CN2769851Y - 激光数字角度测量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光数字角度测量传感器。为解决现有角度测量传感器测量精度低，不方便使用的问题，其由刻蚀有至少一圈周向均匀密布的径向角度线的光盘，平行双光束双频率激光信号发射器、光盘反馈信号接收器和反馈信号处理器组成；且两束激光的周向间距小于角度线的周向间距，两束激光的周向宽度都小于角度线的周向宽度，反馈信号处理器根据两束激光反馈信号出现的次序确定角度方向，根据反馈信号出现的次数确定角度。因此，其能直接输出数字信号、具有响应时间快、温度影响小、磨损小、变形小，结构简单，体积小、重量轻，成本低，性能可靠，安装使用方便，应用领域广的优点。最适合用于精密机床，雷达和火炮等机械装置的高精度测控。

Description

激光数字角度测量传感器

技术领域

本实用新型涉及角度的精密测量装置，特别是涉及一种激光数字角度测量传感器。

背景技术

在机电设备控制和操作中，传感器直接影响着操作和控制的准确度、精度，它在生产中直接影响着质量、效率等方面。比如：

1，机械臂转动时的自动控制中，需要按照转动角度指令执行操作、将转动角度执行效果反馈、勘察统计转动角度等以及根据角度计算长度，在这些时候需要最大程度地得到精确的角度。

2，现代的舰炮、火炮射击过程中需要快速瞄准并精确射击，因此操作必然依靠机电设备的精确能力，在软件中计算出风向、颠簸、运动方向、速度、提前量、炮口角度等参数后下达指令，而最终实现操作指令(也包括一些提取的输入参数)非常需要有更高精度易于操作的角度传感器。目前可实现的精度为1厘米/公里，甚至小于1秒的角度。

常用的角度测量传感器有：电感(电容)检测式；滑动可变电阻式；脉冲盘光电读孔或复合读孔式；光盘单双角度线读线式，以及其他结构形式。

关于以往的光盘单双角度线读线方式：光盘单角度线读线方式，不能确定旋转的方向，而双角度线读线方式，可以确定旋转的方向，但需要制作两圈角度线，并且相互错开约半根角度线段宽度，其具有光盘制作难度大，不方便实施的缺陷。

普通光盘的工作原理：光盘表面有许多数据凹坑是肉眼看不见的。光驱利用激光束的照射来获得平面和凹坑的信息。光驱是按顺时针方向旋转来读取数据。激光头发出激光束照射光盘，当激光束照射到光盘的平面上时，会有70％～80％的光反射回激光头，再传输到光检测系统中，记下“1”的信号。反之，当激光束照射到凹坑上，会造成激光散射，激光无法接收到反射信号，这时光检测器便会记下“0”的信号。这样，激光的光检测器不断将“1”和“0”的信号传送到光驱的解码电路中，由解码电路将它翻译成为可使用的“1”、“0”信号，进而再转换成音乐或其它数据。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种测量精度高，方便使用的激光数字角度测量传感器。

为实现上述目的，本实用新型激光数字式角度测量传感器是由刻蚀有至少一圈周向均匀密布的径向角度线的光盘，平行双光束双频率激光信号发射器、光盘反馈信号接收器和反馈信号处理器组成；且两束激光的周向间距小于角度线的周向间距，两束激光的周向宽度都小于角度线的周向宽度，反馈信号处理器根据两束激光反馈信号出现的次序确定角度方向，根据反馈信号出现的次数确定角度。径向角度线为径向并列分布的两圈时，各圈径向角度线配备独立的判读系统，两圈反馈数据相互参照来判定工作状况：反馈数据统一，则工作正常，反馈信号不一致，则必定有一组工作不正常，据此，可进行调整和维修。其原理是：从激光头的光电二极管发出的电信号经过转换，变成激光束射到光盘上。由于光盘是以凹凸不平的小坑代表“0”和“1”来记录数据的，因此它们接受激光束时所反射的光也有强弱之分，这时反射回来的光再经过平面棱镜的折射，由光电二极管变成电信号，经过控制电路的电平转换，变成只含“0”、“1”信号的数字信号，就能够读出光盘中的信息了。

