專(zhuān)利名稱(chēng)：激光數(shù)字式角度測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及角度的精密測(cè)量技術(shù)，特別是涉及一種激光數(shù)字式角度測(cè)量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
常用的角度測(cè)量方法有電感(電容)檢測(cè)方式；滑動(dòng)可變電阻方式；脈沖盤(pán)光電讀孔或復(fù)合讀孔方式；光盤(pán)單雙角度線(xiàn)讀線(xiàn)方式，以及其他方式。
關(guān)于以往的光盤(pán)單雙角度線(xiàn)讀線(xiàn)方式光盤(pán)單角度線(xiàn)讀線(xiàn)方式，不能確定旋轉(zhuǎn)的方向，而雙角度線(xiàn)讀線(xiàn)方式，可以確定旋轉(zhuǎn)的方向，但需要制作兩圈角度線(xiàn)，并且相互錯(cuò)開(kāi)約半根角度線(xiàn)段寬度，其具有光盤(pán)制作難度大，不方便實(shí)施的缺陷。
普通光盤(pán)的工作原理光盤(pán)表面有許多數(shù)據(jù)凹坑是肉眼看不見(jiàn)的。光驅(qū)利用激光束的照射來(lái)獲得平面和凹坑的信息。光驅(qū)是按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)來(lái)讀取數(shù)據(jù)。激光頭發(fā)出激光束照射光盤(pán)，當(dāng)激光束照射到光盤(pán)的平面上時(shí)，會(huì)有70％～80％的光反射回激光頭，再傳輸?shù)焦鈾z測(cè)系統(tǒng)中，記下“1”的信號(hào)。反之，當(dāng)激光束照射到凹坑上，會(huì)造成激光散射，激光無(wú)法接收到反射信號(hào)，這時(shí)光檢測(cè)器便會(huì)記下“0”的信號(hào)。這樣，激光的光檢測(cè)器不斷將“1”和“0”的信號(hào)傳送到光驅(qū)的解碼電路中，由解碼電路將它翻譯成為可使用的“1”、“0”信號(hào)，進(jìn)而再轉(zhuǎn)換成音樂(lè)或其它數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量精度高，且方便實(shí)施的激光數(shù)字式角度測(cè)量方法，本發(fā)明的目的還在于提供用于實(shí)施該方法的裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明激光數(shù)字式角度測(cè)量方法是在光盤(pán)上用激光刻蝕至少一圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)，用周向前后排列的兩束不同頻率的激光讀取角度線(xiàn)，且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)的周向?qū)挾龋⒏鶕?jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。徑向角度線(xiàn)為徑向并列分布的兩圈時(shí)，各圈徑向角度線(xiàn)配備獨(dú)立的判讀系統(tǒng)，兩圈反饋數(shù)據(jù)相互參照來(lái)判定工作狀況反饋數(shù)據(jù)統(tǒng)一，則工作正常，反饋信號(hào)不一致，則必定有一組工作不正常，據(jù)此，可進(jìn)行調(diào)整和維修。其原理是從激光頭的光電二極管發(fā)出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，變成激光束射到光盤(pán)上。由于光盤(pán)是以凹凸不平的小坑代表“0”和“1”來(lái)記錄數(shù)據(jù)的，因此它們接受激光束時(shí)所反射的光也有強(qiáng)弱之分，這時(shí)反射回來(lái)的光再經(jīng)過(guò)平面棱鏡的折射，由光電二極管變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制電路的電平轉(zhuǎn)換，變成只含“0”、“1”信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，就能夠讀出光盤(pán)中的信息了。
由于設(shè)計(jì)中采用了雙激光線(xiàn)，所以經(jīng)過(guò)計(jì)算才有了正脈沖和負(fù)脈沖的輸出，而不是平常的0和1。正向脈沖代表光盤(pán)正向旋轉(zhuǎn)，讀取正向脈沖的數(shù)量說(shuō)明旋轉(zhuǎn)的量，即讀取正向脈沖的數(shù)量除以光盤(pán)一周的角度線(xiàn)的數(shù)量，再乘以360度，就是正向旋轉(zhuǎn)的角度。由于光盤(pán)徑向角度線(xiàn)可以做得足夠密，與現(xiàn)有的測(cè)量方法相比具有精度高的優(yōu)點(diǎn)；由于光盤(pán)數(shù)據(jù)技術(shù)非常成熟，設(shè)備體積小、重量輕、成本低、可靠性強(qiáng)，因此，具有方便實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)。
