專利名稱：抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，可針對(duì)具有較大徑向跳動(dòng)的 轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度測(cè)量，為大型機(jī)電轉(zhuǎn)角系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動(dòng)控制提供精確、快速的角度數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)角測(cè)量傳感器在機(jī)電系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，尤其是大型機(jī)電轉(zhuǎn)臺(tái) 中轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角值獲取、大型多維轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制等都離不開轉(zhuǎn)角測(cè)量 傳感器。但目前機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)角測(cè)量傳感器，如光柵 角編碼器、感應(yīng)同步角傳感器、磁柵測(cè)角傳感器等，由于存在動(dòng)、靜 標(biāo)尺之間間隙變化量受限、測(cè)量速度低等缺點(diǎn)，不能滿足現(xiàn)代機(jī)電平 臺(tái)轉(zhuǎn)角的高精度、快速測(cè)量要求，并已成為制約機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)進(jìn)一步 提升其性能的主要影響因素之一，這種情況在大型機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)中顯 得尤為突出。
對(duì)于機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)體需要根據(jù)指令要求進(jìn)行快速方位轉(zhuǎn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)或靜止條件下精確轉(zhuǎn)動(dòng)定位。但是一些大型多級(jí)傳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)
體的直徑在2-3m左右，重達(dá)十余噸，需傳動(dòng)的動(dòng)力大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間的 嚙合間隙也大，這就致使轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分與非轉(zhuǎn)動(dòng)部分間的間隙變 化接近毫米量級(jí)，而現(xiàn)有的光柵、磁柵、感應(yīng)同步器等測(cè)角系統(tǒng)，因 其測(cè)量原理所限，很難適應(yīng)這種動(dòng)、靜標(biāo)尺間隙變化大的狀況，因而 轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng)不得不安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端，轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù) 也不得不經(jīng)過多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，由安裝在驅(qū)動(dòng)端的測(cè)角傳感系統(tǒng)感 知，進(jìn)而通過運(yùn)算來解算出來。
由于轉(zhuǎn)動(dòng)體的體積大、傳動(dòng)動(dòng)力大、傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、傳遞間隙大、 轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的測(cè)量鏈長，因而轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的傳遞誤差大，其結(jié)果使機(jī)電控 制模塊測(cè)量的數(shù)據(jù)并不能真正反映轉(zhuǎn)動(dòng)體實(shí)際的方位轉(zhuǎn)角信息，使轉(zhuǎn) 角測(cè)量精度遠(yuǎn)低于系統(tǒng)中其它模塊，嚴(yán)重降低了機(jī)電控制模塊的控制 精度，制約了整個(gè)大型機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的整體性能。
將測(cè)角和測(cè)速系統(tǒng)直接安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)齒圈位置，來獲取轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速早已被公認(rèn)為最合理的設(shè)計(jì)方案，但其前提是首先應(yīng)研制出 具有抗轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器。事實(shí)上，抗轉(zhuǎn)動(dòng)體 徑向跳動(dòng)的測(cè)角傳感器技術(shù)，已成為制約大型機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)進(jìn)行高精 度機(jī)電控制的技術(shù)瓶頸。
