作为新的所述一计算周期对应的角度。

进一步地，所述根据所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度，计算所述一计算周期对应的旋转角度具体为：

计算所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度的差值；

当正转时，若所述差值小于-K°，则计算所述差值与360°之和，得到所述一计算周期对应的旋转角度，K为预设的阈值；

若所述差值大于或等于-K°，则将所述差值作为所述一计算周期对应的旋转角度；

当反转时，若所述差值大于K°，则计算所述差值与360°之差，得到所述一计算周期对应的旋转角度；

若所述差值小于或等于K°，则将所述差值作为所述一计算周期对应的旋转角度。

由上述描述可知，保证旋转角度计算的准确性。

进一步地，所述根据第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器输出的电压信号，标定得到最高电压值和最低电压值之后，进一步包括：

当到达预设的标定周期时，重新标定得到最高电压值和最低电压值。

由上述描述可知，避免光源的光强衰减产生的计算误差，保证旋转角度测量的准确性。

实施例一

请参照图1-3，本发明的实施例一为：一种基于旋转偏光片的角度检测装置，可应用于检测旋转角度。

如图1-3所示，包括主动转轴1、三个空心轴(分别为第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23)、四个偏光片(分别为第一偏光片31、第二偏光片32、第三偏光片33和第四偏光片34)、光源4、三个光电感应器(第一光电感应器51、第二光电感应器52、第三光电感应器53)和信号处理装置(图中未示出)。

如图1所示，所述第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23分别与所述主动转轴1传动连接，且传动比均为2。具体地，如图2所示，本实施例中，所述主动转轴1的外侧表面设有第一齿轮61，所述第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23的外侧表面分别设有第二齿轮62，所述第一齿轮61和第二齿轮62传动连接，并且所述第二齿轮62的齿数与所述第一齿轮61的齿数的比值为2。优选地，所述第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23绕所述主动转轴1的中心轴均匀分布。

如图2所示，所述第一偏光片31、第二偏光片32和第三偏光片33分别一一对应地设置于所述第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23中，即第一偏光片31设置于第一空心轴21中，第二偏光片32设置于第二空心轴22中，第三偏光片33设置于第三空心轴23中，且第一偏光片31、第二偏光片32和第三偏光片33位于同一径向平面。

如图3所示，所述主动转轴1的一端(即图中下方的一端)与待测旋转件(图中未示出)连接，当待测旋转件旋转时，会同步带动主动转轴转动。所述光源4位于所述主动转轴1的一端，且均匀照射所述第一偏光片31、第二偏光片和第三偏光片33(图3中的箭头表示光源照射方向)。优选地，所述光源为面光源，均匀照射第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片所处的同一径向平面。

所述第四偏光片34位于所述主动转轴1的另一端(无连接关系，即第四偏光片不会随着主动转轴的转动而转动)，且与所述第一偏光片31、第二偏光片和第三偏光片33平行。进一步地，所述第四偏光片在所述同一径向平面的投影覆盖所述主动转轴、第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴。即第四偏光片的尺寸要能够覆盖主动转轴和三个空心轴，使得穿过三个空心轴中的偏光片的光可均照射到第四偏光片上，进一步由第四偏光片进行偏振。优选地，第四偏光片34的中心点位于主动转轴1的中心轴的延长线上。

结合图1所示，所述第一光电感应器51、第二光电感应器52、第三光电感应器53分别设置于所述第四偏光片34远离所述光源4的一面上，且分别与所述第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23一一对应。进一步地，所述第一光电感应器51、第二光电感应器52、第三光电感应器53分别位于所述第一空心轴21、第二空心轴22和第三空心轴23的中心轴的延长线上，保证三个光电感应器可采集到依次穿过空心轴中的偏光片和第四偏光片的光信号，然后转换为电信号。也就是说，第一光电感应器采集的是光源穿过第一偏光片和第四偏光片后的光信号，第二光电感应器采集的是光源穿过第二偏光片和第四偏光片后的光信号，第三光电感应器采集的是光源穿过第三偏光片和第四偏光片后的光信号，然后将采集到的三个光信号分别转换为电信号。

所述信号处理装置分别与所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器连接，用于获取三个光电感应器输出的电信号，通过对电信号进行分析，得到待测旋转件的旋转角度。

进一步地，所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的偏振化方向互成120°角。

当待测旋转件旋转时，带动主动转轴同步旋转，而主动转轴又带动三个空心轴旋转，使得三个空心轴中的偏光片进行旋转，而第四偏光片是固定的，因此三个空心轴中的偏光片和第四偏光片的偏振化方向的夹角在不断地进行变化，在这过程中，光源持续进行照射，使得三个光电感应器采集到的电压信号也呈周期性变化。通过对三个周期性变化的电压信号进行分析，即可求出待测旋转件的旋转角度。

