任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术涉及光学式角度测量技术领域，尤其涉及一种任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统及测量方法，该测量系统包括第一转盘、第二转盘、传动杆、相交平面镜、反射镜、激光器、分束器、光电探测器和计算机，该测量系统通过相交平面镜和反射镜构成的反射单元，延长了激光自混合信号的外腔光程，相比于传统平面镜构成的反射单元或者直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量范围和测量分辨率。

A self-mixing laser micro-angle measuring system with arbitrary angle mirror and its measuring method

【技术实现步骤摘要】
任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统及测量方法
本专利技术涉及光学式角度测量
，尤其涉及一种基于相交镜的任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统及测量方法。
技术介绍
角度测量技术作为计量技术的重要组成部分，随着科学技术的不断发展，角度测量技术已被广泛应用于光机电一体化、航空航天、军事国防等
在角度测量技术中，根据测量原理主要分为三类：机械式角度测量技术、电磁式角度测量技术和光学式角度测量技术，其中机械式角度测量技术和电磁式角度测量技术研究起步最早，机械式角度测量技术以多齿分度盘为代表，电磁式角度测量技术则以圆磁栅测角技术和感应同步器测角技术为代表。无论是机械式角度测量技术还是电磁式角度测量技术均存在需要手工操作和接触测量，不利于实现角度测量自动化的缺点。与机械式角度测量技术和电磁式角度测量技术相比，光学式角度测量技术则具有非接触测量、测量精度高、测量分辨率高等优点。目前国内外的光学式角度测量技术，根据其测量原理的不同主要分为：圆光栅法、环形激光法、光学内反射法、自准直法、激光干涉法等。光学内反射法是利用全发射条件下入射角变化与反射光强变化之间的关系，通过测量反射光强的变化来测量入射角的变化；自准直法是利用光学自准直原理，将被测物体上发射环境旋转角度变换成自准直仪接收器上的线量变化，通过测量线量变化间接测量出反射面微小角度的变化，这两种方法都是基于角度变化引起接收光强变化的检测原理，易受到探测器接受面尺寸及电子细分位数的限制，无法保证较高的分辨率和较大的角度测量范围。激光干涉法是利用角度变化引起相位变化，再通过相位检测机制进行角度测量，典型的激光干涉法是基于迈克尔逊干涉仪的基本原理，通过双光束光程差的变化表示角度的变化量，最终通过观察干涉条纹，获得待测角度。虽然基于双光束激光干涉的角度测量方法与基于测量光强变化的角度测量方法相比，其测量精度和测量范围均有一定程度提高，但其测量装置结构相对较为复杂，增加了系统的体积及成本，同时在实际测量中也难以实现光路自准直。近年来，基于激光自混合原理的激光干涉角度测量技术逐渐成为角度测量技术的研究热点。相对于传统的激光双光束干涉法角度测量技术，基于激光自混合原理的角度测量技术因其单光路设计、自准直、等优点逐渐成为激光干涉角度测量技术的重要研究方向。国内外多个研究小组已经设计和尝试了多种基于激光自混合原理的微角度测量方案，并获得了初步的实验结果。2008年，暨南大学的钟金刚等人利用旋转平面镜的方法设计研究了一个微角度测量系统，平面镜随转盘转动的过程中会产生角度的变化，进而导致外腔长改变，通过测量反馈光形成的激光自混合干涉信号结合条纹计数法可以获得转盘的转动角度，测角范围为±2.41′。从上述研究方案可以看出，目前已有的基于激光自混合原理的角度测量装置依然停留在简单采用平面反射镜，对激光光束入射位置存在严格限制，同时旋转过程中，反馈光强度也随角度变化产生涨落，进一步影响了待测信号的信噪比，大幅降低了系统的测量范围和分辨率。还有一些文献中公开了采用单反射棱镜的技术方案，虽然其不受激光入射位置的限制，但测量范围仍然受限于旋转角度，当旋转角度过大时导致光无法被探测，同时仍然存在分辨率较低的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种有效克服现有的基于激光自混合原理的角度测量方法所存在的问题，能够在高分辨率的条件下实现大角度范围测量的基于相交镜的激光自混合微角度测量系统及测量方法。为实现以上技术目的，本专利技术的第一种技术方案是：一种激光自混合微角度测量系统，包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、正交反射镜、第三反射镜、反射镜传动支架、激光器、分束器、光电探测器和计算机；所述第一转盘和第二转盘通过T型传动支架同步转动；所述T型传动支架包括水平设置且相互垂直的第一传动杆和支撑杆，所述第一传动杆两端分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述第一传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线，所述支撑杆的中部连接于第二连接柱上；所述第一相交平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角为90°；所述第二相交平面镜包括第三平面镜和第四平面镜，所述第三平面镜的一侧与第四平面镜的一侧相连且第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角为90°；所述第一平面镜与第二平面镜的连接边和所述第三平面镜与第四平面镜的连接边分别与支撑杆的两端下半部相连，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线和第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角的角平分线均与支撑杆垂直，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜的镜面均背离第一传动杆；所述正交反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜的一侧与第二反射镜的一侧相连且第一反射镜镜面与第二反射镜镜面的夹角为90°，所述正交反射镜夹角的角平分线与第一传动杆位于同一直线上；所述反射镜传动支架包括对称设置的第二传动杆和第三传动杆，所述第二传动杆的一端底部连接于支撑杆一端上半部，所述第三传动杆的一端底部连接于支撑杆另一端上半部，所述第二传动杆的另一端与第三传动杆的另一端相连且两者连接处的底部连接于第一反射镜与第二反射镜连接处的顶部；所述第三反射镜设于第四平面镜前方且两者镜面的夹角为45°；所述激光器出射激光光束到第一平面镜上且激光光束与第一平面镜镜面的夹角为45°；所述分束器设于激光器与第一平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；所述光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号后发送到计算机；所述计算机对接收到的电信号进行处理分析，获得被测的第一转盘的转动角度。基于上述测量系统的微角度测量方法，其步骤包括：A.基于T型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传动支架带动另外一个转盘同步转动，进而带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动；B.转盘转动过程中激光器出射激光光束，激光光束的行进光路为：a.激光器出射激光光束并以45°角入射到第一平面镜，经第二平面镜反射到第一反射镜；b.第一反射镜将激光光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第三平面镜，入射到第三平面镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相同且与第三平面镜的夹角为45°；c.激光光束经相互垂直的第三平面镜和第四平面镜依次反射后以90°角入射到第三反射镜，入射到第三反射镜的激光光束方向与激光器出射激光光束方向相反；d.第三反射镜对入射的激光光束反射，反射后的激光光束沿原路返回激光器腔内，形成激光自混合信号；C.通过分束器将激光自混合信号反馈到光电探测器；D.光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；E.计算机对接收到的信号进行处理分析，利用激光自混合干涉原理获得转盘转动前后激光自混合信号的外腔光程差，再利用外腔光程差与转盘转动角度之间的关系，即可获得转盘的转动角度。从以上描述可以看出，该测量系统及其测量方法具备以下优点：(1)激光光束入射到第一相交平面镜时，先入射到外侧的第一平面镜，即采用外入射形式，与传统的外差干涉系统相比，系统结构更加简单；(2)通过第一相交本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：包括第一转盘、第二转盘、传动杆、相交平面镜、反射镜、激光器、分束器、光电探测器和计算机；所述第一转盘和第二转盘通过传动杆同步转动；所述传动杆两端端部分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线；所述相交平面镜包括镜面相向的第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且二者的连接边连接于第二连接柱上，所述第一平面镜和第二平面镜的镜面均背离传动杆，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线与传动杆位于同一直线上，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角记为α，α的取值范围为：0°<α<180°；所述反射镜设于第二平面镜外侧且镜面与第一平面镜镜面的夹角等于

