CN2802450Y - 机械陀螺绕动角度动态测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机械陀螺绕动角度动态测量装置，该装置由激光光源、凹抛物面镜、反射镜、位置敏感探测器、数据处理电路、数据采集卡、电源控制电路和计算机组成。计算机处理由数据采集卡输出的两路数字电压信号，并实时显示出陀螺转子扰动角的大小，且计算机输出控制信号经数据采集卡到电源控制电路，由电源控制电路分别给激光器和位置敏感探测器提供稳压直流电。本实用新型使陀螺转子扰动角的检测从手工测量转到了依靠科学数据的自动化测量中来，并大大简化了检测工艺；可以动态高精度的测量出陀螺转子绕动角的大小，在+/－10′的范围内，检测精度可达到0.1′；可广泛应用于航空、航天及其他领域的角度、位置的检测。

Description

机械陀螺绕动角度动态测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种角度动态测量装置。

背景技术

在微小角度的测量中，常用的装置主要有两类：

(1)机械式和电磁式测角装置。机械式测角装置主要以多尺度分度盘为代表，从上个世纪30年代，美国GAGC公司研制出第一个完整的圆分度器件开始到上个世纪末，由前苏联考纳斯机床厂制造的角度测量仪测量准确度已经达到了0.1″。同样，电磁分度测量装置也实现了较高的分度准确度，测量准确度达到了1″的数量级。机械式和电磁式测角装置的主要缺点是大多为手工测量，不容易实现自动化，应用的范围受到了限制。

(2)光学测角装置。光学测角装置历来以其较高的测量准确度受到人们的重视，光学测角装置的应用也越来越广泛。目前，光学测角装置除光学分度头法测角和多面棱镜法测角外，常用的还有光电编码器法测角、自准直法测角、莫尔条纹法测角、平行干涉图法测角、圆光栅法测角、光学内反射法测角、激光干涉法测角以及环形激光法测角等。这些装置在应用于小角度的精密测量中，达到了很高的测量精度。但是，由于光学仪器往往调节复杂，操作困难，很难实现动态、自动化测量，而且在动态测量的情况下，测量精度大大降低。

目前，在陀螺转子的绕动角测量中，通常采用的是机械式测角装置，只能进行定性的测量，而不能给出定量的数据。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种机械陀螺绕动角度动态测量装置，该装置能够实现对陀螺转子的量化测量，实时测量出陀螺转子的绕动角，且具有较高的测量精度。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种机械陀螺绕动角度动态测量装置由激光光源、凹抛物面镜、反射镜、位置敏感探测器、数据处理电路、数据采集卡、电源控制电路和计算机组成；激光光源按顺序依次包括激光器、入口透镜、入口调节光阑、中间透镜和出射透镜，它们的光学主轴在一条直线上，激光光源经束腰、发散后，发射出单频的激光束，其光斑直径大小满足位置敏感探测器的分辨率；凹抛物面镜置于被测陀螺面上，激光电源发出的发散激光束经凹抛物面镜反射后，得到的平行光束入射到反射镜上，经反射镜反射后的光束垂直入射到位置敏感探测器的光敏面上；位置敏感探测器将上述光束转换为与光斑在光敏面上的位置一一对应的五路模拟电流信号；数据处理电路将五路模拟电流信号转换为代表位置坐标的二路模拟电压信号输出；数据采集卡将二路模拟电压信号转换为两路数字电压信号输入到计算机中；电源控制电路将220V交流电转换为直流电，分别给激光器提供+5V稳压直流电和位置敏感探测器提供+15V、-15V的稳压直流电；通过计算机处理由数据采集卡输出的两路数字电压信号，并实时显示出陀螺转子扰动角的大小，且计算机输出控制信号经数据采集卡输入到电源控制电路。

