一种非接触式扭转角测量系统及测量方法与流程

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种非接触式扭转角测量系统及测量方法，尤其适用于非接触、远距离、全周360°的扭转角的测量。

背景技术：

扭转角的测量是角度计量科学的重要组成部分，特别是高精度扭转角的测量在精密加工、航空航天、军事和通信等许多领域都具有极其重要的意义和作用。因其应用广泛，各研究单位进行了大量的试验研究，获得很多种测量方法。根据不同的测量精度、测量范围及自动化程度等的要求，可分为机械测量、电磁测量、电子测量以及光电测量等。其中光电测角法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受重视，各种新的光电测角法也不断出现，例如光电编码器法、自准直法、光干涉法等。但是，即便扭转角的测量方法众多，在实际测量中，仍会遇到一些难以克服的问题，比如：有些测量需要完全非接触，且测量距离远(10m-100m)，而常用的光电编码器法，虽然是非接触式测量，但测量两部分必须相距很近，因此无法采用这种测量方法；还有些测量不但要求测量精度很高，而且要求测量范围大，而采用自准直法或光干涉法虽然能够实现很高的测量精度，但测量范围极小，无法满足大范围内的角度测量。

在实践中，经常会遇到测量点距离远、测量范围大、同时还需要高精度测量的需求。比如大型船舰甲板很长，通常长度都大于数十米。在海浪等影响下，甲板会发生较大的扭转变形，一些舰载高精度测量设备需要用该扭转角进行计算补偿，因此需要对该扭转角进行精确测量。另外，在很多工业自动化设备中，常常需要对机械臂和目标部件精确对准，不仅仅是位置对准还包括扭转角度的对准，这也需要对扭转角进行实时精密测量。

由此可见，实现一种测量点相距较远，测量量程大，结构简单并且能够实现高精度扭转角测量的方法，在实际工程应用中具有重要的意义和价值。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是如何提供一种非接触式扭转角测量系统及测量方法，使其既能够实现远距离非接触测量，测量距离为1m～100m，两个测量点间存在光通道即可，无须其它辅助设备，也能够实现全周360°角度测量，测量范围无盲区，任意范围扭转角均可测量，且能够保证高的角度测量精度，扭转角测量精度为角秒级。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

本发明的非接触式扭转角测量系统，包括发射光路单元、接收光路单元和控制系统；

所述发射光路单元包括光源、发射光栅、照明透镜和发射透镜；

所述接收光路单元包括接收透镜、光电编码器、伺服电机、接收光栅和图像传感器；

发射光路单元和接收光路单元分别通过外壳封装，封装的发射光路单元置于一个测量点，封装的接收光路单元置于另一个测量点，光源发射的光，通过照明透镜将发射光栅均匀照亮，发射光栅位于发射透镜的焦平面上，经过发射透镜后形成一个光栅像，光栅像以平行光的方式射入接收透镜，接收光栅位于接收透镜的焦平面上，光栅像叠加到接收光栅上，形成莫尔条纹；

所述伺服电机通过转动带动接收光栅转动；

所述光电编码器测量接收光栅转动的角度；

所述图像传感器采集莫尔条纹；

所述控制系统对图像传感器采集的图像进行分析，根据分析结果对伺服电机进行伺服控制，同时采集光电编码器角度数据，结合图像数据进行处理，计算得到测量结果。

进一步的，所述发射光栅和接受光栅均为50对线金属透射光栅。

进一步的，所述接收透镜和发射透镜的焦距相同。

进一步的，所述光电编码器的外轴同伺服电机外轴连接并安装于接收光路单元的外壳上，内轴同伺服电机的转轴捷联，接收光栅安装在光电编码器的内轴上。

上述测量系统测量非接触式扭转角的方法，步骤如下：

步骤一、测量开始前，将发射光路单元和接收光路单元分别固定在两个测量点上，通电后，发射光路单元发出光栅像，光栅像以平行光的方式发射到空间，被接收光路单元所接收；

步骤二、接收光路单元通过接收透镜将光栅像聚焦到接收光栅上，得到叠加后的图像；

步骤三、图像传感器对叠加后的图像进行图像分析，如果未能形成莫尔条纹，则伺服电机顺时针旋转一定角度，重新进行图像分析，直到形成莫尔条纹；

步骤四、根据β＝θ₂-θ₁+θ，得到的扭转角β；

θ＝kα，k为比例系数，α为莫尔条纹倾斜角，θ₁为发射光栅条纹方向与发射端基准面夹角，θ₂为接收光栅条纹方向与接收端基准面夹角，θ为发射光栅条纹与接收光栅条纹间夹角。

进一步的，所述旋转角度为2度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的非接触式扭转角测量系统和测量方法采用光电编码器测角技术同条纹图像测量技术相结合，既保持了光电编码器高精度的优点，又大大增加了测量范围，使得应用范围更广，可用于方位基准的垂直传递、舰船艏尾扭转变形角、小型运载火箭射向角等角度量的高精度测量，且整个瞄准过程自动完成，简单，效率高，具体如下：

