CN1238692C - 光学非接触式小角度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学非接触式小角度测量装置，属于小角度测量技术。该装置包括光探头、光电测试装置及计算机通讯与控制装置，光探头包括准直半导体激光器、偏光分光镜、1/4波片、物体表面或反射镜、分光镜、内反射棱镜和光电二极管，光学及光电器件均固定在基板上；光电测试装置包括信号处理单元，信号分别经I-V变换、加法、减法、除法电路，其后进行A/D转换；计算机通讯与控制装置包括单片机、数字滤波、开关量输出端口、上位机通讯接口、显示装置。本发明的优点在于实现了光电测试装置和计算机通讯与控制装置的一体化，光探头通过电缆与前述部分连接；仪器体积小、结构简单、精度高、分辨力和测量范围可调，分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec。

Description

光学非接触式小角度测量装置

                        技术领域

本发明涉及一种光学非接触式小角度测量装置，属于小角度测量技术。

                        背景技术

目前，常用的光学测角方法包括光学分度头法、多面棱体法、光电编码法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、激光干涉法以及环形激光法等。而对于小角度测量(α≤1°，特别是±10～20arcmin以内)，主要测量方法包括激光小角度测量仪法、标准光学角规法、圆光栅测角法、激光干涉测量法、光电自准直仪法。虽然这些方法能提供较高的测量精度，但基于此设计的测量系统结构比较复杂、体积较大，安装空间受限，因而在工业实际应用中具有较大的局限性，特别是很难与加工机械结合用于在线测量。因此，要寻找体积小、测量分辨力高且具有一定测量范围的小角度测量方法以适应在线测量的要求。

                        发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度小角度测量装置，克服现有小角度测量方法的不足，系统具有体积小、结构简单、调整方便、稳定性高、可作为带数据显示角度传感器使用等特点，并可设计适应多种测量精度和测量范围，可广泛用于精密、超精密测量控制，在线精密加工制造领域。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种光学非接触式小角度测量装置，其特征在于该装置包括光探头、光电测试装置及计算机通讯与控制装置，所述的光探头包括准直半导体激光器、偏光分光镜、1/4波片、物体表面或反射镜、分光镜、两个内反射棱镜和两个光电二极管，上述的光学及光电器件均由弹性紧固装置或固定装置固定在基板上；所述的光电测试装置包括两个I-V变换电路，电压信号分别输入到加法电路和减法电路，加法结果和减法结果输入到除法电路，其后进行A/D转换；计算机通讯与控制装置包括单片机(MCU)、数字滤波、开关量输出端口、上位机通讯接口、显示装置。

本发明的优点在于实现了光电测试装置和计算机通讯与控制装置的一体化，光探头通过电缆与前述部分连接；整个仪器的体积小、结构简单、精度高、分辨力和测量范围可调，分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec；光学零部件均采用弹性紧固件结构进行固定，达到紧固、抗振和避免损伤光学零部件的作用。

                        附图说明

图1为本发明的光学非接触式小角度测量装置系统框图。

图2为图1中的光学探头装置结构示意图。

图中：1为被测物体表面或反射镜，2为准直激光器，3为偏光分光镜，5、6为内反射棱镜，4、7为光电二极管，8为分光镜，9为1/4波片，10为基板。

图3为图1中的信号处理装置和计算机通讯与控制装置系统框图。

                      具体实施方式

光学非接触式小角度测量装置，采用光学差动式角度测量装置，检测被测物体的转角变化量，其过程是：半导体激光器与准直透镜集成在一起通过夹持架构成2，发出的光经偏光分光镜3后，其中的S偏光被反射后经1/4波片9后成为圆偏光，入射到物体表面或固定在被测物体表面的反射镜1，从被测反射面反射回来的圆偏光，通过分光镜9后成为P偏光，再经分光镜8后分成能量相等的两束互相正交的光，其偏振状态保持不变，分别入射到两个沿直角方向安置的内反射棱镜5和6内，出射光光强分别被光电二极管4和7检测。2、3、4、5、6、7、8、9通过各自夹持架固定在主基板10上，系统整体的外壳固定在10上，其上开有出射/入射通孔。这样当被测平面镜存在一个绕Z轴的角度变化时就可以测量出来。在初始测量时，可以认为角度测量装置两路输出信号为“零”；当测量过程中物体姿态发生变化时，物体/反射面的空间方位角度发生变化，反射光即相对于角度测量装置的入射光，其入射角度也产生相应的变化，该变化量为反射面角度变化量的一倍，使被测量得到放大。当反射光的角度有偏摆时，2个内反射棱镜的入射光的入射角分别增大/减小Δθ，反射率变化量也分别增大或减小，出射光的光强被光电二极管检测并转化为光电流，两路光电流信号经过电流-电压变换以及加法、减法和除法运算后，得到线性化处理后的角度变化量，在单片机的运算程序控制下进行采样、滤波、分析处理后，角度变化量被显示，从而得到由于物体姿态变化而引起的角度变化。

系统可任意设置参考角度值和允许变动量，当转角测量值超过允许变动值时，该装置可经过开关量输出差值，控制物体的转角变化；通讯端口采用RS-232接口；显示装置采用两路6位的LED数码管动态显示。

Claims (1)

1.一种光学非接触式小角度测量装置，其特征在于该装置包括光探头、光电测试装置及计算机通讯与控制装置，所述的光探头包括准直半导体激光器、偏光分光镜、1/4波片、物体表面或反射镜、分光镜、两个内反射棱镜和两个光电二极管，上述的光学及光电器件均由弹性紧固装置或固定装置固定在基板上；所述的光电测试装置包括两个电流-电压变换电路，电压信号分别进入到加法电路和减法电路，加法结果和减法结果再进入到除法电路，其后进行A/D转换；计算机通讯与控制装置包括单片机、数字滤波、开关量输出端口、上位机通讯接口、显示装置。

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