作為優(yōu)化，光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕多條周向均勻分布的徑向區(qū)位線(xiàn)，并根據(jù)區(qū)位線(xiàn)的反饋信號(hào)來(lái)確定角度區(qū)域。如此設(shè)計(jì)，能以簡(jiǎn)便的方式及時(shí)、準(zhǔn)確地得知角度區(qū)域。
作為優(yōu)化，光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕一條徑向基準(zhǔn)線(xiàn)，并根據(jù)基準(zhǔn)線(xiàn)的反饋信號(hào)來(lái)確定起始角度。當(dāng)然該基準(zhǔn)位置也可由普通光電傳感器來(lái)確定，但是，精度會(huì)相對(duì)低一些，與上述光盤(pán)基準(zhǔn)線(xiàn)方式相比。
作為優(yōu)化，裝有兩個(gè)并列的激光發(fā)生器的激光發(fā)射頭發(fā)射兩束不同頻率的平行激光，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后投射到光盤(pán)的徑向角度線(xiàn)區(qū)域，光盤(pán)反饋信號(hào)經(jīng)棱鏡折射后；或被激光接收頭接收，通過(guò)雙選頻放大器放大后，兩路數(shù)字信號(hào)送組合邏輯門(mén)電路處理，或被分光棱鏡分成兩路激光線(xiàn)，兩路激光線(xiàn)通過(guò)雙接收放大器轉(zhuǎn)換成兩路數(shù)字信號(hào)，兩路數(shù)字信號(hào)送組合邏輯門(mén)電路處理；經(jīng)組合邏輯門(mén)電路處理后的數(shù)字信號(hào)送加減計(jì)數(shù)器，加減計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)或經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理后輸出角度值，或經(jīng)時(shí)基電路、數(shù)據(jù)處理器處理后輸出角速度。此方法會(huì)使該測(cè)量方法更可靠、適應(yīng)性更佳。
用于實(shí)施本發(fā)明方法的角度測(cè)量裝置由刻蝕有至少一圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)的光盤(pán)，平行雙光束雙頻率激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器和反饋信號(hào)處理器和角度顯示器組成；且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)的周向?qū)挾?，反饋信?hào)處理器根據(jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。本發(fā)明以?xún)H用一圈角度線(xiàn)，一個(gè)由兩個(gè)激光發(fā)生器組成的激光發(fā)射頭即可得到轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)量，設(shè)計(jì)出角度測(cè)量裝置。這里所述激光發(fā)射頭參照于普通的光驅(qū)激光頭，不同的是普通的光驅(qū)激光頭內(nèi)部有一個(gè)發(fā)射單元即一個(gè)激光二極管或兩個(gè)半導(dǎo)體激光發(fā)生器，而在此所述的激光發(fā)射頭中，內(nèi)部有兩個(gè)發(fā)射單元，發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光，讓兩條激光線(xiàn)射在光盤(pán)上的距離明顯縮短，利于提高精度。其與其他角度測(cè)量器相比它的特點(diǎn)為直接輸出數(shù)字信號(hào)、響應(yīng)時(shí)間快、溫度影響小、磨損小、變形小等；讀取精度可達(dá)到1秒(1度/360*60*60)以下。
作為優(yōu)化，光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕多條周向均勻分布的徑向區(qū)位線(xiàn)，該區(qū)位線(xiàn)獨(dú)立配置激光信號(hào)發(fā)射器和光盤(pán)反饋信號(hào)接收器，并與角度線(xiàn)共用同一反饋信號(hào)處理器和角度顯示器。該激光信號(hào)發(fā)射器優(yōu)選普通的單束激光發(fā)射器。如此設(shè)計(jì)，既能提高測(cè)量精度，又能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
作為優(yōu)化，光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕一條徑向基準(zhǔn)線(xiàn)，該基準(zhǔn)線(xiàn)獨(dú)立配置激光信號(hào)發(fā)射器和光盤(pán)反饋信號(hào)接收器，并與角度線(xiàn)和區(qū)位線(xiàn)共用同一反饋信號(hào)處理器和角度顯示器。該激光信號(hào)發(fā)射器優(yōu)選普通的單束激光發(fā)射器。當(dāng)然，此基準(zhǔn)位置也可由普通光電傳感器代替，只是精度會(huì)降低。
