專利名稱：一種高精度二維小角度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度二維小角度測量裝置，屬于光學(xué)非接觸小型集成化的二維小角度測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，常用的光學(xué)測角方法包括光學(xué)分度頭法、多面棱體法、光電編碼法、自準(zhǔn)直法、莫爾條紋法、平行干涉圖法、圓光柵法、激光干涉法以及環(huán)形激光法等。而對于小角度測量(α≤1°，特別是±10～20arcmin以內(nèi))，主要測量方法包括激光小角度測量儀法、標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)角規(guī)法、圓光柵測角法、激光干涉測量法、光電自準(zhǔn)直儀法。雖然這些方法能提供較高的測量精度，但基于此設(shè)計的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積較大，安裝空間受限，大部分只能進(jìn)行一維角度的測量。要想實現(xiàn)二維角度測量，通常都是兩個一維裝置組合起來，結(jié)果是測量系統(tǒng)的體積更加龐大，因而在工業(yè)實際應(yīng)用中具有較大的局限性，特別是很難與加工機(jī)械結(jié)合用于在線測量。因此，要尋找體積小、測量分辨力高且具有一定測量范圍的二維小角度測量裝置以適應(yīng)在線測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度二維小角度測量裝置，該裝置在一維角度測量的基礎(chǔ)上，通過分光系統(tǒng)，設(shè)立2個一維角度測量裝置，從而實現(xiàn)具有一定測量范圍的二維光學(xué)非接觸小角度測量裝置，克服現(xiàn)有小角度測量方法的不足，系統(tǒng)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、穩(wěn)定性高、可作為帶數(shù)據(jù)顯示角度傳感器使用等特點(diǎn)，并可設(shè)計適應(yīng)多種測量精度和測量范圍，可廣泛用于精密、超精密測量控制，在線精密加工制造領(lǐng)域。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種高精度二維小角度測量裝置，其特征在于該裝置包括二維光探頭、光電測試裝置及計算機(jī)通訊與控制裝置，所述的二維光探頭包括準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器2，偏光分光鏡及夾持架16，1/4波片及夾持架17，物體表面或反射鏡1，3個分光鏡及夾持架3、4、15，4個兩個臨界角棱鏡及夾持架5、8、12、13，4個光電二極管及夾持架7、9、10、14；其中4、5、7、8、9構(gòu)成XY平面的一維角度測量，10、12、13、14、15構(gòu)成YZ平面的一維角度測量，分光鏡3將物體表面反射光分為兩束互相正交的光，分別進(jìn)入XY、YZ角度測量平面。所述的光電測試裝置包括包括四個I-V變換電路，電壓信號分別輸入到加法電路和減法電路，加法結(jié)果和減法結(jié)果輸入到除法電路，其后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；計算機(jī)通訊與控制裝置包括單片機(jī)(MCU)、數(shù)字濾波、開關(guān)量輸出端口、上位機(jī)通訊接口、顯示裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于僅由一個照明光源和分光光路裝置，實現(xiàn)二維小角度測量，實現(xiàn)了光電測試裝置和計算機(jī)通訊與控制裝置的一體化，光探頭通過電纜與前述部分連接，系統(tǒng)精度高、分辨力和測量范圍可調(diào)、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，分辨力可達(dá)0.05arcsec，測量范圍為±600arcsec；光學(xué)零部件均采用彈性緊固件結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，達(dá)到緊固、抗振和避免損傷光學(xué)零部件的作用。


圖1為本發(fā)明的二維小角度測量裝置系統(tǒng)框圖。
圖2為二維光學(xué)非接觸式小角度測量裝置的光探頭結(jié)構(gòu)立體示意圖。
圖中1為被測物體表面或反射鏡，2為準(zhǔn)直激光器，3、4、15為分光鏡及其夾持架，5、8、12、13為臨界角棱鏡及其夾持架，7、9、10、14為光電二極管及其夾持架(其中光電二極管未畫出)，16為偏光分光鏡及其夾持架，17為1/4波片及其夾持架，6為主基板，11為副基板。
圖3為圖1中的信號處理裝置和計算機(jī)通訊與控制裝置系統(tǒng)框圖。