本实用新型与现有技术相比具有以下的优点：

(1)本实用新型使陀螺转子扰动角的检测从依靠经验的手工测量转到了依靠科学数据的自动化测量中来，并大大简化了检测工艺。

(2)本实用新型可以动态高精度的测量出陀螺转子绕动角的大小，在+/-10′的范围内，检测精度可达到0.1′。

(3)本实用新型可以广泛应用于航空、航天及其他领域的角度、位置的检测。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的结构示意图。

图2为图1中激光光源的示意图。

图3为图1中电源控制电路一种实施例的电路图。

具体实施方式

由图1～图2所示，本实用新型由激光光源1、凹抛物面镜2、反射镜3、位置敏感探测器4、数据处理电路5、数据采集卡6、电源控制电路7和计算机8组成。

激光光源1发射出高稳单频的发散激光束，其光斑直径大小应满足位置敏感探测器4的分辨率。例如，采用S1880枕形结构二维位置敏感探测器，其光斑直径应为0.5mm～1mm。激光束最好以倾斜45度角入射到凹抛物面镜2上，其倾斜角度可以根据所应用的领域不同而改变。

激光光源1按顺序依次包括半导体激光器9、入口透镜10、入口调节光阑11、中间透镜12和出射透镜13，它们的光学主轴在一条直线上，为了使到达反射镜3上的为平行光束，出射透镜13和凹抛物面镜2之间的距离由凹抛物面镜2的曲率半径决定。半导体激光器9输出平行光，经过入口透镜10和中间透镜12构成的共焦透镜组，对激光束进行束腰，入口调节光阑11调节入射光的大小，从中间透镜12出射的光经过出射透镜13发散后，入射到凹抛物面镜2上。光束压缩比取决于所选入口透镜10和中间透镜12的焦距之比，以保证激光光源1出射光斑的大小满足位置敏感探测器4的分辨率。在激光光源1中的出射透镜13后可设置锥形出口光阑，减少由于陀螺上凹抛物面镜2的漫反射光返回光路，造成二次反射，影响系统的精度。

凹抛物面镜2与被测陀螺转子相固定，激光电源1发出的激光束经凹抛物面镜2反射后，得到的平行光束入射到反射镜3上。凹抛物面镜2的具体的形状可以根据应用领域的不同而发生改变，但一定是凹面，为的是不让光束发散及有很大的扫描范围，可为抛物面镜或球面镜等。

反射镜3将上述平行光束反射后，垂直入射到位置敏感探测器4的光敏面上，反射镜3最好为高平面反射镜，其表面可镀金。

位置敏感探测器4将经反射镜3反射后的光束转换为与光斑在光敏面上的位置一一对应的五路模拟电流信号。位置敏感探测器4是一个光电传感器。

数据处理电路5将五路模拟电流信号转换为代表位置坐标的二路模拟电压信号输出，分别为位置敏感探测器4坐标轴上的x、y两个方向的位置数据，为一个点的坐标，信号处理电路5为常规的信号处理电路。

数据采集卡6将二路模拟电压信号进行A/D后，转换为两路数字电压信号输入到计算机8中，数据采集卡6可采用软件触发的可编程的研华PCL-818HD数据采集卡或PCL-818HL数据采集卡。

电源控制电路7将220V交流电转换为直流电，分别给半导体激光器8提供+5V稳压直流电和位置敏感探测器4提供+15V、-15V的稳压直流电。

通过计算机8实时处理由数据采集卡6输出的两路数字电压信号，得到光斑在位置敏感探测器4上的运动情况，进而计算出机械陀螺转子扰动角的大小，并实时显示。计算机8可以通过软件编程输出控制信号，经数据采集卡6输出到电源控制电路7。

利用VC++6.0编程将与位置有关的两路数字电压信号直接画到一个二维四象限坐标系中，根据二维四象限坐标系中的点的变化，可以实时给出位置敏感探测器4上的点的变化，通过计算二维四象限坐标系中的两次点的位置的变化，可以计算出由于陀螺转子绕动，在运动中由于绕动带来的偏移量，从而计算出陀螺转子由于高速运转而带来的绕动角的大小。系统软件在WINDOWS操作系统下运行，运用VC++6.0来处理分析数据并负责数据显示在计算机上，软件还完成人机交换任务，可以由软件来控制测量的开始和停止，以及对激光器的电源开关的控制。

