CN109945805A - 一种高精度角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度角度传感器，包括激光器，所述激光器用于发射激光束，所述激光束入射至反射部件；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进行反射；凹透镜，用于接收所述反射面反射的激光束，并使得激光束发生折射；光电探测器，用于接收经凹透镜折射后的光束，并测量其入射位置；处理系统，具体用于根据所述光电探测器上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。通过凹透镜对激光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

Description

一种高精度角度传感器

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种高精度角度传感器。

背景技术

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。然而现有的角度传感器存在放大倍数依然有限，对于特殊应用场合的适用性差，或者测量精度不高的问题。例如申请号为201510276408.6，名称为“一种新型光臂放大式高精度角度传感器及测量方法”中提供的角度传感器，放大倍数较低，测量精度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种高精度角度传感器。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种高精度角度传感器，包括激光器，所述激光器用于发射激光束，所述激光束入射至反射部件；

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进行反射；

凹透镜，用于接收所述反射面反射的激光束，并使得激光束发生折射；

光电探测器，用于接收经凹透镜折射后的光束，并测量其入射位置；

处理系统，具体用于根据所述光电探测器上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。通过凹透镜对激光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

在进一步的方案中，还包括凸透镜二，所述凸透镜二设置于所述凹透镜与光电探测器之间，从凹透镜射出的光束经凸透镜二后近似平行入射至所述光电探测器。加入凸透镜二，减小角度测量过程中激光入射光电探测器的入射角变化范围，提高测量精度。

在进一步的方案中，所述凹透镜用凸透镜一代替，且光电探测器与凸透镜一之间的距离大于两倍凸透镜一的焦距距离。利用凸透镜的折射，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

在进一步的方案中，所述激光器、凹透镜与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，所述激光器、凸透镜二、凹透镜与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，还包括凸透镜二，所述凸透镜二设置于所述凸透镜一与光电探测器之间，从凸透镜一射出的光束经凸透镜二后近似平行入射至所述光电探测器，且凸透镜二与凸透镜一之间的距离大于两倍凸透镜一的焦距距离。

在进一步的方案中，所述激光器、凸透镜一与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，所述激光器、凸透镜一、凸透镜二光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

在进一步的方案中，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。

在进一步的方案中，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过凹透镜对激光束进行折射，可以将小角度变化放大为大角度变化，实现旋转角度的进一步放大，因此上述角度传感器可以进一步增大放大倍数，继而提高测量精度。

2、通过凸透镜二，使得激光束以近似平行的方式入射至光电探测器，减小角度测量过程中激光入射光电探测器的入射角变化范围，提高测量精度。

3、通过多组探测头实现连续测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高精度角度传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的另一种高精度角度传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的另一种高精度角度传感器的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的另一种高精度角度传感器的结构示意图。

图中标记说明

激光器1，激光束2，反射部件3，反射面4，光电探测器5，凹透镜6，凸透镜一7，凸透镜二8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本实施例示意性地公开了一种高精度(具体是指相比于背景技术中所描述的角度传感器的测量精度更高)角度传感器，包括激光器1，凹透镜6，光电探测器5，反射部件3，反射部件3用于固定被测物体，且反射部件3可旋转并且沿周向设有若干个反射面4。在本高精度角度传感器中：激光器1发射激光束2，激光束2入射至反射部件3中的任一反射面4，反射面4将激光束2进行反射。凹透镜6接收反射面4反射的激光束2，并使得激光束2发生折射。光电探测器5接收经凹透镜6折射后的光束，并测量其入射位置。处理系统根据所述光电探测器5上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。

如图1所示，旋转运行前的反射部件3、反射面4、激光束2用实线表示，旋转运行后的反射部件3、反射面4、激光束2用虚线表示，激光束2的传输路径与反射部件3、反射面4的运动路径如下：