目前改善轉(zhuǎn)角精度的技術(shù)途徑有兩種做法 一是提高傳動(dòng)系統(tǒng)精 度，降低轉(zhuǎn)角傳遞誤差，但這不能從根本上解決問題；二是研究可以 適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)的可直接安放在轉(zhuǎn)動(dòng)體位置上的新原理轉(zhuǎn)角及速 率傳感技術(shù)，從根本上提升機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角精度，降低傳動(dòng)系統(tǒng)
的制造成本o
目前，國內(nèi)提高具有較大徑向跳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)角測(cè)量精度的途徑， 主要通過改善傳動(dòng)系統(tǒng)精度、減小傳動(dòng)環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，但這不能解決根
本問題，此類轉(zhuǎn)角測(cè)量方法的精度只能達(dá)到10'左右，不符合新一代
高精度轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。
基于此，本發(fā)明提出一種抗轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)的轉(zhuǎn)角測(cè)量方法與裝 置，有效突破現(xiàn)有轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速精度因受多級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度影 響而難以提高的技術(shù)瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是為了解決徑向跳動(dòng)大的轉(zhuǎn)動(dòng)體無法進(jìn)行高 精度轉(zhuǎn)角測(cè)量的問題，提出抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè) 量方法，該方法以光柵作為合作目標(biāo)，使用兩束激光照射轉(zhuǎn)動(dòng)體上安 裝的光柵，利用沿轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向方向的兩路光柵衍射光的多普勒頻移效 應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)不敏感的特點(diǎn)，進(jìn)而通過干涉檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精 度轉(zhuǎn)角測(cè)量。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是根據(jù)該測(cè)量方法提出抗徑向跳動(dòng)的合作目 標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量裝置。該裝置具有體積小、實(shí)時(shí)性高、測(cè)量穩(wěn) 定性好的特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟
包括
(a)測(cè)量前調(diào)整光路，使兩束頻差為/的準(zhǔn)直激光同時(shí)照射轉(zhuǎn)動(dòng)體回轉(zhuǎn)表面上光柵尺的同一區(qū)域，兩束準(zhǔn)直激光在光柵尺的表面發(fā)生衍 射，其中一束準(zhǔn)直激光的W級(jí)衍射光與另一束準(zhǔn)直激光的W級(jí)衍射光 互相重合，并沿轉(zhuǎn)動(dòng)體的徑向方向出射進(jìn)入會(huì)聚鏡，經(jīng)過會(huì)聚鏡聚焦 在光電傳感器表面發(fā)生干涉，此時(shí)兩束準(zhǔn)直激光與光柵尺表面法線的 夾角a需滿足以下公式
"=arcsin- (1)
其中W為沿轉(zhuǎn)動(dòng)體的徑向方向出射衍射光的級(jí)次、A為入射準(zhǔn)直 激光的波長、^為光柵尺的柵距；
(b) 測(cè)量過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體靜止時(shí)，兩束衍射光的頻差為/，光電 探測(cè)器的輸出信號(hào)的頻率值為/，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵尺沿回轉(zhuǎn)表面 的切向方向運(yùn)動(dòng)，使兩束準(zhǔn)直激光的衍射光發(fā)生多普勒頻移，頻移值 為A,，兩束衍射光的頻差為/+2A/，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)的頻率值 為/+2