1、本发明的非接触式扭转角测量系统和测量方法由于采用了无穷远像作为扭转角度信息载体，可以实现远距离非接触测量，测量距离可以达到1m～100m；

2、本发明的非接触式扭转角测量系统和测量方法通过采用光电编码器实时转动控制的方法，实现了360°全周角度无盲区测量，可测量任意范围的扭转角；

3、本发明的非接触式扭转角测量系统和测量方法采用了条纹干涉成像的方法，能够实现很高的扭转角测量精度，角度测量精度可达角秒级，且具备良好的测量稳定性。

附图说明

图1为本发明的非接触式扭转角测量系统示意图，a为发射光路单元，b为接收光路单元；

图2为本发明的非接触式扭转角测量系统的工作框图；

图3为本发明的非接触式扭转角测量系统工作流程图；

图4为本发明的非接触式扭转角测量系统莫尔条纹图像倾斜角识别原理图；

图中，1、光源，2、发射光栅，3、照明透镜，4、发射透镜，5、接收透镜，6、接收光栅，7、伺服电机，8、光电编码器，9、图像传感器。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的非接触式扭转角测量系统，包括发射光路单元、接收光路单元和控制系统；发射光路单元和接收光路单元分别通过外壳封装，封装的发射光路单元置于一个测量点，封装的接收光路单元置于另一个测量点。

发射光路单元为扭转角测量系统的目标基准，为测量提供良好清晰的图像，其成像质量和分辨率直接影响测量精度和测量范围。发射光路单元主要包括光源1、发射光栅2、照明透镜3和发射透镜4。其中：

光源1为发射光路提供照明，可以采用红色LED单色点光源。既保证清晰可探测，又具有良好的大气透过性。光源功率优选为5mW，既具有较高的强度，保证远距离传输，又不会造成光污染。

照明透镜3用于对光源发出的光进行会聚调节，形成均匀的光束照射到发射光栅2上。

发射光栅2为光路单元的核心部件，采用50对线金属透射光栅，发射光栅2位于发射透镜4焦平面上，光源要均匀并完全覆盖发射光栅2，形成清晰明亮的密集条纹图像，即光栅像。

发射透镜4是成像部件，将光栅像以平行光的方式发射到空间中。根据测量距离远近选择合适焦距，优选焦距900mm。

接收光路单元为扭转角测量系统的核心部分，主要包括接收透镜5、接收光栅6、伺服电机7、光电编码器8和图像传感器9。

接收透镜5和发射透镜4成对使用，可以更好的消除一些像差，因此接收透镜5推荐采用和发射透镜4相同的焦距900mm，而且相同的焦距更容易对光栅进行匹配。

光电编码器8为通用角度测量设备，可根据测量精度的要求选择合适的器件，其外轴同伺服电机7外轴连接并安装于接收光路单元的外壳上，内轴同伺服电机7转轴捷联，并在光电编码器8的内轴上安装接收光栅5，共同形成转动部件，提供精确的扭转角度值。光电编码器8与伺服电机7连接，测量接收光栅5转动的角度。

伺服电机7同光电编码器8相连接，通过转动带动接收光栅5转动，用于形成良好的干涉图像。

接收光栅5安装于接收光路透镜焦平面上，同样采用金属透射光栅。根据发射和接收透镜的焦距比例，确定其光栅常数，例如发射和接收透镜都采用900mm时，采用50对线光栅。相同光栅常数的光栅可以使得干涉条纹更加清晰，利于后续的图像处理。

图像传感器9位于接收光栅5后，以一定量离焦的形式对干涉条纹进行图像采集。离焦量控制在1mm内。图像传感器9像面大小的选择根据接收透镜5的焦距、口径以及两个测量点相对位移确定。本实施方式可以采用1K×1K分辨率，象元尺寸6μ的图像探测器。

上述测量系统测量非接触式扭转角的方法，步骤如下：

步骤一、测量开始前，将发射光路单元和接收光路单元分别固定在两个测量点上，通电后，发射光路单元发出光栅像，光栅像以平行光的方式发射到空间，被接收光路单元所接收；

步骤二、接收光路单元通过接收透镜将光栅像聚焦到接收光栅上，将发射光栅像同接收光栅像互相叠加，得到叠加后的图像；

步骤三、图像传感器对叠加后的图像进行图像分析，如果未能形成莫尔条纹，则伺服电机顺时针旋转一定角度，旋转角度为2度，重新进行图像分析，直到形成莫尔条纹；

步骤四、根据β＝θ₂-θ₁+θ，得到的扭转角；

θ＝kα，比例系数k通过标定确定，α为莫尔条纹倾斜角，θ₁为发射光栅条纹方向与发射端基准面夹角，θ₂为接收光栅条纹方向与接收端基准面夹角，θ为发射光栅条纹与接收光栅条纹间夹角。