旋转行动前，激光器1发射激光束2，激光束2入射至反射部件的其中一个反射面4，反射面4将激光束2反射至凹透镜6，凹透镜6使得激光束2发生折射，折射后的光束入射至光电探测器5，光电探测器5接收经凹透镜6折射后透射出的激光束2，并测量其入射位置。此时此处记为第一入射位置。

旋转行动后，激光器1发射激光束2，激光束2入射至反射部件的其中一个反射面4，反射面4将激光束2反射至凹透镜6，凹透镜6使得激光束2发生折射，折射后的光束入射至光电探测器5，光电探测器5接收经凹透镜6折射后透射出的激光束2，并测量其入射位置。此时此处记为第二入射位置。

处理系统根据第一入射位置与第二入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

且为了实现旋转角度的连续测量，在本实施例中，由激光器1、凹透镜6、光电探测器5构成一个探测头，且如图1所示，探测头于本方案中的数量为两个。通过两个探测头使得被测物体在旋转过程中，当其中一个探测头中的光电探测器接收不到光束时切换至另一个探测头接收，因此可以可靠地保障连续角度测量，增强角度传感器的实用性。为了保证当其中一个探测头中的光电探测器接收不到光束时另一个探测头可以接收，其具体的实施方式为，两个探测头内的激光器1射出的激光束2入射于反射部件3上的不同点。

如图2所示，在另一个实施方案中，在图1所示结构基础上，本高精度角度传感器中的探测头还包括凸透镜二8，凸透镜二8设置于凹透镜6与光电探测器5之间。

本方案中的光路传输过程如下：

旋转行动前，激光器1发射出激光束2，激光束2入射至反射部件3上的反射面4，反射面4对激光束2进行反射，将激光束2反射至凹透镜6，凹透镜6接收经反射面4反射的激光束，并使得激光束2发生折射。凸透镜二8接收经凹透镜6折射后的激光束，并使得激光束2再次折射后入射光电探测器5。此时此处记为第一入射位置。

旋转行动后，激光器1发射出激光束2，激光束2入射至反射部3件上的反射面4，反射面4对激光束2进行反射，将激光束2反射至凹透镜6，凹透镜6接收经反射面4反射的激光束，并使得激光束发生折射。凸透镜二8接收经凹透镜6折射后的激光束2，并使得激光束2再次折射后入射光电探测器5。此时此处记为第二入射位置。

此时，处理系统根据第一入射位置与第二入射位置的变化量，处理得到所述反射部件3上被测物体的旋转角度值。结合图2，容易理解的，较于图1所示的方案，该方案通过凸透镜二8，使得旋转行动前入射光电探测器5的激光束2与旋转行动后入射光电探测器的激光束2近似平行，避免由于光电探测器的激光入射角变化过大对于位置测量精度的影响，保障了光电探测器的测量精度。

如图3所示，在另一个实施方案中，在图1所示结构基础上，图1中的凹透镜6被替换为凸透镜一7。激光束2发射出的激光束2入射至反射部件3上的反射面4，反射面4将激光束2反射至凸透镜一7。凸透镜一7使得激光束发生折射。结合图3，容易理解的，旋转行动前后，经凸透镜一7折射后的激光束2的光路与凸透镜一7的焦点交集并交错射入光电探测器5。为了实现光电探测器5测量距离的进一步放大，即实现反射部件3角度测量精度的进一步提高，光电探测器5与凸透镜一7之间的距离大于两倍凸透镜一7的焦距距离。

如图4所示，在另一个实施方案中，在图3所示结构基础上，本高精度角度传感器中的探测头还包括凸透镜二8，凸透镜二8设置于凸透镜一7与光电探测器5之间。

在本实施方案中，光路传输过程如下：

旋转行动前，激光器1发射出激光束2，激光束2入射至反射部件3上的反射面4，反射面4对激光束2进行反射，将激光束2反射至凸透镜一7，凸透镜一7接收经反射面4反射的激光束2，并使得激光束2发生折射。且经凸透镜一7透射出的激光束入射凸透镜二8，凸透镜二8使得激光束2发生第二次折射，并入射至光电探测器5。此时此处记为第一入射位置。