实施例二

请参照图4-7，本实施例是实施例一的角度测量装置的角度计算方法。

本实施例中，如图4所示(图中的虚线表示偏振化方向)，以水平向右方向为0°角，逆时针方向为正方向，假设初始状态下，第一偏光片a的偏振化方向为45°(也即225°)，第二偏光片b的偏振化方向为165°(也即345°)，第三偏光片c的偏振化方向为285°(也即105°)，第四偏光片o的偏振化方向为0°(也即180°)。此时，假设主动转轴逆时针旋转一周，则三个空心轴顺时针旋转半周，三个光电感应器输出的电压信号如图5所示(横坐标轴表示主动转轴的旋转角度，最高电压值和最低电压值取决于光源射出的光的强度)。可以看出，三个电压信号的波形与正弦型函数的波形的形状一致，且三个波形之间两两错位120°。

得到图5所示的电压信号示意图后，分别对三个电压信号波形进行下移，下移的距离根据电压信号的最大值和最小值而定。具体地，如下述公式所示：

Va＝V₁-(Vmax+Vmin)/2；

Vb＝V₂-(Vmax+Vmin)/2；

Vc＝V₃-(Vmax+Vmin)/2；

其中，V₁为第一光电感应器输出的电压信号值，V₂为第二光电感应器输出的电压信号值，V₃为第三光电感应器输出的电压信号值，Vmax为最高电压值，Vmin为最低电压值。本实施例中，Vmax＝3V，Vmin＝1V。

根据上述公式处理后的电压信号如图6所示。此时，用Vp和Vv分别表示图6中的电压最大值和电压最小值，其中，Vp＝Vmax-(Vmax+Vmin)/2，Vv＝Vmin-(Vmax+Vmin)/2。本实施例中，Vp＝1V，Vv＝-1V，纵坐标轴上的0.5V即Vp/2，-0.5V即Vv/2。

此时，可将图中(0°，0)至(30°，0.5)之间的线段、(30°，0.5)至(90°，-0.5)之间的线段、(90°，-0.5)至(150°，0.5)之间的线段、(150°，0.5)至(210°，-0.5)之间的线段、(210°，-0.5)至(270°，0.5)之间的线段、(270°，0.5)至(330°，-0.5)之间的线段以及(330°，-0.5)至(360°，0)之间的线段近似地看作是直线段。其中，由于三个电信号波形都是周期性的，因此，(0°，0)至(30°，0.5)之间的线段也可以当作是(360°，0)至(390°，0.5)之间的线段，即可与(330°，-0.5)至(360°，0)之间的线段组合成(330°，-0.5)至(390°，0.5)之间的线段。

而这六条线段可依据三个电压信号值Va、Vb和Vc之间的大小关系进行定位。例如，若Va≥Vb，Va≥Vc，且Vb＞Vc，则对应(30°，0.5)至(90°，-0.5)之间的线段；若Va≥Vb，Va≥Vc，且Vb＜Vc，则对应(90°，-0.5)至(150°，0.5)之间的线段；以此类推。

当定位到某一条线段后，即可依据该线段对应的电压值，计算当前时间点主动转轴相对于0°角的角度θ_i。例如，对于(30°，0.5)至(90°，-0.5)之间的线段，其对应的是Vb，然后基于相似三角形原理(以(30°，Vp/2)、(90°，-Vv/2)、(90°，Vp/2)为三个顶点的三角形和以(30°，Vp/2)、(θ_i，Vb)、(θ_i，Vp/2)为三个顶点的三角形相似)，可得(θ_i-30°)/60°＝(Vp/2-Vb)/(Vp/2-Vv/2)，即θ_i＝30°+(Vp/2-Vb)/(Vp/2-Vv/2)×60°。对于(30°，0.5)至(90°，-0.5)之间的线段，其对应的是Vc，同样基于相似三角形原理(以(90°，-Vv/2)、(150°，-Vv/2)、(150°，Vp/2)为三个顶点的三角形与以(90°，-Vv/2)、(θ_i，-Vv/2))、(θ_i，Vc)为三个顶点的三角形相似)，可得(θ_i-90°)/60°＝|Vv/2-Vc|/(Vp/2-Vv/2)，即θ_i＝90°+|Vv/2-Vc|/(Vp/2-Vv/2)×60°；以此类推。

也就是说，通过对同一时间点的三个电压信号值Va、Vb和Vc之间的大小关系进行分析，再基于某一电压信号值，即可计算该时间点主动转轴相对0°角的角度θ_i。那么，通过采集开始旋转前的角度，旋转过程中固定时间点的角度以及旋转后的角度，即可分析得到主动转轴的旋转角度，也即待测旋转件的旋转角度。

因此，如图7所示，本实施例的方法包括如下步骤：

S1：根据第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器输出的电压信号，标定得到最高电压值和最低电压值；