作為優(yōu)化，徑向角度線(xiàn)為徑向并列分布的兩圈，各圈徑向角度線(xiàn)配備獨(dú)立的激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器、反饋信號(hào)處理器，但共用同一角度顯示器。兩套并列裝置的測(cè)量結(jié)果相互參照，能及時(shí)得知設(shè)備故障信息，另外，在一套出現(xiàn)故障時(shí)，還可以靠另一套來(lái)維持正常工作。
作為優(yōu)化，平行雙光束雙頻率激光信號(hào)發(fā)射器由兩個(gè)并列的激光發(fā)生器和用于縮小激光束間距的透鏡組成，光盤(pán)反饋信號(hào)接收器通過(guò)折射棱鏡接收來(lái)自光盤(pán)的反饋信號(hào)。為了便于測(cè)量裝置的生產(chǎn)、精度和調(diào)整等方面，激光數(shù)字角度測(cè)量裝置不使用一個(gè)發(fā)射單元的激光頭，因?yàn)橐粋€(gè)激光發(fā)射頭中有兩個(gè)發(fā)射單元，其發(fā)射單元的間距，穩(wěn)定性等必然優(yōu)于兩個(gè)發(fā)射頭內(nèi)各有一個(gè)發(fā)射單元；一個(gè)激光頭內(nèi)兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射單元可以使用同一個(gè)透鏡。使聚焦兩條或多條激光線(xiàn)間距更小。而單獨(dú)的激光頭不具備此能力。因此一個(gè)激光頭中有兩個(gè)發(fā)射單元或多個(gè)發(fā)射單元優(yōu)于單獨(dú)的激光頭。
作為優(yōu)化，光盤(pán)、激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器與被測(cè)量的軸共同固裝在一個(gè)充有惰性氣體的密閉空間內(nèi)。如此設(shè)計(jì)，能使設(shè)備更穩(wěn)定、耐用，抗干擾能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)更精確。
采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明激光數(shù)字式角度測(cè)量方法具有測(cè)量精度高，方便實(shí)施，可靠性強(qiáng)，可操作性好，運(yùn)行成本低，推廣應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明測(cè)量裝置能直接輸出數(shù)字信號(hào)、具有響應(yīng)時(shí)間快、溫度影響小、磨損小、變形小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，成本低，性能可靠，安裝使用方便，應(yīng)用領(lǐng)域廣的優(yōu)點(diǎn)。最適合用于精密機(jī)床，雷達(dá)和火炮等。


圖1是本發(fā)明激光數(shù)字式角度測(cè)量方法的工作過(guò)程示意圖；圖2是本發(fā)明角度測(cè)量裝置的光盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明角度測(cè)量裝置的工作原理圖；圖4是本發(fā)明角度測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明角度測(cè)量裝置的雙束激光發(fā)射頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明角度測(cè)量裝置的四束激光發(fā)射頭結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例作更進(jìn)一步的說(shuō)明本發(fā)明激光數(shù)字式角度測(cè)量方法是在光盤(pán)上用激光刻蝕一圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)，用周向前后排列的兩束不同頻率的激光讀取角度線(xiàn)，且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)的周向?qū)挾?，并根?jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕四條周向均勻分布的徑向區(qū)位線(xiàn)(分別代表東、南、西、北)，并根據(jù)區(qū)位線(xiàn)的反饋信號(hào)來(lái)確定角度區(qū)域。光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕一條徑向基準(zhǔn)線(xiàn)，并根據(jù)基準(zhǔn)線(xiàn)的反饋信號(hào)來(lái)確定起始角度。下面結(jié)合圖1作更進(jìn)一步的說(shuō)明其測(cè)量過(guò)程是裝有兩個(gè)激光發(fā)生器的激光發(fā)射頭發(fā)射兩路激光至透鏡，經(jīng)透鏡聚焦后投射到光盤(pán)，光盤(pán)反射后經(jīng)棱鏡折射后進(jìn)入A步；其中A1步是經(jīng)激光接收頭接收后進(jìn)行前置放大，經(jīng)雙選頻放大器處理后輸出兩路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)組合邏輯門(mén)電路處理后進(jìn)入C步；其中A2步是經(jīng)分光棱鏡分成兩路激光線(xiàn)，經(jīng)雙接收放大器處理后輸出兩路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)組合邏輯門(mén)電路處理后進(jìn)入C步；前述兩種步驟A1、A2可以選擇適用。
