CN116659420B - 一种测量偏摆角的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量偏摆角的系统和方法。主要包括激光发射接收分析单元，待测反射镜，参考反射镜和外反射镜。所述参考反射镜设置在待测反射镜的一侧且与待测反射镜之间留有一定间隙，所述参考反射镜与待测反射镜平行设置，所述外反射镜设置在参考反射镜的一侧，且外反射镜与激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜的光线垂直，所述外反射镜用于将参考反射镜反射的光线进行反射。该系统有利于排除音圈电机动子纵向运动对测量结果的影响，且测量精度较高。

Description

一种测量偏摆角的系统和方法

技术领域

本发明涉及测量偏摆角的系统，特别是涉及测量偏摆角的系统和方法。

背景技术

音圈电机（Voice Coil Motor，简称VCM）是一种电磁驱动装置，在精密运动领域中非常重要。音圈电机的高精度、高响应速度和低能耗特性使其成为各种精密运动设备的首选驱动器。但实际应用中，音圈电机的动子由于磁场的不均匀性和动子的惯性经常存在偏摆的情况，在要求精密位移的应用中，经常对偏摆的角度有很高的要求，目前测量方式通常为使用自准直仪进行测试，自准直仪由于自身的性能约束，测量角度分辨率不高，且由于采用图像识别法测量角度，自身采样速率也较低，难以适应高频运动下对音圈电机偏摆角测量任务。

光学杠杆法是一种重要的小角度测量方法，可以通过它高精度的测量被测物体的角度变化。目前在测量角度时使用的方法是在被测物体表面安装一反射镜，使用激光照射反射镜，通过测量激光光斑的位移和激光到反射镜的距离来求得被测物体的旋转角。

应用此种方法测量音圈电机运动偏摆时，存在两个明显不足：1）音圈动子工作时，会存在纵向位移，纵向也就是动子的轴向，该方向与音圈电机的壳体的底面垂直，而纵向的位置变化同样会导致光斑偏移，所以测量结果会有一定程度的失真。2）音圈电机运动偏摆角通常很小，此种方案的测量精度不足。

发明内容

基于此，有必要针对传统测量方法的问题，提供一种测量偏摆角的系统。该系统有利于排除音圈电机动子纵向运动对测量结果的影响，且测量精度较高。

一种测量偏摆角的系统，包括：

激光发射接收分析单元，

待测反射镜，

参考反射镜，所述参考反射镜设置在待测反射镜的一侧且与待测反射镜之间留有一定间隙，所述参考反射镜与待测反射镜平行设置，

外反射镜，所述外反射镜设置在参考反射镜的一侧，且外反射镜与激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜的光线垂直，所述外反射镜用于将参考反射镜反射的光线进行反射。

一种测量偏摆角的系统，包括：

激光发射接收分析单元，

待测反射镜，所述待测反射镜用于与待测的音圈电机的动子相连，

参考反射镜，所述参考反射镜设置在待测反射镜的一侧且与待测反射镜之间留有一定间隙，所述参考反射镜与待测反射镜平行设置，

外反射镜，所述外反射镜设置在参考反射镜的一侧，且外反射镜与激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜的光线垂直，所述外反射镜用于将参考反射镜反射的光线进行反射。

在其中一个实施例中，待测反射镜的镜面被配置为与待测的音圈电机的动子的轴向垂直。

在其中一个实施例中，所述待测反射镜与水平面的夹角为45度角。

在其中一个实施例中，所述激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜的光线为水平光线，所述外反射镜与水平面垂直设置。

在其中一个实施例中，安装在音圈电机固定架上的待测的音圈电机的动子的轴向与水平面之间的夹角为大于0度且小于90度。

在其中一个实施例中，还包括音圈电机固定架，所述音圈电机固定架用于固定待测的音圈电机，音圈电机固定架设置在激光发射接收分析单元的一侧，所述参考反射镜和外反射镜分别设置在对应的支撑物上。

在其中一个实施例中，所述激光发射接收分析单元包括激光器、光线调整装置、半透半反镜和PSD传感器，所述光线调整装置位于激光器和半透半反镜之间，所述激光器发出的光线经过光线调整装置和半透半反镜后入射至所述待测反射镜，