进一步地，由于光源会逐渐衰减，使得最高电压值和最低电压值会发生改变，导致计算误差，因此，可预先设定标定周期，每个标定周期都重新对三个光电感应器输出的电压信号进行分析，标定新的最高电压值和最低电压值。

S2：根据预设的计算周期，采集第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器的电压信号，得到第一电压值、第二电压值和第三电压值。

优选地，所述计算周期为60μs。

S3：根据一计算周期对应的第一电压值V₁、第二电压值V₂和第三电压值V₃以及所述最高电压值Vmax和最低电压值Vmin，计算所述一计算周期对应的角度。

具体地，若V₁≥V₂，V₁≥V₃，且V₂＞V₃，则θ_i＝30°+(Vp/2-Vb)/(Vp/2-Vv/2)×60°，其中，Vp＝Vmax-(Vmax+Vmin)/2，Vv＝Vmin-(Vmax+Vmin)/2，Vb＝V₂-(Vmax+Vmin)/2；

若V₁≥V₂，V₁≥V₃，且V₂＜V₃，则θ_i＝90°+|Vv/2-Vc|/(Vp/2-Vv/2)×60°，其中，Vc＝V₃-(Vmax+Vmin)/2；

若V₁≥V₂，V₁≥V₃，且V₂＝V₃，则θ_i＝90°；

若V₃≥V₁，V₃≥V₂，且V₁＞V₂，则θ_i＝150°+(Vp/2-Va)/(Vp/2-Vv/2)×60°，其中，Va＝V₁-(Vmax+Vmin)/2；

若V₃≥V₁，V₃≥V₂，且V₁＜V₂，则θ_i＝210°+|Vv/2-Vb|/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若V₃≥V₁，V₃≥V₂，且V₁＝V₂，则θ_i＝210°；

若V₂≥V₁，V₂≥V₃，且V₃＞V₁，则θ_i＝270°+(Vp/2-Vc)/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若V₂≥V₁，V₂≥V₃，且V₃＜V₁，则θ_i＝330°+|Vv/2-Va|/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若V₂≥V₁，V₂≥V₃，且V₃＝V₁，则θ_i＝330°。

进一步地，若θ_i＞330°，则令θ_i＝θ_i-360°。

S4：根据所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度，计算所述一计算周期对应的旋转角度。

具体地，计算所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度的差值，即Δθ_i＝θ_i-θ_i-1，其中，θ_-1可以看作是待测旋转件旋转前所检测到的角度。

当待测旋转件正转时(即沿着正方向旋转)，若Δθ_i＜-K°，则令Δθ_i＝Δθ_i+360°；当待测旋转件反转时(即沿着反方向旋转)，若Δθ_i＞K°，则令Δθ_i＝Δθ_i-360°。其中，K的取值可根据计算周期而定。优选地，K＝4。

最后将Δθ_i作为该计算周期对应的旋转角度。

S5：根据待测旋转件旋转前至旋转后期间内的各计算周期对应的旋转角度，计算所述待测旋转件的旋转角度。

具体地，即将各旋转前至旋转后期间内的各计算周期对应的旋转角度累加，即可得到待测旋转件的旋转角度。例如，可根据公式A_i＝A_i-1+Δθ_i进行累加，i＝1,2，…，N，N为待测旋转件旋转前至旋转后期间内的计算周期的总个数，A₀＝0。

本实施例通过将整个旋转周期划分为多个小的计算周期，通过分别计算各计算周期内的旋转角度，再进行累加，从而可得到总的旋转角度。

综上所述，本发明提供的一种基于旋转偏光片的角度测量装置及其角度计算方法，可实现旋转角度的测量，且可保证测量结果的准确性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于角度测量装置的角度计算方法，其特征在于，所述角度测量装置包括主动转轴、第一空心轴、第二空心轴、第三空心轴、第一偏光片、第二偏光片、第三偏光片、第四偏光片、光源、第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器和信号处理装置；

所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴分别与所述主动转轴传动连接，且传动比均为2；所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片分别一一对应地设置于所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴中，且位于同一径向平面；所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的偏振化方向互成120°角；

所述主动转轴的一端与待测旋转件连接；所述光源位于所述主动转轴的一端，且均匀照射所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片；所述第四偏光片位于所述主动转轴的另一端，且与所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片平行；所述第四偏光片在所述同一径向平面的投影覆盖所述主动转轴、第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴；

所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器分别设置于所述第四偏光片远离所述光源的一面上，且分别与所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴一一对应；所述信号处理装置分别与所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器连接；

所述方法包括：

根据第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器输出的电压信号，标定得到最高电压值和最低电压值；

根据预设的计算周期，采集第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器的电压信号，得到第一电压值、第二电压值和第三电压值；

