专利名称：用光传感器阵列检测角度的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明与角度的测量有关，特别是一种用光传感器阵列检测角度的方法及其装置，可以用于纺织和轻工等行业的在线或离线的角度检测与控制。
目前，实际使用的角度检测方法也很多，它们各具特点，在不同场合的应用也是成功的。电阻、电容和电感型的模拟传感器多被用于在线的小角度检测，但它们有非线性误差大、模拟电路调整和设定困难的缺点。包括光电编码器在内的计数型传感器可以直接输出数字量，多被用于大角度的检测，但其分辨率依赖于机械放大装置，不适应对小幅往复摆动的长时间检测。中国专利91111507.2和01125015.1等都致力于发明一种检测精度高，经济实用的角度检测方法和装置，但它们还是不能完全满足各种不同应用的需要，因此，有必要针对小幅摆动的角度检测问题发明一种结构简单、检测精度高、经济实用的角度检测方法和装置。
本发明的技术解决方案的原理是把小幅的往复机械摆动转换成细小光点在圆周上的位置移动，再用光传感器阵列去检测投射到圆周上的细小光点的位置，以确定该小幅摆动在当时的摆动角度。
本发明的具体技术方案是一种适于小幅往复摆动物体转动角度检测的用光传感器阵列检测角度的方法，其特征在于该方法包括①在待测物体上设置一反光镜面；②针对该反光镜面设置一发光元件，使入射光线经过所述物体的转动轴；③在反射光能照射到的一较大半径的圆弧上设置一光传感器阵列；④当发光元件发出的光束照射反光镜面时，其反射光束将随物体往复旋转摆动而在光传感器阵列上进行描述；⑤该光传感器阵列上受光照的两端点m、n的光传感器所产生高电平，经电脑数据处理，即可获得物体小幅转动角为 式中d-光传感器阵列中两相邻光传感器的中心间隔(mm)；R-光传感器阵列与转动轴轴芯之间的光学距离(mm)。
所述反光镜面设置在一转动轴的过轴心的平面上，该转动轴与待测物体相连并同步转动。
本发明用光传感器阵列检测角度的装置由圆筒形壳体、环形轴承、转动轴、反光镜、发光元件、固定反光镜、聚焦透镜、光传感器阵列和数据处理装置和电源组成该圆筒形壳体的两端各通过一环形轴承安装一与壳体同轴的转动轴，该转动轴的中间部位挖设一缺口，在该缺口内贴设一反光镜，该反光镜的反光面通过其轴线；该圆筒形壳体内，对着该反光镜设置该发光元件，它发的光束直射在该转动轴的轴心线上，即反光镜的A点；该圆筒形壳体的内侧对应于反光镜的反射光束的位置还设有一固定反光镜，在该固定反光镜的反射光束路径上设置该聚焦透镜和光传感器阵列；该光传感器阵列与一数据处理装置及其电源相连接。
本发明的技术效果如下1.光线射到可以转动的平面镜的转动中心，当平面镜转过一个微小角度δ时，其反射光线则摆过2倍的δ角，用光学作用放大了待检测的角度；2.利用同一角度所对应的弧长与半径成正比关系的放大作用，将小幅的转动转换成细小投射光点在圆周上的位置的较大移动；3.用光传感器阵列检测细小投射光点的位置，此位置就对应了在当时小幅转动的实际角位置；4.因此本发明特别适用于对微小转动的高精度检测；5.本发明的输出是数字式的，测量结果是完全线性的。
图1利用平面镜的反射来检测微小转动的放大作用原理示意图。
图2用光传感器阵列检测角度的装置示意图。
图3是图2A-A剖视图。
图4光传感器阵列的检测原理。图中11-开始时平面镜的位置 12-转过δ角后的平面镜的位置13-对应于开始时平面镜的位置11的反射光线14-对应于转过δ角后的平面镜的位置12的反射光线15-入射光线 2-用光传感器阵列检测角度的装置21-小幅转动的输入轴 22-发光元件 23-转动反光镜24-聚焦透镜 25-光传感器阵列 26-外壳 27-轴承28-细小光束 29-固定反光镜30-光传感器阵列中各感光单元上的电位线31-高电位 32-低电位 A-圆心该圆筒形壳体26内，对着反光镜23设置该发光元件22，它发的光束直射在该转动轴21的轴心线上，即反光镜23的A点；该圆筒形壳体26的内侧对应于反光镜23的反射光束的位置设有一固定反光镜29，在该固定反光镜29的反射光束路经上设置该聚焦透镜24和光传感器阵列25；该光传感器阵列25与一数据处理装置及其电源相连接。