所述半透半反镜还位于待测反射镜和PSD传感器之间，由待测反射镜发出的光线经半透半反镜后进入PSD传感器。

在其中一个实施例中，所述光线调整装置包括光学衰减片和可调光阑，所述光学衰减片位于可调光阑和激光器之间。

一种测量偏摆角的方法，包括所述的测量偏摆角的系统，激光发射接收分析单元产生的光线在待测反射镜和参考反射镜间多次反射后射向外反射镜，光线再经外反射镜反射后，进入待测反射镜和参考反射镜间并经多次反射后射出并被激光发射接收分析单元接收。

一种测量偏摆角的方法，包括所述的测量偏摆角的系统，将待测的音圈电机的动子与待测反射镜相连，激光发射接收分析单元产生的光线在待测反射镜和参考反射镜间多次反射后射向外反射镜，光线再经外反射镜反射后，进入待测反射镜和参考反射镜间并经多次反射后射出并被激光发射接收分析单元接收。

在其中一个实施例中，所述激光发射接收分析单元包括激光器、光线调整装置、半透半反镜和PSD传感器，所述光线调整装置位于激光器和半透半反镜之间，所述激光器发出的光线经过光线调整装置和半透半反镜后入射至所述待测反射镜，

所述半透半反镜还位于待测反射镜和PSD传感器之间，由待测反射镜发出的光线经半透半反镜后进入PSD传感器。

本申请的有益效果：

本申请提供了一种结构简单的系统，该系统通过外反射镜、待测反射镜和参考反射镜的配合，抵消音圈电机的动子自身除角度转动以外的其他方向运动，分离出偏摆角度运动信息，同时使光线多次与待测反射镜作用，倍增了微小角度对光线位移的影响，提高系统的分辨力，使得测量精度得到提升。本申请的系统和方法也可以应用到其它与音圈电机运动状况相同的产品上，检测原理与音圈电机的检测原理相同。

附图说明

图1为本申请的实施例的测量偏摆角的系统的示意图。

图2为本申请的实施例的通过外反射镜、待测反射镜和参考反射镜的配合，抵消音圈电机的动子纵向移动带来的影响的示意图。

图3为本申请的实施例的系统的测量原理示意图。其中，R为光线作用在外反射镜上的点，A1到A6为光线作用在待测反射镜上的点，B1到B6为光线作用在参考反射镜上的点。

图4为本申请的实施例的音圈电机的动子的纵向移动的示意图。

其中：

1、激光器；2、光线调整装置；21、光学衰减片；22、可调光阑；3、半透半反镜；41、待测反射镜；42、参考反射镜；43、外反射镜；44、音圈电机；51、PSD传感器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，本申请的实施例提供了一种测量偏摆角的系统，该系统包括：激光发射接收分析单元，待测反射镜41，参考反射镜42和外反射镜43。为了描述方便，以下以音圈电机为例进行具体说明，可以理解，本申请的系统也可以应用到其它与音圈电机运动状态相同的产品上，进而对这些产品进行检测。

所述待测反射镜41用于与待测的音圈电机44的动子相连，所述参考反射镜42设置在待测反射镜41的一侧且与待测反射镜41之间留有一定间隙，所述参考反射镜42与待测反射镜41平行设置，所述外反射镜43设置在参考反射镜42的一侧，且外反射镜43与激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜41的光线垂直，所述外反射镜43用于将参考反射镜42反射的光线进行反射。

在其中一个实施例中，待测反射镜41的镜面与待测的音圈电机44的动子的轴向垂直。待测反射镜41可通过胶与音圈电机44的动子相连。

在其中一个实施例中，所述待测反射镜41与水平面的夹角为45度角。音圈电机44的动子的轴向与待测反射镜41垂直。

在其中一个实施例中，所述激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜41的光线为水平光线，所述外反射镜43与水平面垂直设置。

在其中一个实施例中，安装在音圈电机44固定架上的待测的音圈电机44的动子的轴向与水平面之间的夹角为大于0度且小于90度。例如，上述夹角可以为45度角。

在其中一个实施例中，还包括音圈电机44固定架，所述音圈电机44固定架用于固定待测的音圈电机44，音圈电机44可通过螺钉与音圈电机44固定架相连。音圈电机44固定架设置在激光发射接收分析单元的一侧，所述参考反射镜42和外反射镜43分别设置在对应的支撑物上。例如，可为参考反射镜42和外反射镜43分别设置架体来支撑固定。

