一種連續增量式光臂放大型高精度角度傳感器及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種精密測試技術及儀器領域，特別涉及一種連續增量式光臂放大型 高精度角度傳感器及測量方法。
【背景技術】
[0002] 角度傳感器是一種常用的幾何量傳感器，在航空航天、工業生產、機械制造以及軍 事科學等很多領域中都有廣泛的使用。目前市場上主流的測角度傳感器有光電編碼器、旋 轉變壓器及圓盤式感應同步器。
[0003] 光電編碼器俗稱圓光柵，其利用圓光柵產生的莫爾條紋以及光電轉換技術將角度 信息以脈沖量的形式輸出。與其它測角度傳感器相比，圓光柵具有體積小、重量輕、測角精 度高、響應速度快、抗干擾能力強、使用方便等優點，在精密測量領域得到廣泛應用。但由于 圓光柵制造工藝采用光刻工藝的原因，圓周刻線數越多，測量精度也越高，其制造難度大， 成本高，造成圓光柵價格居高不下。特別對于小型精密儀器而言，半徑小的情況下很難提高 圓光柵的測量精度。
[0004] 旋轉變壓器俗稱旋變，是一種輸出電壓隨轉子轉動角度變化而變化的測角元件。 它具有堅固、耐熱、耐沖擊、抗干擾能力強、響應速度快、制造成本低等優點，廣泛應用與工 業生產各領域。旋轉變壓器的種類很多，其中應用最廣泛的是正余弦旋轉變壓器。其原理 相當于一個能夠轉動的變壓器，定子與轉子之間隨著角度變化輸出與轉子轉動角度相關的 正余弦信號。該類旋轉變壓器的測角精度通常在5角秒至10角秒量級。
[0005] 圓盤式感應同步器是一種基于電磁感應原理的角度傳感器。圓盤式感應同步器的 轉子共有N個導片。當轉子轉過角度Θ時，定子繞組A和B分別感應輸出相應感應電動勢。 感應同步器有鑒幅型和鑒相型兩種工作方式。圓盤式感應同步器具有較高精度和分辨力、 抗干擾能力強、使用壽命長、成本較低、維護簡單等特點。
[0006] 三類角度傳感器中，圓光柵的優點是測量的動態性好、抗干擾能力強、測角精度 高，缺點是對機械軸線的加工精度和安裝精度要求高，其價格也相對較高。旋轉變壓器的優 點是成本低，加工精度與安裝精度低，缺點是測量精度相對較低。圓盤式感應同步器測優點 是制造成本低、測量精度較高、加工精度與安裝精度低的特點。
[0007] 當前測角度的三類角度傳感器中，精度最高的是圓光柵，其精度在角秒的量級，例 如英國Renishaw公司生產的RESR系列精密圓光柵，外徑75mm的圓光柵其系統精度為3. 9 角秒。但由于光刻工藝的限制，造成圓光柵測角精度很難再有提升，特別是對于小半徑圓光 柵，其測角精度無法進一步的提高，已經在很多精密測量儀器中已經成為限制儀器精度的 關鍵因素；同時由于工藝原因，高精度的圓光柵價格高昂，限制了其應用范圍。

【發明內容】

[0008] 本發明的目的在于克服現有角度傳感器由于其制造工藝、結構、成本限制導致的 精度很難進一步提高，提供一種連續增量式光臂放大型高精度角度傳感器及測量方法，該 角度傳感器以反射部件軸線作為傳感器旋轉軸線，反射部件具有連續的多個反射面，通過 兩個激光束來實現對被測物體角度連續變化的測量，其傳感器結構簡單，測角精度高測量 角度范圍大，易于實現批量制造。
[0009] 為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案：
[0010] -種連續增量式光臂放大型高精度角度傳感器，包括：
[0011] 激光束一、激光束二；
[0012] 反射部件，所述反射部件用于固定被測物體，所述反射部件可旋轉并且沿周向設 有若干個反射面，每個所述反射面用于將所述激光束一、激光束二進行反射；
[0013] 光電探測器一，用于接收所述激光束一在所述反射部件中的反射面反射后的激光 束并顯示其反射位置；
[0014] 光電探測器二，用于接收所述激光束二在所述反射部件中的反射面反射后的激 光束并顯示其反射位置；
[0015] 處理系統，根據所述光電探測器一上所接收到的激光束一反射位置變化值和所述 光電探測器二上所接收到的激光束二反射位置變化值，處理得到所述反射部件上被測物體 的旋轉角度值。
[0016] 該連續增量式光臂放大型高精度角度傳感器，通過將被測物體連接在反射部件 上，激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面表面后分別反射到光電探測器一、光 電探測器二上。由于被測物體旋轉時，反射部件隨之一起旋轉，通過測量旋轉過程中的反射 面反射出激光束一、激光束二分別位于光電探測器一、光電探測器二上的反射位置點的變 化，每個時刻激光束一、激光束二在反射面上反射后的兩條激光束中至少有一條反射激光 能夠被對應的光電探測器一、光電探測器二所檢測，即光電探測器一、光電探測器二的長度 適應激光束一、激光束二反射激光束在對應光電探測器上反射位置點的變化長度。處理系 統能夠根據兩個光電探測器上激光束一、激光束二反射位置的變化來計算被測物體旋轉角 度的變化值，該傳感器結構簡單，適用于被測物體角度連續變化的測量，尤其適用于被測 物體的旋轉角度大于反射部件每個反射面對應的角度2 Θ的測量，可以測量到其連續旋轉 大于360°角度，或者被測物體經過多次以正轉或/和反轉等連續旋轉之后的角度值γ'， 其測量可靠，易于實現批量制造。