旋转行动后，激光器1发射出激光束2，激光束2入射至反射部件3上的反射面4，反射面4对激光束2进行反射，将激光束2反射至凸透镜一7，凸透镜一7接收经反射面4反射的激光束2，并使得激光束2发生折射。且经凸透镜一7透射出的激光束入射凸透镜二8，凸透镜二8使得激光束2发生第二次折射，并入射至光电探测器5。此时此处记为第二入射位置。且如图4所示，旋转行动后入射光电探测器的激光束与旋转行动前入射光电探测器的激光束近似平行。

处理系统根据第一入射位置与第二入射位置的变化量，处理得到所述反射部件上被测物体的旋转角度值。

在本实施方案中，通过凸透镜一7对激光器1发射出的激光束进行第一次折射，且如图4所示，凸透镜二8与凸透镜一7之间的距离大于两倍凸透镜一的焦距距离，使得光电探测器5测量距离得到进一步的放大，即实现反射部件3角度测量精度的进一步提高。凸透镜二8使得旋转行动前入射光电探测器5的激光束2与旋转行动后入射光电探测器5的激光束2近似平行，避免由于光电探测器5的激光入射角变化过大对于角度测量精度的影响，保障了光电探测器的测量精度。

上述几个不同结构的角度传感器中，反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。作为一种具体的实施方式，反射部件为正多边形立柱，且正多边形立柱的每个侧面为反射面。通过反射部件上的全部所述反射面形状大小相同使得旋转过程中，光电探测器上测得的光束入射距离与角度变化量的比值保持不变。

且上述几个不同结构的角度传感器中，均通过采用两个探测头实现连续测量，但是容易理解的，在保证实现连续测量的情况下，不限制探测头的个数，也可以是三个，四个及四个以上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度角度传感器，其特征在于，包括激光器，所述激光器用于发射激光束，所述激光束入射至反射部件；

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进行反射；

凹透镜，用于接收所述反射面反射的激光束，并使得激光束发生折射；

光电探测器，用于接收经凹透镜折射后的光束，并测量其入射位置；

处理系统，具体用于根据所述光电探测器上所接收到的光束的入射位置变化值，处理得到被测物体的旋转角度值。

2.根据权利要求1所述的高精度角度传感器，其特征在于，还包括凸透镜二，所述凸透镜二设置于所述凹透镜与光电探测器之间，从凹透镜射出的光束经凸透镜二后近似平行入射至所述光电探测器。

3.根据权利要求1所述的高精度角度传感器，其特征在于，所述凹透镜用凸透镜一代替，且光电探测器与凸透镜一之间的距离大于两倍凸透镜一的焦距距离。

4.根据权利要求1所述的高精度角度传感器，其特征在于，所述激光器、凹透镜与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

5.根据权利要求2所述的高精度角度传感器，其特征在于，所述激光器、凸透镜二、凹透镜与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

6.根据权利要求3所述的高精度角度传感器，其特征在于，还包括凸透镜二，所述凸透镜二设置于所述凸透镜一与光电探测器之间，从凸透镜一射出的光束经凸透镜二后近似平行入射至所述光电探测器，且凸透镜二与凸透镜一之间的距离大于两倍凸透镜一的焦距距离。

7.根据权利要求3所述的高精度角度传感器，其特征在于，所述激光器、凸透镜一与光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

8.根据权利要求6所述的高精度角度传感器，其特征在于，所述激光器、凸透镜一、凸透镜二光电探测器组成探测头，所述探测头的数量为多个，且多个探测头的位置关系满足：至少有一个探测头内的光电探测器可接收到旋转前后的光束。

9.根据权利要求1所述的高精度角度传感器，其特征在于，所述反射部件上的全部所述反射面形状大小相同。

10.根据权利要求9所述的高精度角度传感器，其特征在于，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。