根据一计算周期对应的第一电压值、第二电压值和第三电压值以及所述最高电压值和最低电压值，计算所述一计算周期对应的角度；

根据所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度，计算所述一计算周期对应的旋转角度；

根据待测旋转件旋转前至旋转后期间内的各计算周期对应的旋转角度，计算所述待测旋转件的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的角度计算方法，其特征在于，所述主动转轴的外侧表面设有第一齿轮，所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴的外侧表面分别设有第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮传动连接；所述第二齿轮的齿数与所述第一齿轮的齿数的比值为2。

3.根据权利要求1所述的角度计算方法，其特征在于，所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴绕所述主动转轴的中心轴均匀分布。

4.根据权利要求1所述的角度计算方法，其特征在于，所述第一光电感应器、第二光电感应器、第三光电感应器分别位于所述第一空心轴、第二空心轴和第三空心轴的中心轴的延长线上。

5.根据权利要求1所述的角度计算方法，其特征在于，所述第四偏光片的偏振化方向与所述第一偏光片、第二偏光片和第三偏光片的初始偏振化方向分别呈45°、165°和285°。

6.根据权利要求5所述的角度计算方法，其特征在于，所述根据一计算周期对应的第一电压值、第二电压值和第三电压值以及所述最高电压值和最低电压值，计算所述一计算周期对应的角度具体为：

若一计算周期对应的第一电压值大于或等于第二电压值和第三电压值，且第二电压值大于第三电压值，则根据第一公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第一公式为θ_i＝30°+(Vp/2-Vb)/(Vp/2-Vv/2)×60°，Vp＝Vmax-(Vmax+Vmin)/2，Vv＝Vmin-(Vmax+Vmin)/2，Vb＝V₂-(Vmax+Vmin)/2，θ_i为所述一计算周期对应的角度，V₂为所述一计算周期对应的第二电压值，Vmax为所述最高电压值，Vmin为所述最低电压值；

若一计算周期对应的第一电压值大于或等于第二电压值和第三电压值，且第二电压值小于第三电压值，则根据第二公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第二公式为θ_i＝90°+|Vv/2-Vc|/(Vp/2-Vv/2)×60°，Vc＝V₃-(Vmax+Vmin)/2，V₃为所述一计算周期对应的第三电压值；

若一计算周期对应的第一电压值大于第二电压值和第三电压值，且第二电压值等于第三电压值，则所述一计算周期对应的角为90°；

若一计算周期对应的第三电压值大于或等于第一电压值和第二电压值，且第一电压值大于第二电压值，则根据第三公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第三公式为θ_i＝150°+(Vp/2-Va)/(Vp/2-Vv/2)×60°，Va＝V₁-(Vmax+Vmin)/2，V₁为所述一计算周期对应的第一电压值；

若一计算周期对应的第三电压值大于或等于第一电压值和第二电压值，且第一电压值小于第二电压值，则根据第四公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第四公式为θ_i＝210°+|Vv/2-Vb|/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若一计算周期对应的第三电压值大于第一电压值和第二电压值，且第一电压值等于第二电压值，则所述一计算周期对应的角为210°；

若一计算周期对应的第二电压值大于或等于第一电压值和第三电压值，且第三电压值大于第一电压值，则根据第五公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第五公式为θ_i＝270°+(Vp/2-Vc)/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若一计算周期对应的第二电压值大于或等于第一电压值和第三电压值，且第三电压值小于第一电压值，则根据第六公式计算所述一计算周期对应的角度，所述第六公式为θ_i＝330°+|Vv/2-Va|/(Vp/2-Vv/2)×60°；

若一计算周期对应的第二电压值大于第一电压值和第三电压值，且第三电压值等于第一电压值，则所述一计算周期对应的角为330°。

7.根据权利要求6所述的角度计算方法，其特征在于，还包括：

若所述一计算周期对应的角度大于360°，则将所述一计算周期对应的角度减去360°后的值作为新的所述一计算周期对应的角度。

8.根据权利要求1所述的角度计算方法，其特征在于，所述根据所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度，计算所述一计算周期对应的旋转角度具体为：

计算所述一计算周期及其上一计算周期对应的角度的差值；

当正转时，若所述差值小于-K°，则计算所述差值与360°之和，得到所述一计算周期对应的旋转角度，K为预设的阈值；

若所述差值大于或等于-K°，则将所述差值作为所述一计算周期对应的旋转角度；

当反转时，若所述差值大于K°，则计算所述差值与360°之差，得到所述一计算周期对应的旋转角度；

若所述差值小于或等于K°，则将所述差值作为所述一计算周期对应的旋转角度。

9.根据权利要求1所述的角度计算方法，其特征在于，所述根据第一光电感应器、第二光电感应器和第三光电感应器输出的电压信号，标定得到最高电压值和最低电压值之后，进一步包括：

当到达预设的标定周期时，重新标定得到最高电压值和最低电压值。

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