新型光臂放大式高精度角度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種精密測(cè)試技術(shù)及儀器領(lǐng)域，特別設(shè)及一種新型光臂放大式高 精度角度傳感器。
【背景技術(shù)】
[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(yè)生產(chǎn)、機(jī)械制造W及軍 事科學(xué)等很多領(lǐng)域中都有廣泛的使用。目前市場(chǎng)上主流的測(cè)角度傳感器有光電編碼器、旋 轉(zhuǎn)變壓器及圓盤式感應(yīng)同步器。
[0003] 光電編碼器俗稱圓光柵，其利用圓光柵產(chǎn)生的莫爾條紋W及光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將角度 信息W脈沖量的形式輸出。與其它測(cè)角度傳感器相比，圓光柵具有體積小、重量輕、測(cè)角精 度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在精密測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shù)越多，測(cè)量精度也越高，其制造難度大， 成本高，造成圓光柵價(jià)格居高不下。特別對(duì)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(cè)量精度。
[0004] 旋轉(zhuǎn)變壓器俗稱旋變，是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化而變化的測(cè)角元件。 它具有堅(jiān)固、耐熱、耐沖擊、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工 業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)變壓器的種類很多，其中應(yīng)用最廣泛的是正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。其原理 相當(dāng)于一個(gè)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的變壓器，定子與轉(zhuǎn)子之間隨著角度變化輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度相關(guān)的 正余弦信號(hào)。該類旋轉(zhuǎn)變壓器的測(cè)角精度通常在5角秒至10角秒量級(jí)。 陽(yáng)〇化]圓盤式感應(yīng)同步器是一種基于電磁感應(yīng)原理的角度傳感器。圓盤式感應(yīng)同步器的 轉(zhuǎn)子共有N個(gè)導(dǎo)片。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度0時(shí)，定子繞組A和B分別感應(yīng)輸出相應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 感應(yīng)同步器有鑒幅型和鑒相型兩種工作方式。圓盤式感應(yīng)同步器具有較高精度和分辨力、 抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、成本較低、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
[0006] =類角度傳感器中，圓光柵的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量的動(dòng)態(tài)性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)角精度 高，缺點(diǎn)是對(duì)機(jī)械軸線的加工精度和安裝精度要求高，其價(jià)格也相對(duì)較高。旋轉(zhuǎn)變壓器的優(yōu) 點(diǎn)是成本低，加工精度與安裝精度低，缺點(diǎn)是測(cè)量精度相對(duì)較低。圓盤式感應(yīng)同步器測(cè)優(yōu)點(diǎn) 是制造成本低、測(cè)量精度較高、加工精度與安裝精度低的特點(diǎn)。
[0007] 當(dāng)前測(cè)角度的=類角度傳感器中，精度最高的是圓光柵，其精度在角秒量級(jí)，例如 英國(guó)Renishaw公司生產(chǎn)的RESR系列精密圓光柵，外徑75mm的圓光柵其系統(tǒng)精度為3. 9角 秒。但由于光刻工藝的限制，造成圓光柵測(cè)角精度很難再有提升，特別是對(duì)于小半徑圓光 柵，其測(cè)角精度無法進(jìn)一步的提高，已經(jīng)在很多精密測(cè)量?jī)x器中成為限制儀器精度的關(guān)鍵 因素。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有角度傳感器由于其制造工藝、結(jié)構(gòu)、成本限制導(dǎo) 致的精度很難進(jìn)一步提高的不足，提供一種新型光臂放大式高精度角度傳感器，該角度傳 感器W反射部件軸線作為傳感器旋轉(zhuǎn)軸線，激光器發(fā)射的激光入射到反射部件的反光面表 面后反射到光電探測(cè)器元件上，通過測(cè)量光電探測(cè)器的感光長(zhǎng)度變化獲取對(duì)應(yīng)角度變化 值，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)角精度高，易于實(shí)現(xiàn)批量制造。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了W下技術(shù)方案：