在其中一个实施例中，如图1所示，所述激光发射接收分析单元包括激光器1、光线调整装置2、半透半反镜3和PSD传感器51，所述光线调整装置2位于激光器1和半透半反镜3之间，所述激光器1发出的光线经过光线调整装置2和半透半反镜3后入射至所述待测反射镜41，所述半透半反镜3还位于待测反射镜41和PSD传感器51之间，由待测反射镜41发出的光线经半透半反镜3后进入PSD传感器51。

在其中一个实施例中，所述光线调整装置2包括光学衰减片21和可调光阑22，所述光学衰减片21位于可调光阑22和激光器1之间。

以下通过具体实施例详细介绍本申请的上述测量系统的工作原理。

如图1所示，本申请的测量系统包括激光器1、光线调整装置2、光学衰减片21、可调光阑22、半透半反镜3、待测反射镜41、参考反射镜42、外反射镜43、音圈电机44、PSD传感器51。此外，还可以包括依次相连的PSD控制模块、数据采集模块和上位机。其中，PSD传感器51与所述PSD控制模块相连。

在测量时，激光器1发出参考激光信号，该参考激光信号经由光线调整装置2后，打到半透半反镜3上，其中一束光线经反射进入待测反射镜41。该光线经过多次与待测反射镜41和参考反射镜42作用，并经过外反射镜43折返后，再经由半透半反镜3进入PSD传感器51。PSD传感器51获取该光线的激光光斑的位置信息，并转换为电信号经由PSD控制模块输出至信号采集模块，数据采集模块将电信号转化成数字信号并输出至上位机，通过上位机中的数据处理程序，计算出待测反射镜41的角度变化信息。

本申请中的PSD传感器51是一种对位置敏感的传感器，是基于横向光电效应的非分割型光电二极管；根据光敏面上接收到光信号转变为电信号的变化来检测光点位置，具有位置分辨率高、响应速度快等特点。

本申请的测量原理如下：一，通过外反射镜43、待测反射镜41以及参考反射镜42的配合，当音圈电机44的动子存在纵向位移时，产生的光线位置变化会抵消，排除了纵向位移对测量结果的影响，将偏摆角度变化量进行了分离。二，通过放置平行参考反射镜42，并调整与待测反射镜41间的角度和距离，使激光可以在待测反射镜41与参考反射镜42之间多次反射，对于待测反射镜41的角度变化θ，每增加一次反射，最终出射光线的角度即增大2θ，增大信号值提高了系统对于微小角度变化的测量能力。

具体的，激光器1发射出平行于水平面的一束激光作为参考光线，该参考光线首先经过光学衰减片21和可调光阑22入射到半透半反镜3上，经过半透半反镜3的反射进入待测发射镜，参考光束首先相对待测反射镜41呈45度角打入音圈电机44动子表面待测反射镜41，并在待测反射镜41表面反射，在待测反射镜41上方有一个参考反射镜42，参考反射镜42的平面被预先设置成与初始状态的待测反射镜41表面严格平行，所以光线在射入待测反射镜41后会垂直向上出射并射入参考反射镜42，由于参考反射镜42与待测反射镜41相互平行，光线又会被弯折到于水平面平行的方向上再次射入待测反射镜41并重复上述过程。经过若干次反射后，光线会从两面反射镜系统中射出，接着射入外反射镜43。由于外反射镜43平面被设置成与光线入射方向垂直，因此光线会被外反射镜43反射，并再次进入待测反射镜41和参考反射镜42，光线经多次反射并沿参考光线反向射出，接着经过半透半反镜3进入PSD传感器51，PSD传感器51根据横向光电效应将激光光斑的位置信息转换成电信号，再使用计算机对电信号处理转化为待测反射镜41的转角信息。根据上述描述，如图2所示，由于光线射入时，参考反射镜42与待测反射镜41严格平行，当待测反射镜41有纵向位移时，等腰三角形GDF与等腰三角形CHE时刻保持全等关系，此时由于音圈电机44的动子纵向运动导致待测反射镜41产生位移时引入的光线位置变化CE会被外反射镜43在参考反射镜42处产生的相等且反向的位移DG完全抵消，因此使用该系统对动子偏摆测量时，动子的纵向运动对测量结果的影响可以抵消。

