專利名稱：激光縱模分裂角度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于角度的精密測量技術及裝置。
目前角度的精密測量通常采用光柵、感應同步器、碼盤、機械分度頭等技術手段構成的測角裝置，經(jīng)過多年的研究發(fā)展，這些測角裝置已達到秒量級測量精度極限，進一步提高精度已相當困難，而且這些測量裝置價格均比較昂貴，制造難度高，體積龐大，廣泛應用受到一定限制。
本發(fā)明旨在利用激光縱模分裂原理，發(fā)明一種新型的高精度角度傳感器，并使其具有測量速度快、造價低廉的特點。
本發(fā)明由激光角度傳感頭、激光穩(wěn)頻裝置以及信號接收處理單元所組成。所說的激光角度傳感頭包括外腔He-Ne激光器、及在該激光器諧振腔內的光路上放置的帶有旋轉軸的晶體石英元件、激光電源所構成;所說的信號接收處理單元由偏振器、光電探測器、頻率計、微計算機所組成。
本發(fā)明工作原理如下激光諧振腔在激光電源的驅動下產(chǎn)生一定頻率的激光束，激光穩(wěn)頻裝置保持該激光束的頻率穩(wěn)定不變，當放置在諧振腔內的石英晶體元件隨與之固定在一起的旋轉軸轉動時，晶體石英元件的晶軸C和諧振腔軸線交角[θ]也隨之改變，由于石英晶體元件的雙折射效應，激光縱模發(fā)生分裂，諧振腔輸出包含兩種頻率不同且正交偏振的光束，這兩種光的頻率差隨角度[θ]不同而改變，即頻差值與角度[θ]有一一對應的關系，當這束包含兩種頻率且正交偏振的光束通過信號接收處理單元的偏振器后(該偏振器的通光方向與兩種頻率光的偏振方向都夾45°角)，形成光拍頻，光拍頻被光電探測器接收后轉化成正弦電信號，送入頻率計，計算出該正弦信號的頻率(光拍頻)，再經(jīng)微計算機的處理把光拍頻換算成晶體石英元件繞軸線旋轉的角度。當上述晶體石英元件與被測物連為一體，隨被測物同步旋轉時，所測得的晶體石英元件的旋轉角度即為被測的角度。
本發(fā)明具有結構簡單，測量速度快，靈敏度高，應用范圍廣等優(yōu)點。
附圖簡要說明

圖1為本發(fā)明的一種實施例結構示意2為本發(fā)明的另一種實施例結構示意圖本發(fā)明提供的一種實施例如圖1所示，結合附圖詳細描述各組成部分。
本實施例由激光角度傳感頭(201)、激光穩(wěn)頻裝置(202)及信號接收處理單元(203)三部分組成。其中激光角度傳感頭(201)由激光電源(圖中未畫出)，半外腔He-Ne激光管(5)，插入其中的晶體石英元件(4)，激光管支撐架(7)等組成。帶有反射鏡(6)的He-Ne激光管一端直接固定在激光管支撐架一側壁上，支撐架另一側壁固定一壓電陶瓷環(huán)(2)，另一反射鏡(3)固定在陶瓷環(huán)(2)上并與激光管軸線垂直對中，晶體石英元件(4)為一條形球殼，其內外表面都鍍以高增透膜，內外表面的球心重合，并與其固定連接成一體的旋轉軸(0)的軸線相交。旋轉軸(0)的軸線與激光管的軸線垂直。
激光穩(wěn)頻裝置(202)采用已商用化的等光強穩(wěn)頻系統(tǒng)，由部分反射鏡(17)，半反半透鏡(11)，偏振器(12)、(14)，光電探測器(13)、(15)，比較和驅動電路(16)所組成。從激光角度探測頭射出的激光被反射鏡(17)部分反射到半透半透鏡(11)，經(jīng)(11)的透射光到達偏振器(12)，由(11)的反射光到達偏振器(14)，偏振器(12)、(14)的通光軸成正交放置。經(jīng)過偏振器(12)、(14)的兩束光分別由光電探測器(13)、(15)接收(被探測器接收的是不同偏振方向光線的光強，如圖中點和箭頭表示出)轉化成電信號送到比較和驅動電路(16)中比較，比較結果轉化成電壓信號去驅動壓電陶瓷環(huán)(2)的伸長或縮短以保持兩激光頻率以激光介質的中心頻率為對稱，從而實現(xiàn)穩(wěn)頻目的。