[0010] 一種新型光臂放大式高精度角度傳感器，包括：
[0011] 激光源一，用于發(fā)射激光束；
[0012] 反射部件，所述反射部件用于安裝被測(cè)物體，所述反射部件可旋轉(zhuǎn)并且設(shè)有至少 一個(gè)反射面，所述反射面用于將所述激光源一發(fā)射的激光束進(jìn)行反射；
[0013] 光電探測(cè)器一，用于接收所述反射部件的反射面反射后的激光束；
[0014] 處理系統(tǒng)，將光電探測(cè)器一所接收到的激光束位置變化值換算成所述反射部件的 旋轉(zhuǎn)角度值。
[0015] 該新型光臂放大式高精度角度傳感器，通過將反射部件安裝在待測(cè)物體上，激光 入射到反射部件的反射面后再反射到光電探測(cè)器元件上，待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射部件隨之 一起旋轉(zhuǎn)，通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)過程中的反射面反射出激光束位于光電探測(cè)器一上的位置變化， 處理系統(tǒng)能夠通過該激光束反射位置的變化來計(jì)算對(duì)應(yīng)角度的變化值，該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，適用于測(cè)量小角度待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)角度，易于實(shí)現(xiàn)批量制造。
[0016] 光電探測(cè)器一可W采用一種對(duì)光點(diǎn)位置敏感的光電器件，可W測(cè)出光點(diǎn)位置的一 維坐標(biāo)的長(zhǎng)方形器件。比如，光電探測(cè)器可選擇形狀為一維線性的光電探測(cè)器，也可選擇成 二維平面的光電探測(cè)器。
[0017] 優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器為一維光電探測(cè)器。
[0018] 優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器為二維光電探測(cè)器。
[0019] 優(yōu)選地，所述反射部件的反射面為反射平面，反射部件的反射面采用平面反射，更 易于檢測(cè)和計(jì)算。
[0020] 優(yōu)選地，所述反射部件設(shè)有便于安裝被測(cè)物體的安裝孔。
[0021] 該反射部件的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置同軸內(nèi)孔，作為待測(cè)物體的安裝孔，實(shí)現(xiàn)被測(cè)工件的安 裝。
[0022] 優(yōu)選地，所述反射部件上設(shè)有至少兩個(gè)所述反射面。
[0023] 優(yōu)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(gè)側(cè)面為所述反 射面。
[0024] 優(yōu)選地，還包括光電探測(cè)器二、分光鏡和至少一個(gè)反光鏡，所述分光鏡位于所述激 光源一和所述反射部件之間；所述分光鏡將入射光束反射到所述反光鏡，所述反光鏡將光 束反射到所述反射部件的其他反射面，該反射面反射的光束被所述光電探測(cè)器二接收。
[00巧]優(yōu)選地，還包括激光源二和光電探測(cè)器二，所述激光源二的入射光束入射到所述 反射部件上的其他反射面，該反射面反射的光束被所述光電探測(cè)器二接收。
[00%] 優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器二與所述光電探測(cè)器一相互平行設(shè)置。
[0027] 本實(shí)用新型還提供了一種新型光臂放大式高精度角度傳感器的測(cè)量方法，包括上 述的一種新型光臂放大式高精度角度傳感器，其測(cè)量方法包括如下步驟：
[0028] 步驟一、將所述反射部件安裝在待測(cè)物體上；
[0029] 步驟二、調(diào)整激光源一、反射部件、光電探測(cè)器一的位置關(guān)系，使其相互適配，將光 電探測(cè)器一與處理系統(tǒng)通信連接；
[0030] 步驟=、啟動(dòng)激光源一，所述激光源一發(fā)射的激光束一經(jīng)過所述反射部件的反射 面反射后，所述光電探測(cè)器一檢測(cè)到該反射光束的位置；
[0031] 步驟四、待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，激光束一一直發(fā)射激光束，該激光束經(jīng)過 一直旋轉(zhuǎn)的反射面反射后，所述光電探測(cè)器一檢測(cè)到該反射光束的反射位置的變化；
[0032] 步驟五、處理系統(tǒng)通過對(duì)所述步驟=、步驟四中所述光電探測(cè)器一所檢測(cè)到的激 光束一的反射激光束的位置變化，處理得到所述待測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)角度。
[0033] 優(yōu)選地，上述測(cè)量方法還包括步驟六：所述反光鏡、分光鏡反射出另一條激光束 二，或者通過激光源二發(fā)射出另一條激光束二，采用所述步驟一至步驟五的方法，入射到所 述反射部件被反射后，所述光電探測(cè)器二所檢測(cè)到激光束二的反射位置變化，得到該待測(cè) 物體的另一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，與所述步驟五中的旋轉(zhuǎn)角度求平均值，作為該待測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)角 度。
