一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器

本发明属于精密仪器，具体涉及一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器。

背景技术：

1、角度测量传感器是用于测量角度变化的仪器，在航空航天、工业自动化、机械设备控制和车辆导航等很多领域都有广泛应用，通过测量角度变化为控制系统提供反馈，从而实现精准控制与导航。

2、为实现高精度角度测量，专利号为201510276409.0，名称为“一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器”的中国专利公开了一种角度传感器，该传感器结构简单，适用于被测物体角度连续增量的变化测量，测量可靠，易于实现批量制造；但该传感器的测量精度与psd的精度相关，psd的精度影响了最终的角度测量精度，因此研究一种新型角度传感器就具有重要研究意义。

技术实现思路

1、本发明第一方面目的是解决现有角度传感器通过psd组件对被测物体连续增量的位置变化进行测量时，位置变化量的测量结果受psd组件自身精度影响大的技术问题，本发明提供了一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，通过偏转激光入射角使得被测物体转动前后在光电探测组件上的激光位置重合，并通过聚光透镜消除入射光斑偏移误差对角度测量精度的影响并通过直角三棱镜降低聚光透镜对角度测量精度的影响，实现反射部件转动角度的高精度测量，主要构思为：

2、一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：包括光源、光电偏转器、反射组件和光电探测组件，光源发射激光，光电偏转器对光源发射的激光进行角度偏转；光源产生的激光经过光电偏转器偏转控制后入射至反射组件，经反射组件反射后入射至光电探测组件；光电探测组件设置有直角三棱镜和聚光透镜，直角三棱镜接收反射组件反射的激光，直角三棱镜对激光的出射角进行放大并射入聚光透镜，聚光透镜将入射激光进行聚焦。光源的激光经过光电偏转器偏转控制后射入反射组件，在反射组件上反射后的激光反射至光电探测组件，光电探测组件中设置的直角三棱镜和聚光透镜，通过聚光透镜对于入射点偏移状态下的激光通过折射聚焦至光电探测组件，在入射点偏移后，进行激光入射角调节的测量激光(即入射至聚光透镜的激光与未偏移时的聚光透镜的入射激光平行)与入射点未偏移发射的初始激光聚焦在光电探测组件的同一位置，消除入射光斑偏移误差对角度测量的影响；测量激光与初始激光之间小角度范围内偏差难以进行是否平行的判断，且在经过聚光透镜聚焦后用于接收的光电探测组件也难以检测光斑是否重合产生测量误差。本方案还设置直角三棱镜对聚光透镜的入射激光的变化角度进行放大，将还存在小角度偏移的测量激光的入射角进行放大，使得清晰识别出测量激光与初始激光之间存在的偏移量，则光电偏转器继续对激光进行调节直至测量激光与初始激光平行，降低聚光透镜对角度测量精度影响。

3、入射光斑偏移即入射点偏移是由于光电偏转器对激光进行偏转控制时，角度发生变化时，激光入射至反射组件的位置也发生变化，且反射组件在选择后，入射点也将发生偏移。

4、优选的，所述光电探测组件还设置光电探测器，光电探测器接收聚光透镜聚焦后的激光。

5、优选的，所述直角三棱镜接收的激光在出射界面的入射角小于全反射角0°至1°，激光入射至直角三棱镜的直角边，在斜边进行折射后射出。直角三棱镜的直角面为反射激光接收的位置，当反射组件未发生转动和激光未进行角度偏转调节时，直角三棱镜的直角面与射入光电探测组件的光源路径垂直。当调整后的入射激光与初始激光的角度接近时，两者偏移的角度过小难以识别，且经过聚光透镜聚焦后更加难以核验。本方案设置直角三棱镜能够将小角度的射入直角棱镜的入射激光与初始激光角度偏差量进行放大，通过持续对激光进行调节，使得入射至直角三棱镜的入射激光与入射至直角三棱镜的初始激光平行。

6、优选的，所述聚光透镜对激光进行聚焦。聚光透镜将测量激光向初始激光的方向进行偏转，使得通过聚光透镜进行偏转聚焦后的测量激光与初始激光的光斑重合。

7、本发明第二方面是解决被测物体转动角度很小的情况难以准确测量的技术问题。进一步的，所述光源与光电偏转器距离1-5mm。光电偏转器对激光偏移的角度与光电偏转器偏转控制的时间呈正比，计算光电偏转器实现激光偏转调节的时间即可计算出激光在光电偏转器的作用下的偏转角度，将光电偏转器设置在光源和反射组件之间，对射入反射组件的激光入射角进行调节，通过光电偏转器将与被测物体同步转动的反射组件的旋转角位移测量转换为时间测量，通过高精度的时间测量实现高精度的角度测量。

8、优选的，光源为激光器。

9、优选的，还包括平面反射镜，用于反射反射组件反射出的激光。

10、优选的，所述光电偏转器对光源进行高频匀速的角度偏转控制，光电偏转器通过时间计量激光的偏转角度，光电偏转器用于改变激光入射至反射组件的入射角度。光电偏转器对激光能够进行高频率的控制使得激光出射角度进行匀速的偏转调节，通过时间和角速度调节关系就能实现偏转角度的高精度计算。