本實施例的信號接收處理單元(203)由偏振器(8)、光電探測器(9)、頻率計(10)和微計算機(18)組成。透過部分反射鏡的光束經(jīng)過偏振器(8)后在行進路徑上形成光拍。光電探測器(9)把光拍變成正弦電信號。頻率計(10)計出拍的頻，微計算機(18)把此拍頻率換算成條形石英球殼的轉角[θ]。
附圖2為本發(fā)明給出的另一種激光角度傳感器結構示意圖。與上述實施例中的激光角度傳感器結構不同之處只是晶體石英元件的形狀、放置方式及旋轉方向。其他部分均可采用第一例的結構。本例中晶體石英元件是一塊兩表面均鍍有增透膜的平板(41)。該平板的法線(AB)與平板與平板的旋轉軸同向，平板的晶軸(C)與其法線(AB)有一夾角(θ)(θ≠0)，該平板放置在激光諧振腔中使其法線(AB)與激管諧振腔的軸線成一角度(ψ)。當晶體石英平板(41)繞與其法線(AB)同向的旋轉軸轉動時，該平板的晶軸(C)與激光諧振腔的軸線(也即激光束)的夾角θ也隨之改變，導致激光輸出的偏振方向正交的兩種成分的光的頻率差的改變。這種頻率差的改變與晶體石英平板旋轉角度一一對應。經(jīng)信號轉換與處理得到角度值。
本發(fā)明有以下特點其一，測量速度快，由于本發(fā)明測角利用光拍頻(縱模分裂的頻率)只和晶體石英元件晶軸和激光軸線的夾角有關，測量角度的速度只決定于晶體石英旋轉軸的速度，而旋轉軸一般沒有旋轉速度的限制，而已有的光柵感應同步器的旋轉速度均有一定限制;其二，精度高。例如，當晶體石英元件晶軸與激光束夾角等于45°，該石英元件厚度為3mm，其靈精可達到10-5秒的量級，遠高于現(xiàn)有測角方法的極限精度。
權利要求
1.激光縱模分裂角度傳感器，其特征在于由激光角度傳感頭、激光穩(wěn)頻裝置以及信號接收處理單元所組成，所說的激光角度傳感頭包括外腔的He-Ne激光器及放置在該激光器諧振腔內的帶有旋轉軸的晶體石英元件，激光電源所構成，所說的信號接收處理單元由偏振器、光電探測器、頻率計、微計算機所組成。
2.如權利要求1所述的角度傳感器，其特征在于所說的晶體石英元件為一條形球殼，其內外表面都鍍以高增透膜，其內外表面的球心重合并與其固定并連接成一體的旋轉軸的軸線相交。
3.如權利要求1所述的角度傳感器，其特征在于所說的晶體石英元件為一塊兩表面均鍍有增透膜的平板，該平板的法線與平板的旋轉軸同向，該平板的晶軸與其法線有一夾角(θ)(θ≠0)，該平板放置在所說激光諧振腔中，使其法線與該諧振腔的軸線成一角度(ψ)。
全文摘要
激光縱模分裂角度傳感器，屬于角度精密測量技術領域，本發(fā)明利用插入激光器中的晶體石英元件，使激光器輸出包含兩種頻率的激光束，晶體石英旋轉產(chǎn)生雙折射效應，使兩種頻率差值隨之改變，利用對該頻率差值的接收、轉換處理，得到石英元件的旋轉角度值。本發(fā)明由激光角度傳感頭、激光穩(wěn)頻裝置以及信號接收處理單元等組成。由本發(fā)明構成的測角裝置具有測量速度快，靈敏度高、造價低等優(yōu)點。
文檔編號G01B11/26GK1073522SQ9111150
公開日1993年6月23日 申請日期1991年12月12日 優(yōu)先權日1991年12月12日
發(fā)明者張書練 申請人:清華大學