一种基于时间测角的新型传感器及其角度测量方法

摘要

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。

说明书

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。

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θ

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θ

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时激光没有入射在任何一个测量光电探测器上的情况，所以本方案设定若每隔时间间隔T时，激光刚好入射在某一测量光电探测器上，则以激光入射在该测量光电探测器上为准，计算此时多边正棱柱的相对角度θi，若激光刚好没有入射在任一测量光电探测器上时，则以激光最近一次入射的测量光电探测器为准，计算此时多边正棱柱的相对角度θi，两个相邻时刻的相对角度差即为旋转增量角度。

更进一步地，在当前测头装置的光波导阵列器件角度调整一个周期内，该测头装置的M个测量光电探测器中任意一个测量光电探测器无法接收到激光，或者该测头装置的M个测量光电探测器中M/2个测量光电探测器无法接收到激光，则切换至另一个测头装置；

切换后的测头装置在其光波导阵列器件角度调整一个周期内，该测头装置的M个测量光电探测器都可以正常接收到激光，或者该测头装置的M个测量光电探测器中M/2个测量光电探测器可以正常接收到激光，则角度增量Δθ

在上述方案中，可设定测头装置中当某个测量光电探测器接收不到激光时，就切换至另一测头装置，也可以设定测头装置中当一半的测量光电探测器接收不到激光时，再切换至另一测头装置，这样在提高测量精度的情况下，也能降低对测头装置数量的要求。

并且，为避免光波导阵列器件向多边正棱柱发出的激光刚好入射在多边正棱柱的棱角上，或者激光入射至相邻多边正棱柱的反射面以造成本组测量光电探测器接收不到激光，因此设置多组测头装置，且每组测头装置都不以多边正棱柱对称设置，即每组测头装置都以多边正棱柱错位设置，以便当某一组测头装置中大部分的测量光电探测器都接收不到激光时，切换为另一组测头装置进行计算和测量。

本方案还提出，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，反射至测量位置敏感探测器；

测量位置敏感探测器，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，用于当激光入射至参考光电探测器时将时间计时清零，设定时间间隔△t，每隔时间间隔△t时记录激光入射至测量位置敏感探测器的位置X

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，将激光反射至所述测量位置敏感探测器。

在上述方案中，使用的所述测量位置敏感探测器(PSD)以激光入射的位置变化来计算多边正棱柱的旋转角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

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即可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，即使多边正棱柱旋转的速度不是匀速的，也能计算其旋转角度。

同时，通过光波导阵列器件的引入，采用所述测量位置敏感探测器来检测设定时间间隔△t内的位移变化也可以实现精密角度计算，且角度测量精度不再主要由位置敏感探测器精度决定，而主要由光波导阵列器件角度转换频率精度决定。而时间计量的精度与技术手段更容易实现，例如当前1米定义为光在真空中于1/299792458秒内行进的距离，将长度溯源至时间计量上。因此通过本发明可以通过提高时间计量精度即可实现提高角度测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1新型传感器具有单个测头装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1新型传感器具有多个测头装置的结构示意图；

图3为本发明实施例1新型传感器单个测头装置具有多个测量光电探测器时的结构示意图；

图4为本发明实施例1新型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时的结构示意图。

主要元件符号说明

激光器1，光波导阵列器件2，参考光电探测器3，测量光电探测器4，多边正棱柱5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，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，所述测头装置包括激光器、光波导阵列器件、测量光电探测器、参考光电探测器、处理器，其中：

所述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。对所述参考光电探测器和测量光电探测器设置一个光强度阈值，激光器发射的激光进入光波导阵列器件后，光波导阵列器件对激光发射的角度进行调整时，会产生杂散激光，这些杂散激光会干扰激光经多边正棱柱反射至参考光电探测器与测量光电探测器的测量结果，因此设置一个光强度阈值，将光强度小于该阈值的光线都进行屏蔽，使得参考光电探测器与测量光电探测器仅识别主方向激光，从而接收有效检测信号，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。

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；作为举例，所述测量光电探测器和参考光电探测器可以为同一种器件，可降低成本。

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t0和时间t1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。