由图3所示，电源控制电路7的一种接法为：数据采集卡6的二个输出端与第一双路输出模块14的二个输入端相接，第一双路输出模块14和第二双路输出模块15相连接，第二双路输出模块15的二个输入端接220V交流电源，输出端+5V接三端稳压模块16的输入端a，在另一输出端OL与三端稳压模块16的输入端a之间接电容C1，在该输出端OL与三端稳压模块16的输出端c之间接电容C2，该输出端OL和三端稳压模块16的输出端c连接到半导体激光器9，在三端稳压模块16的输入端a与输出端b之间接二极管D1，电阻R1与二极管D2相并联接在三端稳压模块16的二个输出端b、c之间，第二双路输出模块15的二个输出端+15V，-15V接位置敏感探测器4。第一双路输出模块14可采用ZAD-515-WB，第二双路输出模块15可采用ZAD10-15-W，三端稳压模块16可采用LM317。

Claims (3)

1.一种机械陀螺绕动角度动态测量装置，其特征在于：由激光光源(1)、凹抛物面镜(2)、反射镜(3)、位置敏感探测器(4)、数据处理电路(5)、数据采集卡(6)、电源控制电路(7)和计算机(8)组成；

激光光源(1)按顺序依次包括激光器(9)、入口透镜(10)、入口调节光阑(11)、中间透镜(12)和出射透镜(13)，它们的光学主轴在一条直线上，激光光源(1)经束腰、发散后，发射出单频的激光束，其光斑直径大小应满足位置敏感探测器(4)的分辨率；

凹抛物面镜(2)置于被测陀螺面上，激光电源(1)发出的发散激光束经凹抛物面镜(2)反射后，得到的平行光束入射到反射镜(3)上，经反射镜(3)反射后的光束垂直入射到位置敏感探测器(4)的光敏面上；

位置敏感探测器(4)将上述光束转换为与光斑在光敏面上的位置一一对应的五路模拟电流信号；

数据处理电路(5)将五路模拟电流信号转换为代表位置坐标的二路模拟电压信号输出；

数据采集卡(6)将二路模拟电压信号转换为两路数字电压信号输入到计算机(8)中；

电源控制电路(7)将220V交流电转换为直流电，分别给激光器(8)提供+5V稳压直流电和位置敏感探测器(4)提供+15V、-15V的稳压直流电；

通过计算机(8)处理由数据采集卡(6)输出的两路数字电压信号，并实时显示出陀螺转子扰动角的大小，且计算机(8)输出控制信号经数据采集卡(6)输入到电源控制电路(7)。

2.根据权利要求1所述的机械陀螺绕动角度动态测量装置，其特征在于：所述电源控制电路(7)的接法为，数据采集卡(6)的二个输出端与第一双路输出模块(26)的二个输入端相接，第一双路输出模块(26)和第二双路输出模块(27)相连接，第二双路输出模块(27)的二个输入端接220V交流电源，输出端+5V接三端稳压模块(28)的输入端a，在第二双路输出模块(27)的另一输出端与三端稳压模块(28)的输入端a之间接电容C1，该输出端与三端稳压模块(28)的输出端c之间接电容C2，该输出端和三端稳压模块(28)的输出端c连接到半导体激光器(9)，在三端稳压模块(28)的输入端a与输出端b之间接二极管D1，电阻R1与二极管D2相并联接在三端稳压模块(28)的二个输出端b、c之间，第一双路输出模块(26)的二个输出端+15V，-15V接位置敏感探测器(4)。

3.根据权利要求1或2所述的机械陀螺绕动角度动态测量装置，其特征在于：在激光光源(1)中的出射透镜(13)后设置锥形出口光阑。

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