(c) 測(cè)量過程中計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，首先需要記錄光電探測(cè)器輸出信號(hào) 的波動(dòng)次數(shù)為w(,),記錄光電探測(cè)器輸出信號(hào)的頻率為i^)，而后根據(jù) 公式(2)(3)(4)可計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度^Z)、角速度w(仏角加速度
lm —余
(r函)
雄)=^1 (rad/s2) (4)
其中r是轉(zhuǎn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)半徑，/為兩束準(zhǔn)直激光的頻差，J為光柵 尺的柵距，m、 w為沿光柵尺表面法線方向出射的衍射光級(jí)次。
該測(cè)量方法還可以在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周上安裝多個(gè)測(cè)量頭，采用誤差 分離技術(shù)，分析多個(gè)測(cè)量頭的數(shù)據(jù)，改善單個(gè)測(cè)量頭的諧波抑制特性， 消除轉(zhuǎn)動(dòng)體各個(gè)方向的徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
該測(cè)量方法還可以在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周上安裝多條光柵尺，通過位置 參考點(diǎn)切換光柵尺的工作狀態(tài)，避開轉(zhuǎn)動(dòng)體圓周上光柵尺的接縫對(duì)測(cè) 量的干擾?？箯较蛱鴦?dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量裝置，包括激光器， 還包括光柵尺、光電傳感器、會(huì)聚鏡、光纖、光纖分路器、頻移器、
第一路準(zhǔn)直鏡、第二路準(zhǔn)直鏡；其中激光經(jīng)過光纖進(jìn)入測(cè)量頭中的光 纖分路器，并被分為兩路 一路經(jīng)過光纖與第一路準(zhǔn)直鏡后出射第一
路準(zhǔn)直激光，另一路激光依次通過光纖、頻移器、光纖與第二路準(zhǔn)直
鏡后出射第二路準(zhǔn)直激光；兩路準(zhǔn)直激光照射轉(zhuǎn)動(dòng)體圓周上安裝的光 柵尺，并在光柵尺表面發(fā)生衍射，其中兩束衍射光互相重合，并沿轉(zhuǎn) 動(dòng)體的徑向方向出射，而后經(jīng)過會(huì)聚鏡聚焦在光電探測(cè)器表面，最后 由處理電路接收光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，并計(jì)算角度測(cè)量結(jié)果。
該測(cè)量裝置還可以包括多個(gè)測(cè)量頭，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周周圍。 該測(cè)量裝置還可以在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周上安裝多條光柵尺，在每條光 柵尺接縫兩側(cè)安裝位置參考點(diǎn)。 有益效果
本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)-
1. 本發(fā)明利用雙路衍射光干涉對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)不敏感這一特 性，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體發(fā)生徑向跳動(dòng)時(shí)，兩路衍射光能夠保證干涉測(cè)量不中斷， 徑向跳動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量的影響很小。
2. 采用雙路衍射光多普勒效應(yīng)、干涉檢測(cè)技術(shù)與光電信號(hào)實(shí)時(shí)處 理技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)徑向跳動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)角、角速度及角加速度的高 精度實(shí)時(shí)測(cè)量；
3. 本發(fā)明裝置利用光纖構(gòu)建光路，測(cè)量頭體積小、抗干擾能力強(qiáng)、 性能穩(wěn)定可靠。
4. 可安裝多個(gè)測(cè)量頭，利用誤差分離技術(shù)提高測(cè)量精度，改善單 個(gè)測(cè)量頭的諧波抑制特性，消除轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
5. 可安裝多條光柵尺，在每條光柵尺接縫兩側(cè)安裝位置參考點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)光柵尺的切換，避開光柵尺接縫對(duì)測(cè)量精度的影響