本实用新型以仅用一圈角度线，一个由两个激光发生器组成的激光发射头即可得到转动方向和转动量，设计出角度测量传感器。这里所述激光发射头参照于普通的光驱激光头，不同的是普通的光驱激光头内部有一个发射单元即一个激光二极管或两个半导体激光发生器，而在此所述的激光发射头中，内部有两个发射单元，发射不同波长的激光，让两条激光线射在光盘上的距离明显缩短，利于提高精度。其与其他角度测量器相比它的特点为：直接输出数字信号、响应时间快、温度影响小、磨损小、变形小等；读取精度可达到1秒(1度/360*60*60)以下。

由于设计中采用了双激光线，所以经过计算才有了正脉冲和负脉冲的输出，而不是平常的0和1。正向脉冲代表光盘正向旋转，读取正向脉冲的数量说明旋转的量，即读取正向脉冲的数量除以光盘一周的角度线的数量，再乘以360度，就是正向旋转的角度。由于光盘径向角度线可以做得足够密，与现有的角度测量传感器相比具有精度高的优点；由于光盘数据技术非常成熟，设备体积小、重量轻、成本低、可靠性强，因此，具有方便实施的优点。

作为优化，光盘在角度线内侧还用激光刻蚀多条周向均匀分布的径向区位线，该区位线独立配置单束或双束激光信号发射器和光盘反馈信号接收器，并与角度线共用同一反馈信号处理器。该激光信号发射器优选普通的单束激光发射器。如此设计，既能提高测量精度，又能简化结构。

作为优化，光盘在角度线内侧还用激光刻蚀一条径向基准线，该基准线独立配置激光信号发射器和光盘反馈信号接收器，并与角度线和区位线共用同一反馈信号处理器；或该基准线确定机构由光电传感器代替。该激光信号发射器优选普通的单束激光发射器。当然，此基准位置也可由普通光电传感器代替，只是精度会降低。

作为优化，径向角度线为径向并列分布的两圈，各圈径向角度线配备独立的激光信号发射器、光盘反馈信号接收器和反馈信号处理器。径向角度线为径向并列分布的两圈时，各圈径向角度线配备独立的判读系统，两圈反馈数据相互参照来判定工作状况：反馈数据统一，则工作正常。两套并列装置的测量结果相互参照，能及时得知设备故障信息，另外，在一套出现故障时，还可以靠另一套来维持正常工作。

作为优化，平行双光束双频率激光信号发射器由两个并列的激光发生器和用于缩小激光束间距的透镜组成，光盘反馈信号接收器与光盘之间还配装有折射棱镜。为了便于测量传感器的生产、精度和调整等方面，激光数字角度测量传感器不使用一个发射单元的激光头，因为一个激光发射头中有两个发射单元，其发射单元的间距，稳定性等必然优于两个发射头内各有一个发射单元；一个激光头内两个或多个发射单元可以使用同一个透镜。使聚焦两条或多条激光线间距更小。而单独的激光头不具备此能力。因此一个激光头中有两个发射单元或多个发射单元优于单独的激光头。

作为优化，光盘反馈信号接收器由激光接收头和双选频放大器组成或由分光棱镜和双接收放大器组成；反馈信号处理器由组合逻辑门电路、加减计数器和时基电路、数据处理器组成，或由组合逻辑门电路、加减计数器和数据处理器组成。装有两个并列的激光发生器的激光发射头发射两束不同频率的平行激光，经过透镜聚焦后投射到光盘的径向角度线区域，光盘反馈信号经棱镜折射后；或被激光接收头接收，通过双选频放大器放大后，两路数字信号送组合逻辑门电路处理，或被分光棱镜分成两路激光线，两路激光线通过双接收放大器转换成两路数字信号，两路数字信号送组合逻辑门电路处理；经组合逻辑门电路处理后的数字信号送加减计数器，加减计数器的输出信号或经数据处理器处理后输出角度值，或经时基电路、数据处理器处理后输出角速度。

