一种基于时间测角的新型传感器及其角度测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于时间测角的新型传感器及其角度测量方法，包括步骤：设置每组测头装置中光波导阵列器件调整后的激光入射至参考光电探测器的时间t0(j)等于0，并记录光波导阵列器件调整后的激光经多边正棱柱反射至M个测量光电探测器的时间分别为ti(j)；根据激光入射至测量光电探测器的时间ti(j)，依次计算该组测头装置在ti(j)时刻对应的多边正棱柱的相对角度

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间测角的新型传感器及其角度测量方法
本专利技术涉及旋转角度测量
，特别涉及一种基于时间测角的新型传感器及其角度测量方法。
技术介绍
目前高精度角度测量常常采用光栅作为测量元件，但光栅精度受限于光栅刻线密度以及刻线精度，当前难以进一步提升其测量精度。申请人提出的基于光臂放大式角度测量传感器也依赖高精度位置敏感探测器，这类器件国内厂家也难以制造。重庆理工大学彭东林教授专利技术的时栅采用旋转磁场作为运动参考系，旋转磁场的匀速性和平稳性影响测量精度。因此从测量原理进行创新，降低角度传感器对光电探测器件精度的要求，开发一种新型高精度、低成本的高精度角度测量传感器就十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于从测量原理进行创新，降低角度传感器对光电探测器件精度的要求，提供一种基于时间测角的新型传感器。为了实现上述专利技术目的，本专利技术实施例提供了以下技术方案：一种基于时间测角的新型传感器，包括测头装置、多边正棱柱，其中：所述测头装置包括：激光器，用于向光波导阵列器件发射激光；光波导阵列器件，用于对激光器发射的激光按照设定的频率F进行角度变化后发射至多边正棱柱和参考光电探测器，并且使得激光经多边正棱柱后，反射至测量光电探测器；测量光电探测器，用于接收多边正棱柱反射的所述光波导阵列器件发射的激光；参考光电探测器，用于接收所述光波导阵列器件发射的激光；处理器，用于记录激光入射至所述参考光电探测器的时间t0和入射至所述测量光电探测器的时间t1，根据记录的时间t1和时间t2之间的时间差△t，计算出所述多边正棱柱的相对角度θ，所述相对角度θ作为被测物体在时间段△t内的旋转角度；所述多边正棱柱用于搭载被测物体进行旋转，并接收所述光波导阵列器件发射的激光后，将激光反射至测量光电探测器。在上述方案中，由于多边正棱柱搭载被测物体进行旋转时，不是匀速旋转，因此通过记录激光先后入射至参考光电探测器的时间和入射至测量光电探测器的时间，可以计算出该时间段内多边正棱柱的旋转角度。新型传感器结构参数确定后，所述多边正棱柱的任一角度对应唯一一个时间差，通过时间差即可获得对应的多边正棱柱旋转角度。优选地，所述参考光电探测器与测量光电探测器设置有光强度阈值，当入射的激光强度超过该设定的光强度阈值，则为有效检测信号，为参考光电探测器和测量光电探测器可接收的激光信号设定光强度阈值，可避免光波导阵列器件产生的杂散激光对测量过程造成影响。更进一步地，所述测头装置、多边正棱柱设置在壳体内，且所述激光器、光波导阵列器件、测量光电探测器、参考光电探测器相对于壳体固定。更进一步地，包括多个测头装置，当其中某一测头装置的测量光电探测器在光波导阵列器件角度调整范围内无法接收到激光时，则通过其他测头装置的参考光电探测器和测量光电探测器接收到激光的时间差来计算所述多边正棱柱的相对角度θ。在上述方案中，当其中一个测头装置无法满足测量要求时，即光波导阵列器件角度调整一个周期内，测量光电探测器无法接收到有效激光，则至少有另一个测头装置处于正常测量范围内。包括多个测头装置时，通过多个测头装置的错位设置，实现被测物体的连续角度测量，同时多个测头装置同时处于有效测量范围内时，可以求取相对增量角度的平均值，能进一步减小计算旋转角度时的误差。比如，处于正常测量范围内每个测头装置的处理器计算所述多边正棱柱的相对增量角度Δθ，所述相对增量角度Δθ为当前时刻相对角度θ与前一个时刻相对角度θ的差，再计算多个所述测头装置的处理器计算的所述多边正棱柱的相对增量角度Δθ的平均值，作为被测物体在时间段△t内的旋转增量角度。更进一步地，所述光波导阵列器件对激光的角度调整范围大于等于360°/N，N为所述多边正棱柱的边数。更进一步地，所述光波导阵列器件可以是其它实现激光角度高频调整的器件，例如高频激光振镜等器件。更进一步地，每个测头装置包括依次排布的M个测量光电探测器，M为大于等于2的正整数；且M个所述测量光电探测器等角度分布在激光测量范围内。更进一步地，所述参考光电探测器设置在光波导阵列器件的角度调整边界。在上述方案中，为了保证光波导阵列器件对激光进行出射角度的调整后，参考光电探测器依然能在某一时刻接收到激光，因此需要将参考光电探测器设置在光波导阵列器件的角度调整范围内，作为优选，将参考光电探测器设置在光波导阵列器件的角度调整范围的边界，这样使得光波导阵列器件对入射激光在一个角度调整周期内，激光仅入射至参考光电探测器一次。更进一步地，所述多边正棱柱具有空心槽，使多边正棱柱与被测物体同轴固定安装。在上述方案中，将多边正棱柱和被测物体相对固定的设置在同一根轴上，当被测物体进行旋转时，可以同轴带动多边正棱柱一同旋转，从而通过传感器测量出被测物体的旋转角度。优选地，所述多边正棱柱的边数在10条以上。本方案还提出，一种基于时间测角的新型传感器的角度测量方法，包括以下步骤：步骤S1：设置每组测头装置中光波导阵列器件调整后的激光入射至参考光电探测器的时间t0(j)等于0，并记录光波导阵列器件调整后的激光经多边正棱柱反射至M个测量光电探测器的时间分别为ti(j)，其中ti(j)表示第j个测头装置中激光入射至该测头装置的第i个测量光电探测器的时间，i＝1,...,M，M为所述测量光电探测器的数量,j＝1,...,K，K为所述测头装置的数量；步骤S2：根据激光入射至测量光电探测器的时间ti(j)，依次计算该组测头装置在ti(j)时刻对应的多边正棱柱的相对角度θi(j)，从而计算角度增量Δθi(j)为θi(j)-θi-1(j)，所述角度增量Δθi(j)作为被测物体在t(i-1)(j)时刻到ti(j)时刻之间的旋转角度。在上述方案中，所述传感器具有多个测头装置，且每个测头装置具有多个测量光电探测器，从激光入射至参考光电探测器时的时间t0(j)起，每当激光入射至一个测量光电探测器时，都记录一次时间ti(j)，而每一个时间ti(j)都可以计算出一个相对角度θi(j)，那么前一时间t(i-1)(j)也可以计算出一个相对角度θi-1(j)，因此计算角度增量Δθi(j)＝θi(j)-θi-1(j)，即为多边正棱柱在时间ti(j)和时间t(i-1)(j)之间的旋转角度。由于本方案中每个测头装置具有M个测量光电探测器，可以将光波导阵列器件一个角度调整周期进一步细分，以降低被测物体高速转动对角度测量精度的影响。更进一步地，设定时间间隔T，此时某一测头装置中的第i个所述测量光电探测器正好检测到激光入射，或第i个测量光电探测器是最近检测到激光入射的测量光电探测器时，计算时间间隔T时多边正棱柱的相对角度θi，即可获得被测物体在间隔时间T内的旋转增量角度。在上述方案中，为求在一定时间段内被测物体的旋转角度，设定一个时间间隔T，每隔时间间隔T时，计算一次相对角度θi，但由于多个测量光电探测器之间具有缝隙，不是完全衔接，因此可能会存在在时间间隔T时激光没有入本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：包括测头装置、多边正棱柱，其中：/n所述测头装置包括：/n激光器，用于向光波导阵列器件发射激光；/n光波导阵列器件，用于对激光器发射的激光按照设定的频率F进行角度变化后发射至多边正棱柱和参考光电探测器，并且使得激光经多边正棱柱后，反射至测量光电探测器；/n测量光电探测器，用于接收多边正棱柱反射的所述光波导阵列器件发射的激光；/n参考光电探测器，用于接收所述光波导阵列器件发射的激光；/n处理器，用于记录激光入射至所述参考光电探测器的时间t0和入射至所述测量光电探测器的时间t1，根据记录的时间t1和时间t0之间的时间差△t，计算出所述多边正棱柱的相对角度θ，所述相对角度θ作为被测物体在时间段△t内的旋转角度；/n所述多边正棱柱用于搭载被测物体进行旋转，并接收所述光波导阵列器件发射的激光后，将激光反射至测量光电探测器。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：包括测头装置、多边正棱柱，其中：
所述测头装置包括：
激光器，用于向光波导阵列器件发射激光；
光波导阵列器件，用于对激光器发射的激光按照设定的频率F进行角度变化后发射至多边正棱柱和参考光电探测器，并且使得激光经多边正棱柱后，反射至测量光电探测器；
测量光电探测器，用于接收多边正棱柱反射的所述光波导阵列器件发射的激光；
参考光电探测器，用于接收所述光波导阵列器件发射的激光；
处理器，用于记录激光入射至所述参考光电探测器的时间t0和入射至所述测量光电探测器的时间t1，根据记录的时间t1和时间t0之间的时间差△t，计算出所述多边正棱柱的相对角度θ，所述相对角度θ作为被测物体在时间段△t内的旋转角度；
所述多边正棱柱用于搭载被测物体进行旋转，并接收所述光波导阵列器件发射的激光后，将激光反射至测量光电探测器。