圖1為本發(fā)明測(cè)量方法的原理示意圖； 圖2為斜入射光線的光柵衍射示意圖； 圖3為本發(fā)明測(cè)量方法抗徑向跳動(dòng)原理示意4為發(fā)生徑向跳動(dòng)時(shí)光電傳感器表面的干涉區(qū)域示意圖；圖5為本發(fā)明裝置中測(cè)量頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的測(cè)量頭分布示意圖；圖7為本發(fā)明裝置的光柵尺安裝示意圖；其中l(wèi)-轉(zhuǎn)動(dòng)體、2-光柵尺、3-光電傳感器、4-會(huì)聚鏡、5-第一路準(zhǔn)直激光、6-第二路準(zhǔn)直激光、7-徑向跳動(dòng)、8-激光器、9-光纖、10-光纖分路器、11-光纖、12-光纖、13-頻移器、14-光纖、15-第一路準(zhǔn)直 鏡、16-第二路準(zhǔn)直鏡、17-測(cè)量頭、18-處理電路、19-測(cè)量頭、20-測(cè)量 頭、21-測(cè)量頭、22-測(cè)量頭、23-光柵尺、24-光柵尺、25-位置參考點(diǎn)、 26-位置參考點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
下面針對(duì)直徑1.5m的回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)角測(cè)量，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì) 本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的基本思想是利用光柵尺的兩路衍射光發(fā)生多普勒頻移后 的干涉信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)角測(cè)量，利用兩路衍射光束的多普勒頻移效應(yīng) 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)不敏感這一特性，減少徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)角的影響。本 發(fā)明使用光纖構(gòu)建光路，降低測(cè)量頭的體積，并同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn) 圓周上安裝多個(gè)測(cè)量頭，利用誤差分離技術(shù)改善單個(gè)測(cè)量頭的諧波抑 制特性，并進(jìn)一步消除轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)施例如圖1所示， 一種抗轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)的測(cè)角方法，其測(cè)量步驟是首先，將波長;^632nm激光器8的激光耦合進(jìn)入光纖9，經(jīng)過光 纖分路器10后形成兩路測(cè)量光路， 一路經(jīng)過光纖11與第一路準(zhǔn)直鏡 15后出射第一路準(zhǔn)直激光5，另一路激光依次通過光纖12、 20Mhz頻 移器13、光纖14與第二路準(zhǔn)直鏡16后出射第二路準(zhǔn)直激光6;兩路 準(zhǔn)直激光照射轉(zhuǎn)動(dòng)體1圓周上安裝的光柵尺6，根據(jù)公式(l)計(jì)算得出 兩束準(zhǔn)直激光與光柵尺2表面的法線的夾角為39.2°，兩束準(zhǔn)直激光在 柵距t^lpm的光柵尺表面發(fā)生衍射。如圖2所示，兩路準(zhǔn)直激光各自 具有多條級(jí)次的衍射光線，其中第一路準(zhǔn)直激光5的+1級(jí)衍射光與第 二路準(zhǔn)直激光6的-1級(jí)衍射光互相重合，并沿轉(zhuǎn)動(dòng)體1的徑向方向出8射。而后兩路衍射光經(jīng)過會(huì)聚鏡4聚焦在光電探測(cè)器3表面，并發(fā)生 干涉，光電探測(cè)器3實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)傳送給處理電路18,由 處理電路18計(jì)算角度結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)光柵尺2沿順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一路準(zhǔn)直 激光5的+1級(jí)衍射光產(chǎn)生多普勒藍(lán)移，第二路準(zhǔn)直激光6的-1級(jí)衍射 光產(chǎn)生多普勒紅移，兩束衍射光的頻差發(fā)生變化，記錄光電探測(cè)器3 輸出信號(hào)的波動(dòng)次數(shù)為"W,記錄光電探測(cè)器3輸出信號(hào)的頻率為F(/);然后，根據(jù)公式(2)(3)(4)，可推導(dǎo)出該1.5m直徑轉(zhuǎn)動(dòng)體1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度《0、角速度。0)、角加速度《0計(jì)算公式,J.("(,)-= /力(一 (5) ) = ~' " " =_、 " " (rad/s) (6) , (rad/s2) (7)其中，回轉(zhuǎn)半徑r-1.5m，頻差戶20xl()6Hz，柵距d=l(r6m，衍射 光級(jí)次附=+1、 "=-1。信號(hào)處理電路18根據(jù)公式(5)(6)(7)可實(shí)時(shí)解算出轉(zhuǎn)動(dòng)體1的轉(zhuǎn)動(dòng) 角度W)、角速度w(O、角加速度e(f)值。如圖3所示，測(cè)量過程中當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體發(fā)生的徑向跳動(dòng)7在lmm之內(nèi) 時(shí)，斜入射的第一路準(zhǔn)直激光5與第二路準(zhǔn)直激光6照射光柵尺2的 區(qū)域仍然有重疊部分，并且兩路1級(jí)衍射光仍然沿光柵尺2表面的法 線方向出射，經(jīng)過會(huì)聚鏡4聚焦后在光電探測(cè)器3表面。