專利名稱：偏振片轉(zhuǎn)角自動(dòng)檢測(cè)與控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)偏振片轉(zhuǎn)角自動(dòng)檢測(cè)和控制裝置，主要應(yīng)用于光學(xué)精密儀器制造和偏振光的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面，如自動(dòng)橢偏儀和偏振光實(shí)驗(yàn)儀等。
背景技術(shù)：
在光學(xué)儀器的實(shí)驗(yàn)中，常常需要對(duì)偏振片的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測(cè)量和控制。目前，對(duì)偏振片轉(zhuǎn)角的控制，常采用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方法，即給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖，它就轉(zhuǎn)過一個(gè)步進(jìn)角。不同結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)，其步進(jìn)角不一樣，一般有0.9°、1.8°、15°或更大。要達(dá)到更小的步進(jìn)角，存在著電機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)械加工方面的困難，難以保證轉(zhuǎn)角的精確定位，雖然可以采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)等機(jī)械方法，使步進(jìn)角細(xì)分，但整個(gè)裝置會(huì)變得體積很大，使用不便。另外，還可以采用電子電路對(duì)步進(jìn)角進(jìn)行細(xì)分的方法，但電機(jī)停下來的定位精度要達(dá)到0.01度以下，實(shí)際上并不容易?？傊竭M(jìn)電機(jī)只是控制偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)而不是檢測(cè)實(shí)際的轉(zhuǎn)角，難以達(dá)到較高的角度定位精度。
(三)實(shí)用新型的內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種新的偏振片轉(zhuǎn)角自動(dòng)檢測(cè)與控制的裝置。該裝置能實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)偏振片的實(shí)際轉(zhuǎn)角，并能使偏振片精確定位于某一轉(zhuǎn)角，有較高的檢測(cè)和定位精度。
本實(shí)用新型裝置由安裝支架、軸角編碼器、電機(jī)、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、主動(dòng)輪軸、從動(dòng)輪軸、偏振片座、偏振片、擋光片、光耦合器和計(jì)算機(jī)接口電路共同連接構(gòu)成，其相互位置與連接關(guān)系為主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪分別通過主動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸安裝于安裝支架上，并使主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪相互耦合固定，且能緊密配合而同步轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)輪軸的兩端分別與軸角編碼器和電機(jī)連接；軸角編碼器和電機(jī)的電纜與計(jì)算機(jī)接口電路連接；從動(dòng)輪軸沿軸線方向具有用于光束通過的穿孔，從動(dòng)輪軸一端帶有偏振片座，偏振片安裝于偏振片座內(nèi)；在從動(dòng)輪軸或從動(dòng)齒輪上裝有擋光片；在安裝支架上安裝有與擋光片配合使用的光耦合器。
在上述裝置中，所述的計(jì)算機(jī)接口電路采用ISA總線結(jié)構(gòu)，由并行接口、計(jì)數(shù)器、角度信號(hào)處理電路、零位信號(hào)處理電路和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路等連接而成，其相互連接關(guān)系為并行接口和計(jì)數(shù)器與ISA總線連接；零位信號(hào)處理電路和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路與并行接口連接；角度信號(hào)處理電路與計(jì)數(shù)器連接，計(jì)數(shù)器與并行接口連接。上述所有構(gòu)成計(jì)算機(jī)接口電路的單元電路和元器件都制于一塊雙面電路板上，并可以方便地插于帶ISA插槽的計(jì)算機(jī)主板上。
所述的并行接口采用intel8255A；計(jì)數(shù)器采用intel8253；角度信號(hào)處理電路由軸角編碼器、整形電路、細(xì)分電路連接構(gòu)成；零位信號(hào)處理電路由光電耦合器及信號(hào)放大電路與觸發(fā)反相器連接構(gòu)成；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路由電流放大電路、光電隔離器和繼電器連接構(gòu)成。其中，整形電路、細(xì)分電路、信號(hào)放大電路、電流放大電路采用通用結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型裝置的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪采用精密傳動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪的直徑應(yīng)大于軸角編碼器和電機(jī)的直徑，從動(dòng)齒輪的直徑應(yīng)大于偏振片座的直徑，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的直徑可以相等，也可以不相等。