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，将接收到激光反射至所述测量光电探测器。

需要说明的是，请参见图1，当多边正棱柱旋转任意角度后(多边正棱柱可不匀速旋转)，激光入射至参考光电探测器与入射至测量光电探测器的时间差一定是唯一值，因为多边正棱柱在旋转过程中，激光并不是在所有时刻都能入射至测量光电探测器，该值与光波导阵列器件对激光角度的调整频率和多边正棱柱的旋转角度位置有关。由于光波导阵列器件对激光角度调整频率是已知量，所以多边正棱柱的旋转角度值也可以直接计算获得，因此可以通过标定方法实现时间差与相对角度的关系标定，在之后的测量过程中，通过查表的方式，得到时间差后，即可得到相对角度。因为计算原理中假定了在一个时间差测量过程中多变正棱柱位置不变，因此光波导阵列器件对激光角度调整频率越高，多变正棱柱的旋转速度对测量结果的影响越低。光波导阵列器件可以实现激光角度高频调整，符合本发明对激光角度调整器件的频率要求。

为保证激光的传输不受外界光线的影响或干扰，将上述的测头装置、多边正棱柱设置在壳体内，所述测头装置中的激光器、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，所述多边正棱柱相对于壳体旋转，且跟随被测物体旋转。

作为一种可实施的方案，请参见图2，本方案可以包括多个测头装置，当其中一个测头装置无法满足测量要求时，即该测头装置的测量光电探测器在光波导阵列器件角度调整一个周期内无法接收到激光时，则至少有另一个测头装置处于正常测量范围内，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来计算所述多边正棱柱的相对角度θ。比如具有两个测头装置时，其中一个测头装置与另一个测头装置错位设置，当多边正棱柱旋转时，一个测头装置的测量光电探测器在光波导阵列器件一个角度调整周期内无法检测到入射激光，则采用另外一组测头装置的测量结果作为当前时间间隔内多边正棱柱的旋转角度。

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增量角度时的误差。

比如现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。

作为一种更加优化的可实施方案，请参见图3或图4，本方案的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，M个所述测量光电探测器等角度分布在激光测量范围内。

本方案的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变数。比如多边正棱柱的变数为10条时，那么光波导阵列器件对激光的角度调整范围则应大于等于36°。

由于所述参考光电探测器用于直接接收光波导阵列器件发出的激光，因此参考光电探测器应设置在光波导阵列器件的角度调整范围内。作为优选，参考光电探测器设置在光波导阵列器件的角度调整边界。

本方案中所述多边正棱柱可以具有空心槽，使用同一根轴同时固定空心轴和被测物体，那么被测物体在旋转时，才便于通过同轴带动多边正棱柱旋转，从而测量被测物体的旋转角度。

本实施例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θ

比如，本传感器设置有2组测头装置，分别为第一测头装置、第二测头装置；所述第一测头装置中设置有3个测量光电探测器，分别为第一测量光电探测器、第二测量光电探测器、第三测量光电探测器；激光入射至第一测头装置的参考光电探测器的时间记为t0(1)＝0，随着光波导阵列器件对入射激光的角度调整，激光入射至第一测头装置的第一测量光电探测器的时间为t1(1)，此时可以计算出第一测头装置在t1(1)时刻对应的多边正棱柱的相对角度θ

在光波导阵列器件对入射激光的高频角度调整周期内，多边正棱柱的位置不发生变化。因此在被测物体高速旋转时，光波导阵列器件角度调整频率必须足够高，使得光波导阵列器件一个调整周期内，被测物体角度旋转增量在设计精度内。

按照上述方法，也可以计算出第二测头装置在t1(2)时刻到t2(2)时刻之间多边正棱柱的旋转增量角度，将第一测头装置计算的旋转增量角度和第二测头装置计算的旋转增量角度求取平均值，进一步提高被测物体旋转角度的测量精度。

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。

在当前测头装置的光波导阵列器件角度调整一个周期内，该测头装置的M个测量光电探测器中任意一个测量光电探测器无法接收到激光，或者该测头装置的M个测量光电探测器中M/2个测量光电探测器无法接收到激光，则切换至另一个测头装置。

切换后的测头装置在其光波导阵列器件角度调整一个周期内，该测头装置的M个测量光电探测器都可以正常接收到激光，或者该测头装置的M个测量光电探测器中M/2个测量光电探测器可以正常接收到激光，则角度增量Δθ

实施例2：

本方案通过另一种方案实现，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，反射至测量位置敏感探测器；

测量位置敏感探测器，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，用于当激光入射至参考光电探测器时将时间计时清零，设定时间间隔△t，每隔时间间隔△t时记录激光入射至测量位置敏感探测器的位置X

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，将激光反射至所述测量位置敏感探测器。

在本技术方案中，将实施例1的所述测量光电探测器替换为所述测量位置敏感探测器，通过入射位置进行测角，其余特征与实施例1相同，顾不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。