作为优化，光盘、激光信号发射器、光盘反馈信号接收器与被测量的轴共同固装在一个充有惰性气体的密闭空间内。如此设计，能使设备更稳定、耐用，抗干扰能力更强，数据更精确。

作为优化，平行双光束双频率激光信号发射器由两个并列的激光发生器和用于缩小激光束间距的透镜组成，光盘反馈信号接收器通过折射梭镜接收来自光盘的反馈信号。如此设计，有利于减化结构，缩小体积和提高性能。该传感器为了降低成本、缩减结构，外形可小于10cm*10cm*10cm。

采用上述技术方案后，本实用新型能直接输出数字信号、具有响应时间快、温度影响小、磨损小、变形小，结构简单，体积小、重量轻，成本低，性能可靠，安装使用方便，应用领域广的优点。最适合用于精密机床，雷达和火炮等机械装置的高精度测控。

附图说明

图1是本实用新型角度传感器的光盘结构示意图；

图2是本实用新型角度传感器的工作原理图；

图3是本实用新型角度传感器的整体结构示意图；

图4是本实用新型角度传感器的双束激光发射头结构示意图；

图5是本实用新型角度传感器的四束激光发射头结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例作更进一步的说明：

如图1、2、3和4所示，本实用新型角度传感器由刻蚀有两圈周向均匀密布的径向角度线L的光盘D，平行双光束双频率激光信号发射器、光盘反馈信号接收器和反馈信号处理器组成；且两束激光的周向间距小于角度线L的周向间距，两束激光的周向宽度都小于角度线L的周向宽度，反馈信号处理器根据两束激光反馈信号出现的次序确定角度方向，根据反馈信号出现的次数确定角度。

其测量过程是：装有两个激光发生器的激光发射头发射两路激光至透镜，经透镜聚焦后投射到光盘，光盘反射后经棱镜折射后进入A步；

其中A1步是经激光接收头接收后进行前置放大，经双选频放大器处理后输出两路数字信号，经组合逻辑门电路处理后进入C步；

其中A2步是经分光棱镜分成两路激光线，经双接收放大器处理后输出两路数字信号，经组合逻辑门电路处理后进入C步；前述两种步骤A1、A2可以选择适用。

C步为：经组合逻辑门电路处理后的数字信号送加减计数器，加减计数器的输出信号：经数据处理器处理后输出角度值，经时基电路、数据处理器处理后输出角速度。

逻辑门电路的输入信号有两路A和B，A和B的组合有：00、01、10和11；当为00和11时，则无输出；当为01时则输出正向信号，当为10时则输出反向信号。根据0和1的顺序确定旋转方向，根据0和1出现的次数确定旋转角度，即01或10出现的脉冲数量除以光盘一周角度线的数量，再乘以360度，就是正向或反向旋转的角度。参见逻辑门电路的真值表如下：

门电路真值表	输入		输出
					A	B	正向	反向
	1	0	0	0					0
2					0	1	0	1
	3	1	0	1					0
4					1	1	0	0

平行双光束双频率激光信号发射器由安装有两个并列的激光发生器Fa、Fb的激光发射头F和用于缩小激光束间距的透镜组T组成，透镜组T由两个并列的子透镜t1、t2和位于子透镜之后的大透镜t3，位于大透镜t3之后的小透t4组成。光盘D反馈信号接收器由折射棱镜S和激光接收头R组成。

两圈径向角度线L中一圈是基本线La、另一圈为参考线Lb，各自配备独立的激光信号发射器(前者由Fa、Ta组成，后者由Fb、Tb组成)，光盘反馈信号接收器(前者由Sa和Ra组成，后者由Sb和Rb组成)，反馈信号处理器。