具體實施方案一種高精度二維小角度測量裝置，采用光學(xué)差動式角度測量裝置，檢測被測物體的轉(zhuǎn)角變化量，其過程是半導(dǎo)體激光器與準(zhǔn)直透鏡集成在一起通過夾持架構(gòu)成2，發(fā)出的光經(jīng)偏光分光鏡16后，其中的S偏光被反射后經(jīng)1/4波片17后成為圓偏光，入射到物體表面或固定在被測物體表面的反射鏡1，從被測反射面反射回來的圓偏光，通過分光鏡17后成為P偏光，再經(jīng)分光鏡3后分成能量相等的兩束互相正交的光，其偏振狀態(tài)保持不變，其中一束光經(jīng)分光鏡4后被分為兩束光，分別入射到兩個沿直角方向安置的棱鏡5和8內(nèi)，出射光光強(qiáng)分別被光電接受器7和9檢測，此部分在設(shè)計時被安裝在XY面內(nèi)，因此能檢測到繞Z軸方向的轉(zhuǎn)角變化；另一束光經(jīng)分光鏡15后被分為兩束光，分別入射到兩個沿直角方向安置的棱鏡12和13內(nèi)，出射光光強(qiáng)分別被光電接受器10和14檢測，此部分在設(shè)計時被安裝在YZ面內(nèi)，因此能檢測到繞X軸方向的轉(zhuǎn)角變化。2、3、4、5、7、8、9、16、17通過各自夾持架固定在主基板6上，10、12、13、14、15通過各自夾持架固定在副基板11上，6、11平面的法線互相垂直。這樣當(dāng)被測平面鏡存在一個二維的角度變化時就可以被同時測量出來。在初始測力設(shè)定值時，可以認(rèn)為角度測量裝置兩路輸出信號為“零”；當(dāng)測量過程中物體姿態(tài)發(fā)生變化時，物體/反射面的空間方位角度發(fā)生變化，反射光即相對于角度測量裝置的入射光，其入射角度也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，該變化量為反射面角度變化量的一倍，使被測量得到放大。
系統(tǒng)整體的外殼固定在6上，其上開有出射/入射通孔。當(dāng)反射光的角度有偏擺時，4個內(nèi)反射棱鏡的入射光的入射角分別增大/減小Δθ，反射率變化量也分別增大或減小，出射光的光強(qiáng)被光電接受器檢測并轉(zhuǎn)化為光電流，四路光電流信號經(jīng)過電流-電壓變換以及分別經(jīng)加法、減法和除法運(yùn)算后，得到線性化處理后的角度變化量，在單片機(jī)的運(yùn)算程序控制下進(jìn)行采樣、濾波、分析處理后，角度變化量被顯示，從而得到由于物體姿態(tài)變化而引起的二維角度變化。
系統(tǒng)可任意設(shè)置參考角度值和允許變動量，當(dāng)轉(zhuǎn)角測量值超過允許變動值時，該裝置可經(jīng)過開關(guān)量輸出差值，控制物體的兩個方向的轉(zhuǎn)角變化；通訊端口采用RS-232接口；顯示裝置采用兩路6位的LED數(shù)碼管動態(tài)顯示。
權(quán)利要求
1.一種高精度二維小角度測量裝置，其特征在于該裝置包括二維光探頭、光電測試裝置及計算機(jī)通訊與控制裝置，所述的二維光探頭包括準(zhǔn)直半導(dǎo)體激光器(2)，偏光分光鏡及夾持架(16)，1/4波片及夾持架(17)，物體表面或反射鏡(1)，3個分光鏡及夾持架(3)、(4)、(15)，4個兩個臨界角棱鏡及夾持架(5)、(8)、(12)、(13)，4個光電二極管及夾持架(7)、(9)、(10)、(14)；其中(4)、(5)、(7)、(8)、(9)構(gòu)成XY平面的一維角度測量，(10)、(12)、(13)、(14)、(15)構(gòu)成YZ平面的一維角度測量，分光鏡(3)將物體表面反射光分為兩束互相正交的光，分別進(jìn)入XY、YZ角度測量平面；所述的光電測試裝置包括四個I-V變換電路，電壓信號分別輸入到加法電路和減法電路，加法結(jié)果和減法結(jié)果輸入到除法電路，其后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；計算機(jī)通訊與控制裝置包括單片機(jī)、數(shù)字濾波、開關(guān)量輸出端口、上位機(jī)通訊接口、顯示裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高精度二維小角度測量裝置，屬于光學(xué)非接觸小型集成化的二維小角度測量技術(shù)。該裝置包括二維光探頭、光電測試及計算機(jī)通訊與控制裝置；光探頭包括半導(dǎo)體激光器、偏光分光鏡、1/4波片、反射鏡、分光鏡、臨界角棱鏡、光電二極管；分光鏡3將物體表面反射光分為兩束正交的光，進(jìn)入由上述部件構(gòu)成的XY和YZ一維角度測量平面；輸出信號分別經(jīng)I－V變換、加法、減法、除法電路，由單片機(jī)控制進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；經(jīng)數(shù)字濾波后進(jìn)行開關(guān)量輸出、上位機(jī)通訊及顯示。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于實現(xiàn)了光電測試裝置和計算機(jī)通訊與控制裝置的一體化，光探頭通過電纜與前述部分連接，系統(tǒng)精度高、分辨力和測量范圍可調(diào)、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，分辨力可達(dá)0.05arcsec，測量范圍為±600arcsec。
文檔編號G01B11/26GK1632453SQ200410094050
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月28日
發(fā)明者劉慶綱, 李德春, 李志剛, 胡小鵬, 匡登峰, 田會斌, 李敏, 王璐 申請人:天津大學(xué)