【技术特征摘要】
1.一种任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：包括第一转盘、第二转盘、传动杆、相交平面镜、反射镜、激光器、分束器、光电探测器和计算机；所述第一转盘和第二转盘通过传动杆同步转动；所述传动杆两端端部分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线；所述相交平面镜包括镜面相向的第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且二者的连接边连接于第二连接柱上，所述第一平面镜和第二平面镜的镜面均背离传动杆，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线与传动杆位于同一直线上，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角记为α，α的取值范围为：0°<α<180°；所述反射镜设于第二平面镜外侧且镜面与第一平面镜镜面的夹角等于所述激光器出射激光光束到第二平面镜上，激光器出射激光光束与经过第二平面镜反射后的激光光束形成的夹角等于α，激光器出射激光光束与反射镜镜面的夹角等于所述分束器设于激光器与第二平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；所述光电探测器将接收到的激光信号转化为电信号并发送到计算机；所述计算机对接收到的电信号进行处理分析获得被测的第一转盘的转动角度。2.根据权利要求1所述的任意夹角镜面式激光自混合微角度测量系统，其特征在于：还包括传动皮带，所述传动皮带套接在第一转盘和第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕亮，王晨辰，陈由泽，毕铁柱，周俊峰，王志平，俞本立，王焕钦，桂华侨，刘建国，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34