2.根据权利要求1所述的一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：所述测头装置、多边正棱柱设置在壳体内，且所述激光器、光波导阵列器件、测量光电探测器、参考光电探测器相对于壳体固定。


3.根据权利要求1所述的一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：包括多个测头装置，当其中某一测头装置的测量光电探测器在光波导阵列器件角度调整范围内无法接收到激光时，则通过其他测头装置的参考光电探测器和测量光电探测器接收到激光的时间差来计算所述多边正棱柱的相对角度θ。


4.根据权利要求1所述的一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：所述光波导阵列器件对激光的角度调整范围大于等于360°/N，N为所述多边正棱柱的边数。


5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：所述测头装置包括依次排布的M个测量光电探测器，M为大于等于2的正整数；且M个所述测量光电探测器等角度分布在激光测量范围内。


6.根据权利要求1所述的一种基于时间测角的新型传感器，其特征在于：所述参考光电探测器设置在光波导阵列器件的角度调整范围边界。


7.一种基于时间测角的新型传感器的角度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：设置每组测头装置中光波导阵列器件调整后的激光入射至参考光电探测器的时间t0(j)等于0，并记录光波导阵列器件调整后的激光经多边正棱柱反射至M个测量光电探测器的时间分别为ti(j)，其中ti(j)表示第j个测头装置中激光入射至该测头装置的第i个测量光电探测器的时间，i＝1,...,M，M为所述测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张白，刘杰，康学亮，高洋，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：宁夏;64