C步為經(jīng)組合邏輯門(mén)電路處理后的數(shù)字信號(hào)送加減計(jì)數(shù)器，加減計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理后輸出角度值，經(jīng)時(shí)基電路、數(shù)據(jù)處理器處理后輸出角速度。
邏輯門(mén)電路的輸入信號(hào)有兩路A和B，A和B的組合有00、01、10和11；當(dāng)為00和11時(shí)，則無(wú)輸出；當(dāng)為01時(shí)則輸出正向信號(hào)，當(dāng)為10時(shí)則輸出反向信號(hào)。根據(jù)0和1的順序確定旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)0和1出現(xiàn)的次數(shù)確定旋轉(zhuǎn)角度，即01或10出現(xiàn)的脈沖數(shù)量除以光盤(pán)一周角度線(xiàn)的數(shù)量，再乘以360度，就是正向或反向旋轉(zhuǎn)的角度。參見(jiàn)邏輯門(mén)電路的真值表如下

如圖2、3、4和5所示，本發(fā)明角度測(cè)量裝置由刻蝕有兩圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)L的光盤(pán)D，平行雙光束雙頻率激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器和反饋信號(hào)處理器和角度顯示器組成；且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)L的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)L的周向?qū)挾?，反饋信?hào)處理器根據(jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。
平行雙光束雙頻率激光信號(hào)發(fā)射器由安裝有兩個(gè)并列的激光發(fā)生器Fa、Fb的激光發(fā)射頭F和用于縮小激光束間距的透鏡組T組成，透鏡組T由兩個(gè)并列的子透鏡t1、t2和位于子透鏡之后的大透鏡t3，位于大透鏡t3之后的小透t4組成。光盤(pán)D反饋信號(hào)接收器由折射棱鏡S和激光接收頭R組成。
兩圈徑向角度線(xiàn)L中一圈是基本線(xiàn)La、另一圈為參考線(xiàn)Lb，各自配備獨(dú)立的激光信號(hào)發(fā)射器(前者由Fa、Ta組成，后者由Fb、Tb組成)，光盤(pán)反饋信號(hào)接收器(前者由Sa和Ra組成，后者由Sb和Rb組成)，反饋信號(hào)處理器，但共用同一角度顯示器。
將光盤(pán)D與激光發(fā)射頭分別與兩個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體同步轉(zhuǎn)動(dòng)，用每組兩束激光讀取光盤(pán)D刻錄均勻的等角度等半徑長(zhǎng)度的線(xiàn)段，經(jīng)過(guò)計(jì)算比較處理，輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度。光盤(pán)D在角度線(xiàn)L內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕六條周向均勻分布的徑向區(qū)位線(xiàn)Lc，該區(qū)位線(xiàn)Lc獨(dú)立配置單束激光信號(hào)發(fā)射器(由Fc、Tc組成)和光盤(pán)反饋信號(hào)接收器(由Sc和Rc組成)，并與角度線(xiàn)共用同一反饋信號(hào)處理器和角度顯示器。
光盤(pán)D在徑向區(qū)位線(xiàn)Lc內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕一條徑向基準(zhǔn)線(xiàn)Ld，該基準(zhǔn)線(xiàn)Ld獨(dú)立配置單束激光信號(hào)發(fā)射器(由Fd、Td組成)和光盤(pán)反饋信號(hào)接收器(由Sd和Rd組成)，并與角度線(xiàn)和區(qū)位線(xiàn)共用同一反饋信號(hào)處理器和角度顯示器。