将光盘D与激光发射头分别与两个同轴转动的物体同步转动，用每组两束激光读取光盘D刻录均匀的等角度等半径长度的线段，经过计算比较处理，输出转动角度和角速度。光盘D在角度线L内侧还用激光刻蚀六条周向均匀分布的径向区位线Lc，该区位线Lc独立配置单束激光信号发射器(由Fc、Tc组成)和光盘反馈信号接收器(由Sc和Rc组成)，并与角度线共用同一反馈信号处理器。

光盘D在径向区位线Lc内侧还用激光刻蚀一条径向基准线Ld，该基准线Ld独立配置单束激光信号发射器(由Fd、Td组成)和光盘反馈信号接收器(由Sd和Rd组成)，并与角度线和区位线共用同一反馈信号处理器。

其工作方式为：激光发射头F与光盘D分别固定于两个转动的物体上，物体转动时，光盘D相对于激光头旋转时，激光发射头F中有两个激光发生器Fa、Fb，分别发出两条不同的波长的高频调制激光穿过透镜Ta和分光棱镜Sa到光盘D的角度线La之后反射回来后，由分光棱镜Sa传到激光接收头Ra，Ra分别将两条反射激光信号进行放大选频接收，即可得到两路信号，分别将各路信号的强弱转变为高低电平，即“0”、“1”数字信号，输入门电路、加减计数器，计算处理后得到转动角度，将输出结果与时基电路计算，就可以得到角速度。

光盘中的CD、DVD等光盘，比如CD光盘，其上信息围绕光盘圆心记录在数据轨迹上，其轨迹间距约为1.6um，(目前DVD为0.74um，可以短到0.4～0.44um，取决于光盘类型；激光光点的直径与数值孔径(NA)成反比。CD光学系统的NA约为0.45，而DVD提高到0.52甚至0.6)。本实用新型所用的光盘，为无轨迹的光盘，在光盘上刻录上等角度等半径等长度的线段，作为读取转动量的数据信息，这圈连续的线段命名为角度线。

为了确保可靠性与及时调整，以及监控测量传感器的工况，本实用新型的设计中采用了两圈角度线如图4所示：La和Lb分别为独立使用的角度线；以及区位线Lc、校正线Ld。区位线Lc与校正线Ld的用途为测量传感器的实际使用中的基本位置初始位置的计算、调整以及对光盘的检验等。

比如：1，如果在单向旋转工作中，两次读取到Ld信号时，读取La(或Lb)的数据应该都是一个固定值，如有不同就需要检查分析测量传感器是否正常。2，测量传感器在工作中常常会在多次某一角度区域中正反方向转动，就需要借助区位线Lc进行分析测量传感器的工作情况。在数字电路中都是许多的“0”、“1”信息，如果一串数据中出现了错误信息，那怕是只有一位，数据就不准确了；在测量传感器失去电源、重新安装、调试的时候需要方便地知道光盘角度线的所在位置情况，仅仅靠校正线是不够的，因此加入了区位线Lc。区位线Lc为刻录多条围绕光盘圆心等长度的数条线段，多条线段按二进制编码组成，各个区位线Lc表示各自所在的位置信息。

激光发射头F发射两条不同调制频率的激光，由光盘D反射后经棱镜S送到接收器R，接收器R进行选频放大接收分别得到两路激光的反射信号，将两路信号做门电路运算得到方向。方向的判定：两路信号经输入门电路，运算后输出为正向“1”时，测量传感器得到正向一个单位的转动；在两路信号经输入门电路，运算后输出为反向“1”时，测量传感器得到反向一个单位的转动。将正向、反向的输出结果，再输入到加减计数器，就得到了有方向的转动数量，即转动的角度；将此输出与时基电路进行运算，即得到角速度。当然，门电路的输出直接输入计算机运算，得到的角度、角速度更为方便。角度线读取流程演示，真值表如下(请见第7页)：

