[发明专利]一种基于斯托克斯矢量的光学转速测量系统及测量方法

说明书

本发明属于光电检测与测量领域，并公开了一种基于斯托克斯矢量的光学转速测量系统及测量方法。该系统包括线偏振光模块，传感模块和超快完全斯托克斯偏振仪，其中，线偏振光模块发射线偏振光，传感模块包括波片和滤光片，待测对象设置在波片上，待测对象旋转带动波片旋转，滤光片设置在波片的后方，该滤光片包括左右对称但光密度不同的两个部分，来自线偏振光模块的线偏振光进入旋转的波片后被调制为椭偏偏振光，该椭偏偏振光进入滤波片对该椭偏偏振光的光强进行衰减；超快完全斯托克斯偏振仪用于获得偏振光的斯托克斯矢量。通过本发明，满足工业机器人、精密加工与测量等对滚转角测量和转速测量的应用场合，具备非破坏、低成本、简洁等优点。

技术领域

本发明属于光电检测与测量领域，更具体地，涉及一种基于斯托克斯矢量的光学转速测量系统及测量方法。

背景技术

转速传感器，将旋转物体的转速转换为其它物理量输出的传感器。转速传感器属于间接式测量装置，可使用机械、电气、磁、光和混合式等方法。转速传感器在自动控制系统和自动化仪表中应用激光，在不少场合下对低速、高速、稳速和瞬时速度的精确测量有严格要求。常用的转速传感器有光电式、电容式、变磁阻式以及测速发电机。

光电式转速传感器对转速的测量，主要是通过将光线的发射与被测物体的转动相关联，再以光敏元件对光线的感应来外完成。CN201078755Y提出的一种结构简单，装配、维修方便的光电转速传感器，适用于测量列车车轮轴转速，通过光脉冲信号转换成电脉冲信号而测定轮轴转速；变磁阻式传感器的三种基本类型，电感式传感器、变压器式传感器和电涡流式传感器都可作为转速传感器。电感式转速传感器应用较广，它利用磁通变化而产生感应电势，其电势大小取决于磁通变化的速率，TE系列可变磁阻速度传感器一款适用于赛车、研发和小批量计划的高温涡轮速度传感器；电容式传感器分为面积可变化型和介质变化型。当电容的有效接触面积发生改变或电容板间的介电常数发生周期性变化时引起电容量的周期性变化，电容量的周期变化速率即为转速。CN106663202B提出的一种电容式指纹传感器，采用积分器、触发器和基底消除电路，积分器存储来自指纹电容的电荷以产生输出信号。

对比上述方法可知，光电式转速传感器、变磁阻式传感器、电容式传感器受其传感元件的限制而只能做到对转速的测量而无法做到对转角的测量，在机器人导航、机床坐标测量等应用领域往往需要实现同时测量转角遇转速的场合，在目前已有的测量方法中尚未有大量程的滚转角角度与转速测量的传感器及方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于斯托克斯矢量的光学转速测量系统及测量方法，通过波片和滤光片的组合波片与待测物体相连，将线偏振光调制为椭圆偏振光，并通过完全斯托克斯偏振仪实时测量椭圆偏振光的偏振态以得到斯托克斯矢量，从而实时分析斯托克斯矢量得到旋转物体的实时转速，可实现转速传感器在要求高测量精度、无接触的测量情况的测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于斯托克斯矢量的光学转速测量系统，该系统包括线偏振光模块，传感模块和超快完全斯托克斯偏振仪，其中，

所述线偏振光模块设置在所述传感模块前方，用于发射线偏振光，所述传感模块设置在超快完全斯托克斯偏振仪前方，该传感模块包括波片和滤光片，待测对象设置在所述波片上，待测对象旋转带动所述波片旋转，所述滤光片设置在所述波片的后方，该滤光片包括左右对称但光密度不同的两个部分，来自所述线偏振光模块的线偏振光进入所述旋转的波片后被调制为椭偏偏振光，该椭偏偏振光进入所述滤光片对该椭偏偏振光的光强进行衰减；所述超快完全斯托克斯偏振仪用于将来自所述椭偏偏振光进行检测，以此获得所述偏振光的斯托克斯矢量。

进一步优选地，所述线偏振光模块包括光源和偏振器，所述光源用于发出光，所述偏振器用于将所述光源发出的光转化为线偏振光。

进一步优选地，所述偏振器为格兰泰勒棱镜、薄膜类偏振器或结构类偏振器，所述波片为四分之一波片，所述光源为白光光源、激光光源或发光二极管光源。