其工作方式為激光發(fā)射頭F與光盤(pán)D分別固定于兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的物體上，物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光盤(pán)D相對(duì)于激光頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光發(fā)射頭F中有兩個(gè)激光發(fā)生器Fa、Fb，分別發(fā)出兩條不同的波長(zhǎng)的高頻調(diào)制激光穿過(guò)透鏡Ta和分光棱鏡Sa到光盤(pán)D的角度線(xiàn)La之后反射回來(lái)后，由分光棱鏡Sa傳到激光接收頭Ra，Ra分別將兩條反射激光信號(hào)進(jìn)行放大選頻接收，即可得到兩路信號(hào)，分別將各路信號(hào)的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖?，即?”、“1”數(shù)字信號(hào)，輸入門(mén)電路、加減計(jì)數(shù)器，計(jì)算處理后得到轉(zhuǎn)動(dòng)角度，將輸出結(jié)果與時(shí)基電路計(jì)算，就可以得到角速度。
光盤(pán)中的CD、DVD等光盤(pán)，比如CD光盤(pán)，其上信息圍繞光盤(pán)圓心記錄在數(shù)據(jù)軌跡上，其軌跡間距約為1.6um，(目前DVD為0.74um，可以短到0.4～0.44um，取決于光盤(pán)類(lèi)型；激光光點(diǎn)的直徑與數(shù)值孔徑(NA)成反比。CD光學(xué)系統(tǒng)的NA約為0.45，而DVD提高到0.52甚至0.6)。本發(fā)明所用的光盤(pán)，為無(wú)軌跡的光盤(pán)，在光盤(pán)上刻錄上等角度等半徑等長(zhǎng)度的線(xiàn)段，作為讀取轉(zhuǎn)動(dòng)量的數(shù)據(jù)信息，這圈連續(xù)的線(xiàn)段命名為角度線(xiàn)。
為了確保可靠性與及時(shí)調(diào)整，以及監(jiān)控測(cè)量裝置的工況，本發(fā)明的設(shè)計(jì)中采用了兩圈角度線(xiàn)如圖4所示La和Lb分別為獨(dú)立使用的角度線(xiàn)；以及區(qū)位線(xiàn)Lc、校正線(xiàn)Ld。區(qū)位線(xiàn)Lc與校正線(xiàn)Ld的用途為測(cè)量裝置的實(shí)際使用中的基本位置初始位置的計(jì)算、調(diào)整以及對(duì)光盤(pán)的檢驗(yàn)等。
比如1，如果在單向旋轉(zhuǎn)工作中，兩次讀取到Ld信號(hào)時(shí)，讀取La(或Lb)的數(shù)據(jù)應(yīng)該都是一個(gè)固定值，如有不同就需要檢查分析測(cè)量裝置是否正常。2，測(cè)量裝置在工作中常常會(huì)在多次某一角度區(qū)域中正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，就需要借助區(qū)位線(xiàn)Lc進(jìn)行分析測(cè)量裝置的工作情況。在數(shù)字電路中都是許多的“0”、“1”信息，如果一串?dāng)?shù)據(jù)中出現(xiàn)了錯(cuò)誤信息，那怕是只有一位，數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確了；在測(cè)量裝置失去電源、重新安裝、調(diào)試的時(shí)候需要方便地知道光盤(pán)角度線(xiàn)的所在位置情況，僅僅靠校正線(xiàn)是不夠的，因此加入了區(qū)位線(xiàn)Lc。區(qū)位線(xiàn)Lc為刻錄多條圍繞光盤(pán)圓心等長(zhǎng)度的數(shù)條線(xiàn)段，多條線(xiàn)段按二進(jìn)制編碼組成，各個(gè)區(qū)位線(xiàn)Lc表示各自所在的位置信息。
激光發(fā)射頭F發(fā)射兩條不同調(diào)制頻率的激光，由光盤(pán)D反射后經(jīng)棱鏡S送到接收器R，接收器R進(jìn)行選頻放大接收分別得到兩路激光的反射信號(hào)，將兩路信號(hào)做門(mén)電路運(yùn)算得到方向。方向的判定兩路信號(hào)經(jīng)輸入門(mén)電路，運(yùn)算后輸出為正向“1”時(shí)，測(cè)量裝置得到正向一個(gè)單位的轉(zhuǎn)動(dòng)；在兩路信號(hào)經(jīng)輸入門(mén)電路，運(yùn)算后輸出為反向“1”時(shí)，測(cè)量裝置得到反向一個(gè)單位的轉(zhuǎn)動(dòng)。將正向、反向的輸出結(jié)果，再輸入到加減計(jì)數(shù)器，就得到了有方向的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)量，即轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；將此輸出與時(shí)基電路進(jìn)行運(yùn)算，即得到角速度。當(dāng)然，門(mén)電路的輸出直接輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算，得到的角度、角速度更為方便。角度線(xiàn)讀取流程演示，真值表如下