如圖4所示， 由于受徑向跳動(dòng)的影響，衍射光在光電探測(cè)器3表面的會(huì)聚光斑并未 完全重合，但部分重疊區(qū)域產(chǎn)生的干涉已經(jīng)可以滿足轉(zhuǎn)角測(cè)量的要求。如圖5所示， 一種抗轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)的測(cè)角裝置，其中測(cè)量頭17 中包括光電傳感器3、會(huì)聚鏡4、光纖分路器IO、光纖ll、光纖12、 頻移器13、光纖14、第一路準(zhǔn)直鏡15、第二路準(zhǔn)直鏡16;其中632nm 的激光經(jīng)過光纖9進(jìn)入測(cè)量頭17中的光纖分路器10，并被分為兩路: 一路經(jīng)過光纖11與第一路準(zhǔn)直鏡15后出射第一路準(zhǔn)直激光5，另一路 激光依次通過光纖12、頻移器13、光纖14與第二路準(zhǔn)直鏡16后出射第二路準(zhǔn)直激光6;兩路準(zhǔn)直激光照射轉(zhuǎn)動(dòng)體1圓周上安裝的光柵尺6，并在光柵尺.6表面發(fā)生衍射，其中兩束衍射光互相重合，并沿轉(zhuǎn)動(dòng)體 1的徑向方向出射，而后經(jīng)過會(huì)聚鏡4聚焦在光電探測(cè)器3表面，最 后由處理電路18根據(jù)光電探測(cè)器3的輸出信號(hào)計(jì)算角度測(cè)量結(jié)果。本實(shí)施例的測(cè)角裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)體1的圓周上安裝四個(gè)測(cè)量頭，每兩 個(gè)測(cè)量頭之間間隔90°。通過處理四個(gè)測(cè)量頭的數(shù)據(jù)，使用誤差分離法 改善測(cè)量頭的諧波抑制特性，消除轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)角結(jié)果的影響。本實(shí)施例的測(cè)角裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)體1的圓周上安裝兩條光柵尺，在每 條光柵尺的接縫處兩側(cè)安裝位置開關(guān)。當(dāng)測(cè)量頭19、測(cè)量頭20、測(cè)量 頭21、測(cè)量頭22經(jīng)過位置開關(guān)時(shí)，切換兩根光柵尺的工作狀態(tài)，由 測(cè)量頭選擇可連續(xù)工作的光柵尺，避開轉(zhuǎn)動(dòng)體1圓周上光柵尺的接縫 對(duì)測(cè)角的干擾。此實(shí)施例通過一系列的措施實(shí)現(xiàn)了具有徑向跳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)體的高精 度轉(zhuǎn)角測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了抗轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)的轉(zhuǎn)角測(cè)量方法與裝置，與常 規(guī)轉(zhuǎn)角測(cè)量方法相比，具有良好的抗徑向跳動(dòng)干擾能力，發(fā)生徑向跳 動(dòng)時(shí)可保證不間斷測(cè)量，測(cè)量頭體積小、實(shí)時(shí)性好、測(cè)量精度可達(dá)到 2~4"左右。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說明，但這些說明不 能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要 求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
權(quán)利要求
1. 抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量方法，其特征在于(a)測(cè)量前調(diào)整光路，使兩束頻差為f的準(zhǔn)直激光同時(shí)照射轉(zhuǎn)動(dòng)體回轉(zhuǎn)表面上光柵尺的同一區(qū)域，兩束準(zhǔn)直激光在光柵尺的表面發(fā)生衍射，其中一束準(zhǔn)直激光的m級(jí)衍射光與另一束準(zhǔn)直激光的n級(jí)衍射光互相重合，并沿轉(zhuǎn)動(dòng)體的徑向方向出射進(jìn)入會(huì)聚鏡，經(jīng)過會(huì)聚鏡聚焦在光電傳感器表面發(fā)生干涉，此時(shí)兩束準(zhǔn)直激光與光柵尺表面法線的夾角α需滿足以下公式其中N為沿轉(zhuǎn)動(dòng)體的徑向方向出射衍射光的級(jí)次、λ為入射準(zhǔn)直激光的波長、d為光柵尺的柵距；(b)測(cè)量過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體靜止時(shí)，兩束衍射光的頻差為f，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)的頻率值為f，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵尺沿回轉(zhuǎn)表面的切向方向運(yùn)動(dòng)，使兩束準(zhǔn)直激光的衍射光發(fā)生多普勒頻移，頻移值為Δf，兩束衍射光的頻差為f+2Δf，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)的頻率值為f+2Δf；(c)測(cè)量過程中計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，首先需要記錄光電探測(cè)器輸出信號(hào)的波動(dòng)次數(shù)為n(t)，記錄光電探測(cè)器輸出信號(hào)的頻率為F(t)，而后根據(jù)公式(2)(3)(4)可計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ(t)、角速度ω(t)、角加速度ε(t)其中r是轉(zhuǎn)動(dòng)體的回轉(zhuǎn)半徑，f為兩束準(zhǔn)直激光的頻差，d為光柵尺的柵距，m、n為沿光柵尺表面法線方向出射的衍射光級(jí)次。