在图2所示的装置中，产生细小光束的发光元件22被固定在外壳26上，其发出的细小光束28通过圆心A，被以A为中心的转动反光镜23反射到固定反光镜29上再反射到光传感器阵列25上。待检测的小幅转动通过小幅转动输入轴21使固定在其上的转动反光镜23以圆心A为中心转动，从而改变细小光束28在光传感器阵列25上的投射位置。再如图4所示，由通过数据处理装置(图中未示)可找出高电位感光元件在光传感器阵列25中的位置，该位置对应着细小光束28的绝对位置。
在本发明的装置中，转动反射光镜23使反射光线28产生2倍的摆动角度，起到放大的作用；固定反光镜29使反射光线28再次被反射，将摆动光线的半径从AB增加为AB+BC，起到了在不增大该装置的尺寸的条件下充分利用半径对弧长的放大作用，提高了测量的精度；聚焦透镜24则起着聚焦光束的作用，使投射在光传感器阵列上的光点的能量密度提高。
当选用由5微米的CCD感光元件组成的线性光传感器阵列和该装置的半径设计为40毫米时，本发明的装置的分辨率可达0.002度。
权利要求
1.一种适于小幅往复摆动物体转动角度检测的用光传感器阵列检测角度的方法，其特征在于该方法包括①在待测物体上设置一反光镜面；②针对该反光镜面设置一发光元件，使入射光线经过所述物体的转动轴；③在反射光能达到的一较大半径的圆弧上设置一光传感器阵列；④当发光元件发出的光束照射反光镜面时，其反射光束将随物体往复旋转摆动而在光传感器阵列上进行描述；⑤该光传感器阵列上两次受光照的两端点m、n的光传感器所产生高平，经电脑数据处理，即可获得物体小幅转动角为 式中d-光传感器阵列中两相邻光传感器的中心间隔(mm)；R-光传感器阵列与转动轴轴芯之间的光学距离(mm)。
2.根据权利要求1所述的光传感器阵列检测角度的方法，其特征在于所述反光镜面设置在一转动轴的过轴心的平面上，该转动轴与待测物体相连并同步转动。
3.实施权利要求1或2所述检测角度方法的用光传感器阵列检测角度的装置，其特征在于该装置由圆筒形壳体(26)、环形轴承(27)、转动轴(21)、反光镜(23)、发光元件(22)、固定反光镜(29)、聚焦透镜(24)、光传感器阵列(25)和数据处理装置及电源组成该圆筒形壳体(26)的两端各通过一环形轴承(27)安装一与壳体(26)同轴的转动轴(21)，该转动轴(21)的中间部位挖设一缺口(211)，在该缺口(211)内贴设一反光镜(23)，该反光镜(23)的反光面通过其轴线；该圆筒形壳体(26)内，对着反光镜(23)设置该发光元件(22)，它发的光束直射在该转动轴(21)的轴心线上，即反光镜(23)的A点；该圆筒形壳体(26)的内侧对应于反光镜(23)的反射光束的位置设有一固定反光镜(29)，在该固定反光镜(29)的反射光束路经上设置该聚焦透镜(24)和光传感器阵列(25)；该光传感器阵列(25)与一数据处理装置及其电源相连接。
全文摘要
一种用光传感器阵列检测角度的方法及其装置，该装置由圆筒形壳体、环形轴承、转动轴、反光镜、发光元件、固定反光镜、聚焦透镜、光传感器阵列组成，从光传感器阵列的受光点信号并经数据处理，即可得到物体摆动的角度，本发明克服了传统模拟传感器的非线性误差，能检测小幅摆动的角位置，可用于纺织、轻工等行业实现在线或离线检测和控制。
文档编号G01B21/22GK1405528SQ0213763
公开日2003年3月26日 申请日期2002年10月25日 优先权日2002年10月25日
发明者孙志宏, 毛立民, 高志民, 张飞 申请人:东华大学