11、优选的，所述反射组件包括正棱柱反射镜，正棱柱反射镜设置多个测量面，平面反射镜与正棱柱反射镜的测量面相对设置，平面反射镜与测量面之间形成反射腔。通过平面反射镜和正棱柱反射镜之间反射腔的多次反射可以有效降低入射点偏移造成的角度误差，正棱柱反射镜发生转动后，激光在反射腔内多次反射将正棱柱反射镜实际的旋转角度实现了数倍放大，同时借助于时间测量实现高精度的角度测量；正棱柱反射镜设置在被测物体上，正棱柱反射镜随被测物体进行同步旋转，保证反射镜与被测物体的旋转角度一致。

12、本发明第三方面是解决测量量程不足的难题。进一步的，所述正棱柱反射镜设置多个反射面，多个所述反射面交替选出多个测量面，每个所述测量面设置光源、光电偏转器、光电探测组件、平面反射镜，且将光源、光电探测组件、平面反射镜封装为测头，多个测头错位设置在多个测量面对侧。根据正棱柱反射镜可旋转的范围进行匹配设置多个测头位置，将正棱柱反射镜可旋转角度分为多个区间，依次在正棱柱反射镜上设置匹配不同测量范围的测头，通过交替增量的方式实现角度的连续性测量，通过设置多个测头对正棱柱反射镜的转动进行测量，弥补了单个测头的光电探测组件测量量程不足的问题；此外，为了有效降低入射点偏移造成的角度误差，各测量系统中光电探测组件与正棱柱反射镜之间的距离适当进行增加。

13、本发明的有益效果在于：可以通过聚光透镜消除入射光斑偏移误差对角度测量的影响，并通过直角三棱镜降低聚光透镜对角度测量精度的影响，实现反射部件转动角度的高精度测量。同时通过高频匀速偏转控制将角度测量转化为时间测量，借助于高精度的时间测量提高角度测量的精度。

技术特征：

1.一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：包括光源(1)、光电偏转器(2)、反射组件和光电探测组件，光源(1)发射激光，光电偏转器(2)对光源(1)发射的激光进行角度偏转；光源(1)产生的激光经过光电偏转器(2)偏转控制后入射至反射组件，经反射组件反射后入射至光电探测组件；光电探测组件设置有直角三棱镜(5)和聚光透镜(6)，直角三棱镜(5)接收反射组件反射的激光，直角三棱镜(5)对激光的出射角进行放大并射入聚光透镜(6)，聚光透镜(6)将入射激光进行聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述光电探测组件还设置光电探测器(7)，光电探测器(7)接收聚光透镜(6)聚焦后的激光。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述直角三棱镜(5)的接收的激光在出射界面的入射角小于全反射角0°至1°，激光入射至直角三棱镜(5)的直角边，在斜边进行折射后射出。

4.根据权利要求1所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述聚光透镜(6)对入射激光进行聚焦。

5.根据权利要求1所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述光源(1)和光电偏转器(2)距离在1-5mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：还包括平面反射镜(4)，用于反射反射组件反射出的激光。

7.根据权利要求6所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述光电偏转器(2)对光源进行高频匀速的角度偏转控制，光电偏转器(2)通过时间计量光源的偏转角度，光源偏转器(2)用于改变激光入射至反射组件的入射角度。

8.根据权利要求1所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述反射组件包括正棱柱反射镜(3)，正棱柱反射镜(3)设置多个测量面(8)，平面反射镜(4)与正棱柱反射镜(3)的测量面(8)相对设置，平面反射镜(4)与测量面(8)之间形成反射腔。

9.根据权利要求8所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述正棱柱反射镜(3)设置在被测物体上，正棱柱反射镜(3)随被测物体进行同步旋转。

10.根据权利要求9所述的一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，其特征在于：所述正棱柱反射镜(3)设置多个反射面，多个所述反射面通过交替式选出多个测量面(8)，每个所述测量面(8)设置光源(1)、光电偏转器(2)、光电探测组件、平面反射镜(4)，且将光源(1)、光电探测组件、平面反射镜(4)封装为测头，多个测头错位设置在多个测量面(8)对侧。

技术总结本发明涉及一种基于时间计量的光臂放大式角度测量传感器，包括光源、光电偏转器、反射组件和光电探测组件，光源产生的激光经过光电偏转器偏转控制后入射至反射组件，经过反射组件反射后入射至光电探测组件；光电探测组件设置有直角三棱镜和聚光透镜，直角三棱镜接收反射组件反射的激光，直角三棱镜对激光的出射角进行放大并射入聚光透镜，聚光透镜将入射激光进行聚焦。本发明通过聚光透镜消除入射光斑偏移误差对角度测量精度的影响，并通过直角三棱镜降低聚光透镜对角度测量精度的影响，实现反射部件转动角度的高精度测量。技术研发人员：张白,刘春朋,尹子鹏,高峰,马奎,周春艳受保护的技术使用者：北方民族大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12