[发明专利]一种基于时间测角的新型传感器及其角度测量方法

说明书

本发明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，从而计算角度增量，所述角度增量作为被测物体在t(i‑1)(j)时刻到ti(j)时刻之间的旋转角度。通过光波导阵列器件实现激光入射角的高频改变，通过激光入射至参考光电探测器与测量光电探测器的时间差确定出多边正棱柱的相对旋转角度，角度测量精度将与时间测量精度相关，而不再由光电探测器的精度决定。

技术领域

本发明涉及旋转角度测量技术领域，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。

背景技术

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发明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。

发明内容

本发明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。

为了实现上述发明目的，本发明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。