安裝支架可采用軸承板或齒輪箱等，只要能起到所需的固定安裝功能即可。
主動(dòng)輪軸與軸角編碼器和電機(jī)的連接是通過連軸器來實(shí)現(xiàn)的；電機(jī)可以采用直流電機(jī)、交流電機(jī)或伺服電機(jī)等類型，轉(zhuǎn)速必須均勻可調(diào)；軸角編碼器可以是光電型、電容型、電阻型或其它形式，至少有一相以上的電脈沖輸出，其角度分辨率根據(jù)實(shí)際使用精度要求選擇，如1800P/R、3600P/R等；光耦合器是透射式的，可選用日本OMRON公司的EE系列或同類產(chǎn)品；擋光片的大小和形狀根據(jù)光耦合器大小和外形配作；光耦合器的位置根據(jù)擋光片的位置確定；偏振片的直徑和消光比根據(jù)光束大小和實(shí)際情況確定，可以采用膠合棱鏡或人造材料類型。
上述裝置中的計(jì)算機(jī)接口電路原理如下接口電路采用ISA總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入和輸出功能。主要包含并行接口(intel8255A)、計(jì)數(shù)器(intel8253)、角度信號(hào)處理電路、零位信號(hào)處理電路和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路等組成。并行接口(intel8255A)是可編程三端并行I/O接口芯片，它還要和譯碼電路、數(shù)據(jù)緩沖和驅(qū)動(dòng)電路配合，完成外部設(shè)備和信號(hào)與PC機(jī)的通信。脈沖計(jì)數(shù)(intel8253)是可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)芯片，負(fù)責(zé)角度脈沖的計(jì)數(shù)，光電軸角編碼器(E6B2C-WZ6C)送出A、B兩相脈沖信號(hào)，位相相差90°，經(jīng)74LS86組成細(xì)分電路進(jìn)行兩次細(xì)分，使角度分辯率進(jìn)一步提高，再送到計(jì)數(shù)器(intel8253)；零位信號(hào)處理電路由光電耦合器及信號(hào)放大電路與觸發(fā)反相器組成。當(dāng)擋光片轉(zhuǎn)到零位時(shí)，光耦合器的輸出為低電平，放大后經(jīng)SMITT觸發(fā)反相器74LS14整形后變成高電平，輸出到并行接口(intel8255A)，查詢其相應(yīng)端口是否為高電平，則可知道偏振片是否轉(zhuǎn)到起點(diǎn)(零位)；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路由電流放大電路、光電隔離器(TLPS21-4)和繼電器組成，由并行接口(intel8255A)送出的控制信號(hào)經(jīng)單管放大器進(jìn)行電流放大，通過光電隔離器直接控制繼電器和電機(jī)，以減少它們對(duì)接口電路的干擾和影響，提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。
本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)角控制工作原理如下首先通過軟件設(shè)定偏振片的轉(zhuǎn)角值，由計(jì)算機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)軸角編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過齒輪耦合傳動(dòng)，使偏振片同步轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器的輸出脈沖與偏振片轉(zhuǎn)角之間具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)時(shí)檢測(cè)編碼器的輸出脈沖數(shù)，并考慮電機(jī)慣性后，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和控制偏振片轉(zhuǎn)角。偏振片的零位是通過在從動(dòng)輪軸上或從動(dòng)齒輪上設(shè)置擋光片，利用透射式光耦合器輸出一個(gè)高電平或低電平信號(hào)送給計(jì)算機(jī)，作為角度的起點(diǎn)，同時(shí)，也是偏振片偏振方向的起點(diǎn)或零位。
本裝置的計(jì)算機(jī)檢測(cè)及控制程序根據(jù)實(shí)際采用的接口電路結(jié)構(gòu)形式來編制，具有如下功能1、自動(dòng)檢測(cè)偏振片的零位；2、偏振片任意轉(zhuǎn)角(0～360°)的檢測(cè)及控制；3、偏振片任意轉(zhuǎn)角(0～360°)慣性的測(cè)試及自動(dòng)修正等。
編碼器的輸出脈沖與偏振片轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系通過如下方法推導(dǎo)軸角編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有一相以上的電脈沖輸出，經(jīng)過細(xì)分電路后，其角度分辨率為 (1)式中α原軸角編碼器(2)的輸出脈沖分辨率，n為細(xì)分電路的細(xì)分倍數(shù)。從理論上分析，減少α或增加n，可使 變得很小。因此，轉(zhuǎn)角的測(cè)量就越精確。
經(jīng)齒輪耦合傳動(dòng)后，偏振片實(shí)際的轉(zhuǎn)動(dòng)角分辨率為 (2)式中Rm和Rs分別為主、從動(dòng)齒輪的半徑。則 可見，如Rm＜Rs，將進(jìn)一步減少 ，提高角度分辨率。若取Rm＝Rs，得 同理，偏振片的實(shí)際轉(zhuǎn)角或停止時(shí)的位置角也有與(2)式或(4)式類似的關(guān)系。通過輸出脈沖的計(jì)數(shù)，可計(jì)算得到偏振片實(shí)際轉(zhuǎn)角。如果Rm不等于Rs，同樣可以通過上面的公式計(jì)算得到偏振片的實(shí)際轉(zhuǎn)角。
