一种连续增量式光臂放大型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，特别涉及一种连续增量式光臂放大型 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，广泛应用与工 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，其精度在角秒的量级，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已经成为限制仪器精度的 关键因素；同时由于工艺原因，高精度的圆光栅价格高昂，限制了其应用范围。
【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，提供一种连续增量式光臂放大型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，反射部件具有连续的多个反射面，通过 两个激光束来实现对被测物体角度连续变化的测量，其传感器结构简单，测角精度高测量 角度范围大，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] -种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，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测物体，所述反射部件可旋转并且沿周向设 有若干个反射面，每个所述反射面用于将所述激光束一、激光束二进行反射；
[0013] 光电探测器一，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 束并显示其反射位置；
[0014] 光电探测器二，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 光束并显示其反射位置；
[0015] 处理系统，根据所述光电探测器一上所接收到的激光束一反射位置变化值和所述 光电探测器二上所接收到的激光束二反射位置变化值，处理得到所述反射部件上被测物体 的旋转角度值。
[0016] 该连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，通过将被测物体连接在反射部件 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别反射到光电探测器一、光 电探测器二上。由于被测物体旋转时，反射部件随之一起旋转，通过测量旋转过程中的反射 面反射出激光束一、激光束二分别位于光电探测器一、光电探测器二上的反射位置点的变 化，每个时刻激光束一、激光束二在反射面上反射后的两条激光束中至少有一条反射激光 能够被对应的光电探测器一、光电探测器二所检测，即光电探测器一、光电探测器二的长度 适应激光束一、激光束二反射激光束在对应光电探测器上反射位置点的变化长度。处理系 统能够根据两个光电探测器上激光束一、激光束二反射位置的变化来计算被测物体旋转角 度的变化值，该传感器结构简单，适用于被测物体角度连续变化的测量，尤其适用于被测 物体的旋转角度大于反射部件每个反射面对应的角度2 Θ的测量，可以测量到其连续旋转 大于360°角度，或者被测物体经过多次以正转或/和反转等连续旋转之后的角度值γ'， 其测量可靠，易于实现批量制造。
[0017] 该光电探测器一、光电探测器二可以采用一种对光点位置敏感的光电器件，可以 测出光点的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择一维线性光电探测器（简称 一维PSD)，也可选择成二维平面光电探测器（简称二维PSD)。
[0018] 优选地，所述反射部件设有便于固定被测物体的安装孔。
[0019] 该反射部件的旋转轴设置同轴内孔，作为被测物体的安装孔，实现被测工件的安 装。
[0020] 优选地，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。
[0021] 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。
[0022] 该正多边形立柱的反射侧面形状和大小均一样，且由于反射面也均采用平面反 射，更易于检测和计算。
[0023] 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。
[0024] 优选地，所述激光束一、激光束二分别通过激光源一和激光源二发射得到该激光 束。
[0025] 优选地，还包括激光源一、分光镜和至少一个反光镜，所述激光源一发射的激光束 入射到分光镜经反射和透射分别得到两条激光束一一即所述激光束一、激光束二，所述激 光束一、激光束二经所述反射部件的两个不同反射面分别反射激光束并被对应所述光电探 测器一、光电探测器二所接收。
[0026] 只需要一个激光源一，通过分光镜和反光镜分别产生激光束一、激光束二，在保证 测量结果的情况下，节约了能源，降低了成本。
[0027] 本发明还提供了一种连续增量式光臂放大型高精度角度传感器的测量方法，包括 如上述的连续增量式光臂放大型高精度角度传感器，其测量方法包括以下步骤：
[0028] 步骤一、将所述反射部件固定在被测物体上；
[0029] 步骤二、调整激光束一、激光束二、反射部件、光电探测器一、光电探测器二的位置 关系，使其相互适配，使激光束一、激光束二在所述反射部件上反射的两条激光束能够分别 被所述光电探测器一、光电探测器二探测到，所述光电探测器一、光电探测器二与处理系统 通信连接；
[0030] 步骤三、发射激光束一、激光束二，所述激光束一、激光束二分别经过所述反射部 件的不同反射面反射后，所述光电探测器一、光电探测器二检测到该反射光束的初始位 置；
[0031] 步骤四、被测物体旋转，在旋转过程中，所述光电探测器一、光电探测器二分别检 测到所述激光束一、激光束二的反射激光束在各自探测器上反射位置的变化，直到被测物 体旋转停止；
[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、光电探测器二 所检测到的激光束一、激光束二的反射激光束的位置变化进行处理，获得所述反射部件上 被测物体的旋转角度值。
[0033] 该测量方法能够测量连续增量式角度变化，比如360°的旋转角度，即γ ^ > 2 Θ 时，测量可靠，操作简单、提高了测量角度范围。
[0034] 优选地，所述光电探测器一和光电探测器二上均设置有对该两个光电探测器进 行切换检测的两个临界点，两个所述临界点所对应的所述反射部件的每个反射面旋转角度 分别为该光电探测器的检测极大值和检测极小值，所述反射部件的两个不同反射面反射的 两条激光束中至少有一条反射激光束位于该光电探测器中的两个临界点之间的检测区域； 所述处理系统对光电探测器一和光电探测器二之间切换检测计算的方法为，当所述光电探 测器一、光电探测器二中其中一个探测到反射激光束超出该光电探测器中两个临界点之间 区域时，所述处理系统自动切换到采用另一个光电探测器检测区域内的激光束检测值进行 计算。
[0035] 该光电探测器一和光电探测器二上均设置两个临界点作为检测对应反射面的旋 转角度，两个光电探测器的配合，可以满足始终能够检测该反射部件的反射面反射其中一 束激光束到对应光电探测器的位置。处理系统能够通过光电探测器一和光电探测器二上激 光束反射的位置，分别获得对应反射面旋转的方向和角度，处理系统还可以通过对两个光 电探测器的检测的切换、叠加运算，最终获得该被测物体的旋转角度。
[0036] 进一步优选地，所述反射部件的两个不同反射面反射的两条激光束中只有一条反 射激光束位于该光电探测器中的两个临界点之间的检测区域，且所述反射部件中其中一个 反射面反射的激光束对应所述光电探测器一上临界点为该反射面旋转角度的检测极大值 时，所述反射部件另一个反射面反射的激光束对应所述光电探测器二上临界点为该反射面 旋转角度的检测极小值；所述反射部件中其中一个反射面反射的激光束对应所述光电探测 器一上临界点为该反射面旋转角度的检测极小值时，所述反射部件另一个反射面反射的激 光束对应所述光电探测