在上述基础上，如图3所示，待测反射镜41在初始状态下与参考反射镜42保持平行，当待测反射镜41在音圈电机44的动子的带动下存在偏转时，假设待测反射镜41偏转角为θ，则待测反射镜41的法线偏转角也为θ，对于入射光线OA1，法线偏转θ可以等效为入射角减小θ，根据光线反射定律出射角也要减小θ，所以相对于待测反射镜41未偏转时光线偏转了2θ，对于参考反射镜42，其位置角度保持不变，则光线偏转角为固定2θ-π。该方案中光线被参考反射镜42反射后，会再次射入待测反射镜41，重复上述过程，所以光线比待测反射镜41未偏转时偏转的角度为2nθ，其中n为光线与待测反射镜41的作用次数，例如，图3中光线与待测反射镜作用次数是6，所以n=6，由于激光光斑是可见的，所以可通过人工数出光线与待测反射镜作用次数。

实际测量角度时，如图3所示，需先测得PSD距离待测反射镜41的位置OA1，当动子运动产生偏摆时，待测反射镜41也会随之产生角度变化，光斑P的位置也会随之产生变化，根据上述光线的变化原理可以测得光斑位置变化量OP，由于OA1的位置已经测得，待测反射镜41的偏摆角度可由如下几何关系求得：，其中n为光线与待测反射镜41的作用次数，θ为待测反射镜41的偏摆角度。

从以上分析可知，本申请的系统用于测量音圈电机44推进过程中偏移量的测量，使用待测反射镜41、参考反射镜42和外反射镜43使光路多次折返，抵消由于待测反射镜41位置运动对测量结果的干扰，同时增大了角度变化所产生的信号变化量，提高测试结果的准确性。本申请的系统可以快速实时的进行对待测音圈电机44的测量，具有紧凑化、轻量化、便携、动态、快速的优点，可以用于目标的动态或静态时的角度测量。

本申请的实施例还提供了一种测量偏摆角的方法，该方法包括所述的测量偏摆角的系统，将待测的音圈电机44的动子与待测反射镜41相连，激光发射接收分析单元产生的光线在待测反射镜41和参考反射镜42间多次反射后射向外反射镜43，光线再经外反射镜43反射后，进入待测反射镜41和参考反射镜42间并经多次反射后射出并被激光发射接收分析单元接收。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种测量偏摆角的系统，其特征在于，包括：

激光发射接收分析单元，

待测反射镜，

参考反射镜，所述参考反射镜设置在待测反射镜的一侧且与待测反射镜之间留有一定间隙，所述参考反射镜与待测反射镜平行设置，

外反射镜，所述外反射镜设置在参考反射镜的一侧，且外反射镜与激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜的光线垂直，所述外反射镜用于将参考反射镜反射的光线进行反射。

2.根据权利要求1所述的测量偏摆角的系统，其特征在于，所述待测反射镜与水平面的夹角为45度角。

3.根据权利要求1所述的测量偏摆角的系统，其特征在于，所述激光发射接收分析单元发出的用于入射到待测反射镜的光线为水平光线，所述外反射镜与水平面垂直设置。

4.根据权利要求1所述的测量偏摆角的系统，其特征在于，所述激光发射接收分析单元包括激光器、光线调整装置、半透半反镜和PSD传感器，所述光线调整装置位于激光器和半透半反镜之间，所述激光器发出的光线经过光线调整装置和半透半反镜后入射至所述待测反射镜，

所述半透半反镜还位于待测反射镜和PSD传感器之间，由待测反射镜发出的光线经半透半反镜后进入PSD传感器。

5.根据权利要求4所述的测量偏摆角的系统，其特征在于，所述光线调整装置包括光学衰减片和可调光阑，所述光学衰减片位于可调光阑和激光器之间。

6.一种测量偏摆角的方法，其特征在于，使用权利要求1所述的测量偏摆角的系统，激光发射接收分析单元产生的光线在待测反射镜和参考反射镜间多次反射后射向外反射镜，光线再经外反射镜反射后，进入待测反射镜和参考反射镜间并经多次反射后射出并被激光发射接收分析单元接收。

7.根据权利要求6所述的测量偏摆角的方法，其特征在于，所述激光发射接收分析单元包括激光器、光线调整装置、半透半反镜和PSD传感器，所述光线调整装置位于激光器和半透半反镜之间，所述激光器发出的光线经过光线调整装置和半透半反镜后入射至所述待测反射镜，

所述半透半反镜还位于待测反射镜和PSD传感器之间，由待测反射镜发出的光线经半透半反镜后进入PSD传感器。