说明：00之后为01：正向输出；00之后为10：反向输出。当然同理可得11之后为01：正向输出；11之后为10：反向输出等等。

为了让该测量传感器长期可靠地工作，尤其是光盘减少侵蚀，将该测量传感器内部制作为密封的结构，轴端使用密封材料处理，然后充入惰性气体。一般为常压即可，但为了增加惰性气体填充的可靠性，在该测量传感器上安装惰性气体的填充口；以及将充满压缩惰性气体的气瓶直接固定在该测量传感器上，并接入填充口。

在该测量传感器工作中，如果检测到工作误差或故障，不能及时更换就可能影响设备的正常工作，因此在一个光盘上制作两圈或多圈角度线以及其他数据线，同时安装两套/四套或多套激光发射头及所需处理器，不仅能及时调换其内部的工作系统，还可以在读取工作的同时进行有效的监察检测。

此类角度测量传感器经常安装在设备的轴端，为了适应设备上给其他部件或测量传感器留有安装位置，把激光数字角度测量传感器的转动轴制作为套筒形，这样可以镶套在设备轴上，因此把光盘的内孔的直径加大，以便测量传感器可以制作成可以镶套使用的方式。

激光数字角度测量传感器在震动抖动环境中，以及保障机械强度，除了加强结构、器件以及安装固定外，将光盘成倍地加厚，一般光盘厚度小于2毫米，约为1.2至1.8毫米，在激光数字角度测量传感器中使用两倍或数倍加厚的光盘，并且采用与刚性材料复合的方法，降低光盘的变形度。

所述测量传感器为了有更广泛的应用，适应影响设备转动小、成本低、重量轻、空间小等要求，可以将激光数字角度测量传感器的光盘制作为小于80毫米、小于60毫米的光盘。其使用适用范围必然增加。

为了激光数字角度测量传感器的得到更加精确的数据，除了制造中提高精确度，还可以大幅度增加光盘的外径尺寸，不仅大于120毫米、大于240毫米，制造为大于320毫米的光盘，同时采用加强光盘强度使用符合光盘的方法，如制作1米直径的光盘。得到更精确的角度数据。

如图5所示，为了提高可靠性，便于调试等，在一个激光发射头F中安装4个激光发生器Fn。

Claims (7)

1、一种激光数字角度测量传感器，其特征在于由刻蚀有至少一圈周向均匀密布的径向角度线的光盘，平行双光束双频率激光信号发射器、光盘反馈信号接收器和反馈信号处理器组成；且两束激光的周向间距小于角度线的周向间距，两束激光的周向宽度都小于角度线的周向宽度，反馈信号处理器根据两束激光反馈信号出现的次序确定角度方向，根据反馈信号出现的次数确定角度。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于光盘在角度线内侧还用激光刻蚀多条周向均匀分布的径向区位线，该区位线独立配置单束或双束激光信号发射器和光盘反馈信号接收器，并与角度线共用同一反馈信号处理器。

3、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于光盘在角度线内侧还用激光刻蚀一条径向基准线，该基准线独立配置激光信号发射器和光盘反馈信号接收器，并与角度线和区位线共用同一反馈信号处理器；或该基准线确定机构由光电传感器代替。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于径向角度线为径向并列分布的两圈，各圈径向角度线配备独立的激光信号发射器、光盘反馈信号接收器和反馈信号处理器。

5、用于实施权利要求1、2、3或4所述的传感器，其特征在于平行双光束双频率激光信号发射器由两个并列的激光发生器和用于缩小激光束间距的透镜组成，光盘反馈信号接收器与光盘之间还配装有折射棱镜。

6、根据权利要求5所述的传感器，其特征在于光盘反馈信号接收器由激光接收头和双选频放大器组成或由分光棱镜和双接收放大器组成；反馈信号处理器由组合逻辑门电路、加减计数器和时基电路、数据处理器组成，或由组合逻辑门电路、加减计数器和数据处理器组成。

7、根据权利要求6所述的传感器，其特征在于光盘、激光信号发射器、光盘反馈信号接收器与被测量的轴共同固装在一个充有惰性气体的密闭空间内。

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