說(shuō)明00之后為01正向輸出；00之后為10反向輸出。當(dāng)然同理可得11之后為01正向輸出；11之后為10反向輸出等等。
為了讓該測(cè)量裝置長(zhǎng)期可靠地工作，尤其是光盤(pán)減少侵蝕，將該測(cè)量裝置內(nèi)部制作為密封的結(jié)構(gòu)，軸端使用密封材料處理，然后充入惰性氣體。一般為常壓即可，但為了增加惰性氣體填充的可靠性，在該測(cè)量裝置上安裝惰性氣體的填充口；以及將充滿(mǎn)壓縮惰性氣體的氣瓶直接固定在該測(cè)量裝置上，并接入填充口。
在該測(cè)量裝置工作中，如果檢測(cè)到工作誤差或故障，不能及時(shí)更換就可能影響設(shè)備的正常工作，因此在一個(gè)光盤(pán)上制作兩圈或多圈角度線(xiàn)以及其他數(shù)據(jù)線(xiàn)，同時(shí)安裝兩套/四套或多套激光發(fā)射頭及所需處理器，不僅能及時(shí)調(diào)換其內(nèi)部的工作系統(tǒng)，還可以在讀取工作的同時(shí)進(jìn)行有效的監(jiān)察檢測(cè)。
此類(lèi)角度測(cè)量裝置經(jīng)常安裝在設(shè)備的軸端，為了適應(yīng)設(shè)備上給其他部件或測(cè)量裝置留有安裝位置，把激光數(shù)字角度測(cè)量裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸制作為套筒形，這樣可以鑲套在設(shè)備軸上，因此把光盤(pán)的內(nèi)孔的直徑加大，以便測(cè)量裝置可以制作成可以鑲套使用的方式。
激光數(shù)字角度測(cè)量裝置在震動(dòng)抖動(dòng)環(huán)境中，以及保障機(jī)械強(qiáng)度，除了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、器件以及安裝固定外，將光盤(pán)成倍地加厚，一般光盤(pán)厚度小于2毫米，約為1.2至1.8毫米，在激光數(shù)字角度測(cè)量裝置中使用兩倍或數(shù)倍加厚的光盤(pán)，并且采用與剛性材料復(fù)合的方法，降低光盤(pán)的變形度。
所述測(cè)量裝置為了有更廣泛的應(yīng)用，適應(yīng)影響設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)小、成本低、重量輕、空間小等要求，可以將激光數(shù)字角度測(cè)量裝置的光盤(pán)制作為小于80毫米、小于60毫米的光盤(pán)。其使用適用范圍必然增加。
為了激光數(shù)字角度測(cè)量裝置的得到更加精確的數(shù)據(jù)，除了制造中提高精確度，還可以大幅度增加光盤(pán)的外徑尺寸，不僅大于120毫米、大于240毫米，制造為大于320毫米的光盤(pán)，同時(shí)采用加強(qiáng)光盤(pán)強(qiáng)度使用符合光盤(pán)的方法，如制作1米直徑的光盤(pán)。得到更精確的角度數(shù)據(jù)。
如圖6所示，為了提高可靠性，便于調(diào)試等，在一個(gè)激光發(fā)射頭F中安裝4個(gè)激光發(fā)生器Fn。
權(quán)利要求
1.一種激光數(shù)字式角度測(cè)量方法，其特征在于在光盤(pán)上用激光刻蝕至少一圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)，用周向前后排列的兩束不同頻率的激光讀取角度線(xiàn)，且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)的周向?qū)挾?，并根?jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光數(shù)字式角度測(cè)量方法，其特征在于光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕多條周向均勻分布的徑向區(qū)位線(xiàn)，并根據(jù)區(qū)位線(xiàn)的反饋信號(hào)來(lái)確定角度區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光數(shù)字式角度測(cè)量方法，其特征在于光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕一條徑向基準(zhǔn)線(xiàn)，并根據(jù)基準(zhǔn)線(xiàn)的反饋信號(hào)來(lái)確定起始角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光數(shù)字式角度測(cè)量方法，其特征在于裝有兩個(gè)并列的激光發(fā)生器的激光發(fā)射頭發(fā)射兩束不同頻率的平行激光，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后投射到光盤(pán)的徑向角度線(xiàn)區(qū)域，光盤(pán)反饋信號(hào)經(jīng)棱鏡折射后；或被激光接收頭接收，通過(guò)雙選頻放大器放大后，兩路數(shù)字信號(hào)送組合邏輯門(mén)電路處理，或被分光棱鏡分成兩路激光線(xiàn)，兩路激光線(xiàn)通過(guò)雙接收放大器轉(zhuǎn)換成兩路數(shù)字信號(hào)，兩路數(shù)字信號(hào)送組合邏輯門(mén)電路處理；經(jīng)組合邏輯門(mén)電路處理后的數(shù)字信號(hào)送加減計(jì)數(shù)器；加減計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)或經(jīng)數(shù)據(jù)處理器處理后輸出角度值，或經(jīng)時(shí)基電路、數(shù)據(jù)處理器處理后輸出角速度。