[0034] 通過在激光源一和反射部件之間設(shè)置反光鏡、分光鏡、光電探測(cè)器二，或者直接設(shè) 置激光源二、光電探測(cè)器二，是為了采用雙光路實(shí)現(xiàn)測(cè)量求平均值。其中，前者是將激光源 一的激光束分成了激光束一、激光束二，因此增加了分光射鏡、W及反光鏡。前者初始位置 下激光源在分光鏡的透射光作為激光束一，激光束一入射點(diǎn)在反射部件的其中一個(gè)反射 面，激光源在分光鏡的反射光作為激光束二，激光束二入射點(diǎn)在反射部件的另一個(gè)反射面。 后者初始位置下激光源一入射點(diǎn)在反射部件的一個(gè)反射面，激光源二入射點(diǎn)在反射部件另 一個(gè)反射面。在待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，兩個(gè)光電探測(cè)器分別測(cè)量其旋轉(zhuǎn)角度，然后求平均 值，W獲得更準(zhǔn)確的待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)值，提高測(cè)量精度。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果：
[0036] 1、該新型光臂放大式高精度角度傳感器，通過將反射部件安裝在待測(cè)物體上，激 光入射到反射部件的反射面后再反射到光電探測(cè)器元件上，待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，反射部件隨 之一起旋轉(zhuǎn)，通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)過程中的反射面反射出激光束位于光電探測(cè)器一上位置的變 化，處理系統(tǒng)能夠通過該反射激光束位置的變化來計(jì)算對(duì)應(yīng)角度的變化值，該傳感器結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，適用于測(cè)量小角度待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)角度，易于實(shí)現(xiàn)批量制造；
[0037] 2、在激光源一和反射部件之間設(shè)置反光鏡、分光鏡、光電探測(cè)器二，或者直接設(shè)置 激光源二、光電探測(cè)器二，是為了采用雙光路實(shí)現(xiàn)測(cè)量求平均值。在待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)的時(shí)候， 兩個(gè)光電探測(cè)器分別測(cè)量其旋轉(zhuǎn)角度，然后求平均值，W獲得更準(zhǔn)確的待測(cè)物體旋轉(zhuǎn)值，提 高測(cè)量精度。
【附圖說明】：
[0038] 圖1為本實(shí)用新型所述新型光臂放大式高精度角度傳感器采用的單激光源測(cè)量 示意圖；
[0039] 圖2為圖1中反射部件旋轉(zhuǎn)一定角度后的單激光源角度測(cè)量示意圖；
[0040] 圖3為圖1中反射部件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖4為圖1中單激光源采用反光鏡和分光鏡形成雙光路角度測(cè)量的示意圖；
[0042] 圖5為圖4中反射部件旋轉(zhuǎn)一定角度后的單激光源角度測(cè)量示意圖；
[0043] 圖6為本實(shí)用新型所述新型光臂放大式高精度角度傳感器采用的雙激光源角度 測(cè)量原理圖；
[0044] 圖7為圖6中反射部件旋轉(zhuǎn)一定角度后的雙激光源角度測(cè)量示意圖；
[0045] 圖8為圖1中反射部件旋轉(zhuǎn)前、后的單激光源入射光束和反射光束示意圖；
[0046] 圖8a為圖8中激光束入射點(diǎn)位于反射部件上反射面中屯、線上時(shí)的示意圖；
[0047] 圖8b為圖8中激光束入射點(diǎn)為于反射部件上反射面右側(cè)相交線時(shí)的示意圖；
[0048] 圖8c為圖8中激光束入射點(diǎn)位于反射部件上反射面左側(cè)相交線時(shí)的示意圖；
[0049] 圖9為圖8中光電探測(cè)器相對(duì)水平面傾斜一定角度后的單激光源入射光束和反射 光束示意圖。 陽(yáng)化0] 圖中標(biāo)記：
[0051] 1、激光源一，2、激光源二，3、激光束一，4、激光束二，5、反射部件，6、反射面，7、光 電探測(cè)器一，8、光電探測(cè)器二，9、反光鏡，10、分光鏡，11、安裝孔。
【具體實(shí)施方式】
[0052] 下面結(jié)合試驗(yàn)例及【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此 理解為本實(shí)用新型上述主題的范圍僅限于W下的實(shí)施例，凡基于本【實(shí)用新型內(nèi)容】所實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)均屬于本實(shí)用新型的范圍。 陽(yáng)〇5引實(shí)施例1
[0054] 如圖1所示，一種新型光臂放大式高精度角度傳感器，激光源一，用于發(fā)射激光 束； 陽(yáng)化5] 反射部件5,用于安裝在被測(cè)物體，反射部件5可旋轉(zhuǎn)并且設(shè)有至少一個(gè)反射面6， 反射面6用于將激光源一1發(fā)射的激光束進(jìn)行反射；
[0056] 光電探測(cè)器一 7,用于接收反射部件5的反射面6反射后的激光束；
[0057] 處理系統(tǒng)，將光電探測(cè)器一