值得一提的是，為了精確地檢測(cè)偏振片的轉(zhuǎn)角，電機(jī)只能往一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，避免由于齒輪間耦合引入的間隙誤差。
本實(shí)用新型裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)或效果1、試驗(yàn)表明，本實(shí)用新型裝置能實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)偏振片的轉(zhuǎn)角，測(cè)量精度較高，可以達(dá)到0.01°以下；2、本實(shí)用新型裝置利用計(jì)算機(jī)對(duì)偏振片慣性的補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振片的精確定位，克服步進(jìn)電機(jī)定位精度不夠高的困難；3、本裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，造價(jià)低和性能穩(wěn)定可靠，可滿足光機(jī)電儀器對(duì)偏振片轉(zhuǎn)角測(cè)量的要求；4、本裝置也能對(duì)電機(jī)及轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和慣性進(jìn)行精密測(cè)量及控制，在自動(dòng)測(cè)控等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用。


圖1是本實(shí)用新型第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的計(jì)算機(jī)接口電路工作原理方框圖。
圖4為本實(shí)用新型計(jì)算機(jī)軟件偏振片零位程序流程圖。
圖5為本實(shí)用新型計(jì)算機(jī)軟件偏振片轉(zhuǎn)角檢測(cè)和控制程序流程圖圖6為本實(shí)用新型計(jì)算機(jī)軟件偏振片轉(zhuǎn)角的慣性測(cè)試流程圖。
(五)具體的實(shí)施方式在圖1中，1表示安裝支架，它由一塊軸承板構(gòu)成。2為軸角編碼器、3為電機(jī)、4為從動(dòng)齒輪、5為主動(dòng)齒輪、6為主動(dòng)輪軸、7為從動(dòng)輪軸、8和9為連軸器、10為偏振片座、11為偏振片、12為擋光片、13為光耦合器。它們的相互位置與連接關(guān)系為主動(dòng)齒輪5和從動(dòng)齒輪4分別通過主動(dòng)輪軸6和從動(dòng)輪軸7安裝于安裝支架1上，并使主動(dòng)齒輪5和從動(dòng)齒輪4相互耦合固定，且能緊密配合而同步轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)輪軸6的兩端分別通過連軸器8和9與軸角編碼器2和電機(jī)3連接；軸角編碼器2和電機(jī)3的電纜與計(jì)算機(jī)接口電路板連接；從動(dòng)輪軸7沿軸線方向具有用于光束通過的穿孔，從動(dòng)輪軸7一端帶有偏振片座10，偏振片11安裝于偏振片座10內(nèi)；在從動(dòng)輪軸7或從動(dòng)齒輪4上裝有擋光片12，在安裝支架1上安裝有與擋光片12配合使用的光耦合器13，擋光片1和光電耦合器13相互配合提供零位信號(hào)。
在圖2中，除安裝支架(1)采用齒輪箱外，其它部件及其連接關(guān)系同圖1。
由圖3顯示，本實(shí)用新型的計(jì)算機(jī)接口電路工作原理如下接口電路采用ISA總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)信號(hào)的輸入和輸出功能，主要包含并行接口(intel8255A)、計(jì)數(shù)器(intel8253)、角度信號(hào)處理電路、零位信號(hào)處理電路和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路等組成。并行接口(intel8255A)是可編程三端并行I/O接口芯片，它還要和譯碼電路、數(shù)據(jù)緩沖和驅(qū)動(dòng)電路配合，完成外部設(shè)備和信號(hào)與PC機(jī)的通信。脈沖計(jì)數(shù)(intel8253)是可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)芯片，負(fù)責(zé)角度脈沖的計(jì)數(shù)，光電軸角編碼器(E6B2C-WZ6C)送出A、B兩相脈沖信號(hào)，位相相差90°，經(jīng)74LS86組成細(xì)分電路進(jìn)行兩次細(xì)分，使角度分辯率進(jìn)一步提高，再送到計(jì)數(shù)器(intel8253)；零位信號(hào)處理電路由光電耦合器及信號(hào)放大電路與觸發(fā)反相器組成。當(dāng)擋光片轉(zhuǎn)到零位時(shí)，光耦合器的輸出為低電平，放大后經(jīng)SMITT觸發(fā)反相器74LS14整形后變成高電平，輸出到并行接口(intel8255A)，查詢其相應(yīng)端口是否為高電平，則可知道偏振片是否轉(zhuǎn)到起點(diǎn)(零位)；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路由電流放大電路、光電隔離器(TLPS21-4)和繼電器組成，由并行接口(intel8255A)送出的控制信號(hào)經(jīng)單管放大器進(jìn)行電流放大，通過光電隔離器直接控制繼電器和電機(jī)，以減少它們對(duì)接口電路的干擾和影響，提高電路的可靠性和穩(wěn)定性。