5.用于實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的角度測(cè)量裝置，其特征在于由刻蝕有至少一圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)的光盤(pán)，平行雙光束雙頻率激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器和反饋信號(hào)處理器和角度顯示器組成；且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)的周向?qū)挾?，反饋信?hào)處理器根據(jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的角度測(cè)量裝置，其特征在于光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕多條周向均勻分布的徑向區(qū)位線(xiàn)，該區(qū)位線(xiàn)獨(dú)立配置激光信號(hào)發(fā)射器和光盤(pán)反饋信號(hào)接收器，并與角度線(xiàn)共用同一反饋信號(hào)處理器和角度顯示器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的角度測(cè)量裝置，其特征在于光盤(pán)在角度線(xiàn)內(nèi)側(cè)還用激光刻蝕一條徑向基準(zhǔn)線(xiàn)，該基準(zhǔn)線(xiàn)獨(dú)立配置激光信號(hào)發(fā)射器和光盤(pán)反饋信號(hào)接收器，并與角度線(xiàn)和區(qū)位線(xiàn)共用同一反饋信號(hào)處理器和角度顯示器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的角度測(cè)量裝置，其特征在于徑向角度線(xiàn)為徑向并列分布的兩圈，各圈徑向角度線(xiàn)配備獨(dú)立的激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器、反饋信號(hào)處理器，但共用同一角度顯示器。
9.根據(jù)權(quán)利要求5、6、7或8所述的角度測(cè)量裝置，其特征在于平行雙光束雙頻率激光信號(hào)發(fā)射器由兩個(gè)并列的激光發(fā)生器和用于縮小激光束間距的透鏡組成，光盤(pán)反饋信號(hào)接收器通過(guò)折射棱鏡接收來(lái)自光盤(pán)的反饋信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5、6、7或8所述的角度測(cè)量裝置，其特征在于光盤(pán)、激光信號(hào)發(fā)射器、光盤(pán)反饋信號(hào)接收器與被測(cè)量的軸共同固裝在一個(gè)充有惰性氣體的密閉空間內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光數(shù)字式角度測(cè)量方法及其裝置。為解決現(xiàn)有角度測(cè)量方法精度低的問(wèn)題，其在光盤(pán)上用激光刻蝕至少一圈周向均勻密布的徑向角度線(xiàn)，用周向前后排列的兩束不同頻率的激光讀取角度線(xiàn)，且兩束激光的周向間距小于角度線(xiàn)的周向間距，兩束激光的周向?qū)挾榷夹∮诮嵌染€(xiàn)的周向?qū)挾龋⒏鶕?jù)兩束激光反饋信號(hào)出現(xiàn)的次序確定角度方向，根據(jù)反饋信號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)確定角度。本發(fā)明方法具有測(cè)量精度高，方便實(shí)施，可靠性強(qiáng)，可操作性好，運(yùn)行成本低，推廣應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明測(cè)量裝置能直接輸出數(shù)字信號(hào)、具有響應(yīng)時(shí)間快、溫度影響小、磨損小、變形小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，成本低，性能可靠，安裝使用方便，應(yīng)用領(lǐng)域廣的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/26GK1651856SQ20051001133
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月8日
發(fā)明者王治平 申請(qǐng)人:王治平