[0017] 該光電探測器一、光電探測器二可以采用一種對光點位置敏感的光電器件，可以 測出光點的一維坐標的長方形器件。比如，光電探測器可選擇一維線性光電探測器（簡稱 一維PSD)，也可選擇成二維平面光電探測器（簡稱二維PSD)。
[0018] 優選地，所述反射部件設有便于固定被測物體的安裝孔。
[0019] 該反射部件的旋轉軸設置同軸內孔，作為被測物體的安裝孔，實現被測工件的安 裝。
[0020] 優選地，所述反射部件上的全部所述反射面形狀大小相同。
[0021] 優選地，所述反射部件為正多邊形立柱，所述正多邊形立柱的每個側面為所述反 射面。
[0022] 該正多邊形立柱的反射側面形狀和大小均一樣，且由于反射面也均采用平面反 射，更易于檢測和計算。
[0023] 優選地，所述光電探測器二與所述光電探測器一相互平行設置。
[0024] 優選地，所述激光束一、激光束二分別通過激光源一和激光源二發射得到該激光 束。
[0025] 優選地，還包括激光源一、分光鏡和至少一個反光鏡，所述激光源一發射的激光束 入射到分光鏡經反射和透射分別得到兩條激光束一一即所述激光束一、激光束二，所述激 光束一、激光束二經所述反射部件的兩個不同反射面分別反射激光束并被對應所述光電探 測器一、光電探測器二所接收。
[0026] 只需要一個激光源一，通過分光鏡和反光鏡分別產生激光束一、激光束二，在保證 測量結果的情況下，節約了能源，降低了成本。
[0027] 本發明還提供了一種連續增量式光臂放大型高精度角度傳感器的測量方法，包括 如上述的連續增量式光臂放大型高精度角度傳感器，其測量方法包括以下步驟：
[0028] 步驟一、將所述反射部件固定在被測物體上；
[0029] 步驟二、調整激光束一、激光束二、反射部件、光電探測器一、光電探測器二的位置 關系，使其相互適配，使激光束一、激光束二在所述反射部件上反射的兩條激光束能夠分別 被所述光電探測器一、光電探測器二探測到，所述光電探測器一、光電探測器二與處理系統 通信連接；
[0030] 步驟三、發射激光束一、激光束二，所述激光束一、激光束二分別經過所述反射部 件的不同反射面反射后，所述光電探測器一、光電探測器二檢測到該反射光束的初始位 置；
[0031] 步驟四、被測物體旋轉，在旋轉過程中，所述光電探測器一、光電探測器二分別檢 測到所述激光束一、激光束二的反射激光束在各自探測器上反射位置的變化，直到被測物 體旋轉停止；
[0032] 步驟五、處理系統通過對所述步驟三、步驟四中所述光電探測器一、光電探測器二 所檢測到的激光束一、激光束二的反射激光束的位置變化進行處理，獲得所述反射部件上 被測物體的旋轉角度值。
[0033] 該測量方法能夠測量連續增量式角度變化，比如360°的旋轉角度，即γ ^ > 2 Θ 時，測量可靠，操作簡單、提高了測量角度范圍。
[0034] 優選地，所述光電探測器一和光電探測器二上均設置有對該兩個光電探測器進 行切換檢測的兩個臨界點，兩個所述臨界點所對應的所述反射部件的每個反射面旋轉角度 分別為該光電探測器的檢測極大值和檢測極小值，所述反射部件的兩個不同反射面反射的 兩條激光束中至少有一條反射激光束位于該光電探測器中的兩個臨界點之間的檢測區域； 所述處理系統對光電探測器一和光電探測器二之間切換檢測計算的方法為，當所述光電探 測器一、光電探測器二中其中一個探測到反射激光束超出該光電探測器中兩個臨界點之間 區域時，所述處理系統自動切換到采用另一個光電探測器檢測區域內的激光束檢測值進行 計算。
[0035] 該光電探測器一和光電探測器二上均設置兩個臨界點作為檢測對應反射面的旋 轉角度，兩個光電探測器的配合，可以滿足始終能夠檢測該反射部件的反射面反射其中一 束激光束到對應光電探測器的位置。處理系統能夠通過光電探測器一和光電探測器二上激 光束反射的位置，分別獲得對應反射面旋轉的方向和角度，處理系統還可以通過對兩個光 電探測器的檢測的切換、疊加運算，最終獲得該被測物體的旋轉角度。
[0036] 進一步優選地，所述反射部件的兩個不同反射面反射的兩條激光束中只有一條反 射激光束位于該光電探測器中的兩個臨界點之間的檢測區域，且所述反射部件中其中一個 反射面反射的激光束對應所述光電探測器一上臨界點為該反射面旋轉角度的檢測極大值 時，所述反射部件另一個反射面反射的激光束對應所述光電探測器二上臨界點為該反射面 旋轉角度的檢測極小值；所述反射部件中其中一個反射面反射的激光束對應所述光電探測 器一上臨界點為該反射面旋轉角度的檢測極小值時，所述反射部件另一個反射面反射的激 光束對應所述光電探測