圖4、圖5和圖6是本裝置計(jì)算機(jī)軟件的三個(gè)主要功能的子程序流程框圖，是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角檢測(cè)和控制的關(guān)鍵，實(shí)際的主程序還包括文件管理和幫助等功能和菜單。軟件采用C語言(如VC++、BC++或C++BUILDER等)編寫，適用于PC機(jī)WINDOWS3.1以上版本。圖4的功能是用于偏振片的安裝及其零位或起點(diǎn)的調(diào)校；圖6是用于檢測(cè)本裝置不同轉(zhuǎn)角處所對(duì)應(yīng)慣性的大小，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)角定位修正；圖5是在零位和慣性都確定的條件下，進(jìn)行偏振片轉(zhuǎn)角檢測(cè)和控制。
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)還可以有多種方式，只要采用上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪耦合傳動(dòng)，使軸角編碼器和偏振片同步轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)編碼器的輸出脈沖個(gè)數(shù)，從而達(dá)到自動(dòng)測(cè)量和控制偏振片轉(zhuǎn)角的裝置，均屬本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種偏振片轉(zhuǎn)角自動(dòng)檢測(cè)與控制裝置，其特征在于；它由安裝支架(1)、軸角編碼器(2)、電機(jī)(3)、主動(dòng)齒輪(5)、從動(dòng)齒輪(4)、主動(dòng)輪軸(6)、從動(dòng)輪軸(7)、偏振片座(10)、偏振片(11)、擋光片(12)、光耦合器(13)和計(jì)算機(jī)接口電路共同連接構(gòu)成，其相互位置與連接關(guān)系為主動(dòng)齒輪(5)和從動(dòng)齒輪(4)分別通過主動(dòng)輪軸(6)和從動(dòng)輪軸(7)安裝于安裝支架(1)上，并使主動(dòng)齒輪(5)和從動(dòng)齒輪(4)相互耦合固定，且能緊密配合而同步轉(zhuǎn)動(dòng)；主動(dòng)輪軸(6)的兩端分別與軸角編碼器(2)和電機(jī)(3)連接；軸角編碼器(2)和電機(jī)(3)的電纜與計(jì)算機(jī)接口電路連接；從動(dòng)輪軸(7)沿軸線方向具有用于光束通過的穿孔，從動(dòng)輪軸(7)一端帶有偏振片座(10)，偏振片(11)安裝于偏振片座(10)內(nèi)；在從動(dòng)輪軸(7)或從動(dòng)齒輪(4)上裝有擋光片(12)；在安裝支架(1)上安裝有與擋光片(12)配合使用的光耦合器(13)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)接口電路采用ISA總線結(jié)構(gòu)，由并行接口、計(jì)數(shù)器、角度信號(hào)處理電路、零位信號(hào)處理電路和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路連接而成；其相互連接關(guān)系為并行接口和計(jì)數(shù)器與ISA總線連接；零位信號(hào)處理電路和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路與并行接口連接；角度信號(hào)處理電路與計(jì)數(shù)器連接，計(jì)數(shù)器與并行接口連接。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的并行接口采用intel8255A；計(jì)數(shù)器采用intel8253；角度信號(hào)處理電路由軸角編碼器、整形電路、細(xì)分電路連接構(gòu)成；零位信號(hào)處理電路由光電耦合器及信號(hào)放大電路與觸發(fā)反相器連接構(gòu)成；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制電路由電流放大電路、光電隔離器和繼電器連接構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的裝置，其特征在于所述的主動(dòng)齒輪(5)的直徑大于軸角編碼器(2)和電機(jī)(3)的直徑，從動(dòng)齒輪(4)的直徑大于偏振片座(10)的直徑。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于安裝支架(1)采用軸承板或齒輪箱。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于主動(dòng)輪軸(6)與軸角編碼器(2)和電機(jī)(3)的連接是通過連軸器(8、9)來實(shí)現(xiàn)的；所述的電機(jī)(3)采用轉(zhuǎn)速均勻可調(diào)的直流電機(jī)、交流電機(jī)或伺服電機(jī)；軸角編碼器(2)采用光電型、電容型或電阻型，至少有一相以上的電脈沖輸出；光耦合器(13)為透射式的；偏振片(11)采用膠合棱鏡或人造材料類型。
專利摘要一種偏振片轉(zhuǎn)角自動(dòng)檢測(cè)與控制裝置，由安裝支架、軸角編碼器、電機(jī)、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、主動(dòng)輪軸、從動(dòng)輪軸、偏振片座、偏振片、擋光片、光耦合器和計(jì)算機(jī)接口電路共同連接構(gòu)成。該裝置能實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)偏振片的實(shí)際轉(zhuǎn)角，并能使偏振片精確定位于某一轉(zhuǎn)角，有較高的檢測(cè)和定位精度。
文檔編號(hào)G01B21/22GK2581942SQ0224911
公開日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2002年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月5日
發(fā)明者黃佐華, 何振江, 楊冠玲 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)