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量方法，其特征在于還可以在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周上安裝多個(gè)測(cè)量頭，采 用誤差分離技術(shù)，分析多個(gè)測(cè)量頭的數(shù)據(jù)，改善單個(gè)測(cè)量頭的諧波抑 制特性，消除轉(zhuǎn)動(dòng)體各個(gè)方向的徑向跳動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
3. 根據(jù)權(quán)利1所述的抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè) 量方法，其特征在于還可以在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周上安裝多條光柵尺，通 過位置參考點(diǎn)切換光柵尺的工作狀態(tài)，避開轉(zhuǎn)動(dòng)體圓周上光柵尺的接 縫對(duì)測(cè)量的干擾。
4. 抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量裝置，包括激光 器，其特征在于還包括光柵尺、光電傳感器、會(huì)聚鏡、光纖、光纖 分路器、頻移器、第一路準(zhǔn)直鏡、第二路準(zhǔn)直鏡；其中激光經(jīng)過光纖 進(jìn)入測(cè)量頭中的光纖分路器，并被分為兩路 一路經(jīng)過光纖與第一路 準(zhǔn)直鏡后出射第一路準(zhǔn)直激光，另一路激光依次通過光纖、頻移器、 光纖與第二路準(zhǔn)直鏡后出射第二路準(zhǔn)直激光；兩路準(zhǔn)直激光照射轉(zhuǎn)動(dòng)體圓周上安裝的光柵尺，并在光柵尺表面發(fā)生衍射，其中兩束衍射光 互相重合，并沿轉(zhuǎn)動(dòng)體的徑向方向出射，而后經(jīng)過會(huì)聚鏡聚焦在光電 探測(cè)器表面，最后由處理電路接收光電探測(cè)器的輸出信號(hào)，并計(jì)算角 度測(cè)量結(jié)果。
5. 根據(jù)權(quán)利4所述的抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè) 量裝置，其特征在于還可以包括多個(gè)測(cè)量頭，安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周 周圍。
6. 根據(jù)權(quán)利4所述的抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè) 量裝置，其特征在于還可以在轉(zhuǎn)動(dòng)體的圓周上安裝多條光柵尺，在 每條光柵尺接縫兩側(cè)安裝位置參考點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及抗徑向跳動(dòng)的合作目標(biāo)激光轉(zhuǎn)角及速率測(cè)量方法與裝置。該方法以光柵作為合作目標(biāo)，使用兩束激光照射轉(zhuǎn)動(dòng)體上安裝的光柵，利用沿轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向方向的兩路光柵衍射光的多普勒頻移效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體徑向跳動(dòng)不敏感的特點(diǎn)，進(jìn)而通過干涉檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)角測(cè)量。本發(fā)明融合了光柵衍射、多普勒效應(yīng)、干涉檢測(cè)技術(shù)以及誤差分離技術(shù)，可針對(duì)具有較大徑向跳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度測(cè)量，為大型機(jī)電轉(zhuǎn)角系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)動(dòng)控制提供精確、快速的角度數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01B11/26GK101504279SQ200910079329
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者孫若端, 趙維謙, 邱麗榮 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)