一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种新型光臂放大式高精度 角度传感器及测量方法。
【背景技术】
[0002] 角度传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军 事科学等很多领域中都有广泛的使用。目前市场上主流的测角度传感器有光电编码器、旋 转变压器及圆盘式感应同步器。
[0003] 光电编码器俗称圆光栅，其利用圆光栅产生的莫尔条纹以及光电转换技术将角度 信息以脉冲量的形式输出。与其它测角度传感器相比，圆光栅具有体积小、重量轻、测角精 度高、响应速度快、抗干扰能力强、使用方便等优点，在精密测量领域得到广泛应用。但由于 圆光栅制造工艺采用光刻工艺的原因，圆周刻线数越多，测量精度也越高，其制造难度大， 成本高，造成圆光栅价格居高不下。特别对于小型精密仪器而言，半径小的情况下很难提高 圆光栅的测量精度。
[0004] 旋转变压器俗称旋变，是一种输出电压随转子转动角度变化而变化的测角元件。 它具有坚固、耐热、耐冲击、抗干扰能力强、响应速度快、制造成本低等优点，广泛应用于工 业生产各领域。旋转变压器的种类很多，其中应用最广泛的是正余弦旋转变压器。其原理 相当于一个能够转动的变压器，定子与转子之间随着角度变化输出与转子转动角度相关的 正余弦信号。该类旋转变压器的测角精度通常在5角秒至10角秒量级。
[0005] 圆盘式感应同步器是一种基于电磁感应原理的角度传感器。圆盘式感应同步器的 转子共有N个导片。当转子转过角度Θ时，定子绕组A和B分别感应输出相应感应电动势。 感应同步器有鉴幅型和鉴相型两种工作方式。圆盘式感应同步器具有较高精度和分辨力、 抗干扰能力强、使用寿命长、成本较低、维护简单等特点。
[0006] 三类角度传感器中，圆光栅的优点是测量的动态性好、抗干扰能力强、测角精度 高，缺点是对机械轴线的加工精度和安装精度要求高，其价格也相对较高。旋转变压器的优 点是成本低，加工精度与安装精度低，缺点是测量精度相对较低。圆盘式感应同步器测优点 是制造成本低、测量精度较高、加工精度与安装精度低的特点。
[0007] 当前测角度的三类角度传感器中，精度最高的是圆光栅，其精度在角秒量级，例如 英国Renishaw公司生产的RESR系列精密圆光栅，外径75mm的圆光栅其系统精度为3. 9角 秒。但由于光刻工艺的限制，造成圆光栅测角精度很难再有提升，特别是对于小半径圆光 栅，其测角精度无法进一步的提高，已经在很多精密测量仪器中成为限制仪器精度的关键 因素。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于克服现有角度传感器由于其制造工艺、结构、成本限制导致的 精度很难进一步提高的不足，提供一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法，该 角度传感器以反射部件轴线作为传感器旋转轴线，激光器发射的激光入射到反射部件的反 光面表面后反射到光电探测器元件上，通过测量光电探测器的感光长度变化获取对应角度 变化值，该传感器结构简单，测角精度高，易于实现批量制造。
[0009] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0010] -种新型光臂放大式高精度角度传感器，包括：
[0011] 激光源一，用于发射激光束；
[0012] 反射部件，所述反射部件用于安装被测物体，所述反射部件可旋转并且设有至少 一个反射面，所述反射面用于将所述激光源一发射的激光束进行反射；
[0013] 光电探测器一，用于接收所述反射部件的反射面反射后的激光束；
[0014] 处理系统，将光电探测器一所接收到的激光束位置变化值换算成所述反射部件的 旋转角度值。
[0015] 该新型光臂放大式高精度角度传感器，通过将反射部件安装在待测物体上，激光 入射到反射部件的反射面后再反射到光电探测器元件上，待测物体旋转时，反射部件随之 一起旋转，通过测量旋转过程中的反射面反射出激光束位于光电探测器一上的位置变化， 处理系统能够通过该激光束反射位置的变化来计算对应角度的变化值，该传感器结构简 单，适用于测量小角度待测物体旋转角度，易于实现批量制造。
[0016] 光电探测器一可以采用一种对光点位置敏感的光电器件，可以测出光点位置的一 维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择形状为一维线性的光电探测器，也可选择成 二维平面的光电探测器。
[0017] 优选地，所述光电探测器为一维光电探测器。
[0018] 优选地，所述光电探测器为二维光电探测器。
[0019] 优选地，所述反射部件的反射面为反射平面，反射部件的反射面采用平面反射，更 易于检测和计算。
[0020] 优选地，所述反射部件设有便于安装被测物体的安装孔。
[0021] 该反射部件的旋转轴设置同轴内孔，作为待测物体的安装孔，实现被测工件的安 装。
[0022] 优选地，所述反射部件上设有至少两个所述反射面。
[0023] 优选地，所述反射部件为正多边形立柱，所述正多边形立柱的每个侧面为所述反 射面。
[0024] 优选地，还包括光电探测器二、分光镜和至少一个反光镜，所述分光镜位于所述激 光源一和所述反射部件之间；所述分光镜将入射光束反射到所述反光镜，所述反光镜将光 束反射到所述反射部件的其他反射面，该反射面反射的光束被所述光电探测器二接收。
[0025] 优选地，还包括激光源二和光电探测器二，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，该反射面反射的光束被所述光电探测器二接收。
[0026] 优选地，所述光电探测器二与所述光电探测器一相互平行设置。
[0027] 本发明还提供了一种新型光臂放大式高精度角度传感器的测量方法，包括上述的 一种新型光臂放大式高精度角度传感器，其测量方法包括如下步骤：
[0028] 步骤一、将所述反射部件安装在待测物体上；
[0029] 步骤二、调整激光源一、反射部件、光电探测器一的位置关系，使其相互适配，将光 电探测器一与处理系统通信连接；
[0030] 步骤三、启动激光源一，所述激光源一发射的激光束一经过所述反射部件的反射 面反射后，所述光电探测器一检测到该反射光束的位置；
[0031] 步骤四、待测物体旋转，在旋转过程中，激光束一一直发射激光束，该激光束经过 一直旋转的反射面反射后，所述光电探测器一检测到该反射光束的反射位置的变化；
[0032] 步骤五、处理系统通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一所检测到的激 光束一的反射激光束的位置变化，处理得到所述待测物体的旋转角度。
[0033] 优选地，上述测量方法还包括步骤六：所述反光镜、分光镜反射出另一条激光束 二，或者通过激光源二发射出另一条激光束二，采用所述步骤一至步骤五的方法，入射到所 述反射部件被反射后，所述光电探测器二所检测到激光束二的反射位置变化，得到该待测 物体的另一个旋转角度，与所述步骤五中的旋转角度求平均值，作为该待测物体的旋转角 度。
[0034] 通过在激光源一和反射部件之间设置反光镜、分光镜、光电探测器二，或者直接设 置激光源二、光电探测器二，是为了采用双光路实现测量求平均值。其中，前者是将激光源 一的激光束分成了激光束一、激光束二，因此增加了分光射镜、以及反光镜。前者初始位置 下激光源在分光镜的透射光作为激光束一，激光束一入射点在反射部件的其中一个反射 面，激光源在分光镜的反射光作为激光束二，激光束二入射点在反射部件的另一个反射面。 后者初始位置下激光源一入射点在反射部件的一个反射面，激光源二入射点在反射部件另 一个反射面。在待测物体旋转的时候，两个光电探测器分别测量其旋转角度，然后求平均 值，以获得更准确的待测物体旋转值，提高测量精度。
[0035] 与现有技