抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法与装置.pdf

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法与装置。该方法以光栅作为合作目标，使用两束激光照射转动体上安装的光栅，利用沿转动体径向方向的两路光栅衍射光的多普勒频移效应对转动体径向跳动不敏感的特点，进而通过干涉检测技术实现高精度转角测量。本发明融合了光栅衍射、多普勒效应、干涉检测技术以及误差分离技术，可针对具有较大径向跳动的转动体进行高精度转角、角速度、角加速度测量，为大型机电转角系统实现高精度转动控制提供精确、快速的角度数据。

1.  抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，其特征在于：
(a)测量前调整光路，使两束频差为f的准直激光同时照射转动体回转表面上光栅尺的同一区域，两束准直激光在光栅尺的表面发生衍射，其中一束准直激光的m级衍射光与另一束准直激光的n级衍射光互相重合，并沿转动体的径向方向出射进入会聚镜，经过会聚镜聚焦在光电传感器表面发生干涉，此时两束准直激光与光栅尺表面法线的夹角α需满足以下公式：
α = arcsin N · λ d - - - ( 1 ) ]]>
其中N为沿转动体的径向方向出射衍射光的级次、λ为入射准直激光的波长、d为光栅尺的栅距；
(b)测量过程中，当转动体静止时，两束衍射光的频差为f，光电探测器的输出信号的频率值为f，当转动体旋转时，光栅尺沿回转表面的切向方向运动，使两束准直激光的衍射光发生多普勒频移，频移值为Δ_f，两束衍射光的频差为f+2Δ_f，光电探测器的输出信号的频率值为f+2Δ_f；
(c)测量过程中计算转动数据，首先需要记录光电探测器输出信号的波动次数为n(t)，记录光电探测器输出信号的频率为F(t)，而后根据公式(2)(3)(4)可计算转动体的转动角度θ(t)、角速度ω(t)、角加速度ε(t)：
θ ( t ) = d · ( n ( t ) - f · t ) | m - n | r ( rad ) - - - ( 2 ) ]]>
ω ( t ) = d · ( F ( t ) - f ) | m - n | r ( rad / s ) - - - ( 3 ) ]]>
ϵ ( t ) = dω ( t ) dt ( rad / s 2 ) - - - ( 4 ) ]]>
其中r是转动体的回转半径，f为两束准直激光的频差，d为光栅尺的栅距，m、n为沿光栅尺表面法线方向出射的衍射光级次。

2.  根据权利1所述的抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，其特征在于：还可以在转动体的圆周上安装多个测量头，采用误差分离技术，分析多个测量头的数据，改善单个测量头的谐波抑制特性，消除转动体各个方向的径向跳动对测量结果的影响。

3.  根据权利1所述的抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，其特征在于：还可以在转动体的圆周上安装多条光栅尺，通过位置参考点切换光栅尺的工作状态，避开转动体圆周上光栅尺的接缝对测量的干扰。

4.  抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量装置，包括激光器，其特征在于：还包括光栅尺、光电传感器、会聚镜、光纤、光纤分路器、频移器、第一路准直镜、第二路准直镜；其中激光经过光纤进入测量头中的光纤分路器，并被分为两路：一路经过光纤与第一路准直镜后出射第一路准直激光，另一路激光依次通过光纤、频移器、光纤与第二路准直镜后出射第二路准直激光；两路准直激光照射转动体圆周上安装的光栅尺，并在光栅尺表面发生衍射，其中两束衍射光互相重合，并沿转动体的径向方向出射，而后经过会聚镜聚焦在光电探测器表面，最后由处理电路接收光电探测器的输出信号，并计算角度测量结果。

5.  根据权利4所述的抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量装置，其特征在于：还可以包括多个测量头，安装在转动体的圆周周围。

6.  根据权利4所述的抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量装置，其特征在于：还可以在转动体的圆周上安装多条光栅尺，在每条光栅尺接缝两侧安装位置参考点。

抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法与装置
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，可针对具有较大径向跳动的转动体进行高精度转角、角速度、角加速度测量，为大型机电转角系统实现高精度转动控制提供精确、快速的角度数据。
技术背景
转角测量传感器在机电系统中被广泛应用，尤其是大型机电转台中转轴的转角值获取、大型多维转台的运动控制等都离不开转角测量传感器。但目前机电转角系统中广泛应用的转角测量传感器，如光栅角编码器、感应同步角传感器、磁栅测角传感器等，由于存在动、静标尺之间间隙变化量受限、测量速度低等缺点，不能满足现代机电平台转角的高精度、快速测量要求，并已成为制约机电转角系统进一步提升其性能的主要影响因素之一，这种情况在大型机电转角系统中显得尤为突出。
对于机电转角系统，转动体需要根据指令要求进行快速方位转动，实现在转动或静止条件下精确转动定位。但是一些大型多级传动转动体的直径在2-3m左右，重达十余吨，需传动的动力大，传动机构间的啮合间隙也大，这就致使转动体的转动部分与非转动部分间的间隙变化接近毫米量级，而现有的光栅、磁栅、感应同步器等测角系统，因其测量原理所限，很难适应这种动、静标尺间隙变化大的状况，因而转动体的转角测量系统不得不安装在驱动电机端，转动体的转角数据也不得不经过多级传动机构传动，由安装在驱动端的测角传感系统感知，进而通过运算来解算出来。
由于转动体的体积大、传动动力大、传动环节多、传递间隙大、转角数据的测量链长，因而转角数据的传递误差大，其结果使机电控制模块测量的数据并不能真正反映转动体实际的方位转角信息，使转角测量精度远低于系统中其它模块，严重降低了机电控制模块的控制精度，制约了整个大型机电转角系统的整体性能。
将测角和测速系统直接安装在转动体的转动齿圈位置，来获取转角和转速早已被公认为最合理的设计方案，但其前提是首先应研制出具有抗转动体径向跳动的转角及转速测量传感器。事实上，抗转动体径向跳动的测角传感器技术，已成为制约大型机电转角系统进行高精度机电控制的技术瓶颈。
目前改善转角精度的技术途径有两种做法：一是提高传动系统精度，降低转角传递误差，但这不能从根本上解决问题；二是研究可以适应转动体径向跳动的可直接安放在转动体位置上的新原理转角及速率传感技术，从根本上提升机电转角系统的转角精度，降低传动系统的制造成本。
目前，国内提高具有较大径向跳动转动体的转角测量精度的途径，主要通过改善传动系统精度、减小传动环节来实现，但这不能解决根本问题，此类转角测量方法的精度只能达到10′左右，不符合新一代高精度转角系统的设计需求。
基于此，本发明提出一种抗转动体径向跳动的转角测量方法与装置，有效突破现有转动体的转角及转速精度因受多级传动机构精度影响而难以提高的技术瓶颈。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决径向跳动大的转动体无法进行高精度转角测量的问题，提出抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，该方法以光栅作为合作目标，使用两束激光照射转动体上安装的光栅，利用沿转动体径向方向的两路光栅衍射光的多普勒频移效应对转动体径向跳动不敏感的特点，进而通过干涉检测技术实现高精度转角测量。
本发明的第二个目的是根据该测量方法提出抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量装置。该装置具有体积小、实时性高、测量稳定性好的特点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量方法，具体实现步骤包括：
(a)测量前调整光路，使两束频差为f的准直激光同时照射转动体回转表面上光栅尺的同一区域，两束准直激光在光栅尺的表面发生衍射，其中一束准直激光的m级衍射光与另一束准直激光的n级衍射光互相重合，并沿转动体的径向方向出射进入会聚镜，经过会聚镜聚焦在光电传感器表面发生干涉，此时两束准直激光与光栅尺表面法线的夹角α需满足以下公式：
α = arcsin N · λ d - - - ( 1 ) ]]>
其中N为沿转动体的径向方向出射衍射光的级次、λ为入射准直激光的波长、d为光栅尺的栅距；
(b)测量过程中，当转动体静止时，两束衍射光的频差为f，光电探测器的输出信号的频率值为f，当转动体旋转时，光栅尺沿回转表面的切向方向运动，使两束准直激光的衍射光发生多普勒频移，频移值为Δ_f，两束衍射光的频差为f+2Δ_f，光电探测器的输出信号的频率值为f+2Δ_f；
(c)测量过程中计算转动数据，首先需要记录光电探测器输出信号的波动次数为n(t)，记录光电探测器输出信号的频率为F(t)，而后根据公式(2)(3)(4)可计算转动体的转动角度θ(t)、角速度ω(t)、角加速度ε(t)：
θ ( t ) = d · ( n ( t ) - f · t ) | m - n | r ( rad ) - - - ( 2 ) ]]>
ω ( t ) = d · ( F ( t ) - f ) | m - n | r ( rad / s ) - - - ( 3 ) ]]>
ϵ ( t ) = dω ( t ) dt ( rad / s 2 ) - - - ( 4 ) ]]>
其中r是转动体的回转半径，f为两束准直激光的频差，d为光栅尺的栅距，m、n为沿光栅尺表面法线方向出射的衍射光级次。
该测量方法还可以在转动体的圆周上安装多个测量头，采用误差分离技术，分析多个测量头的数据，改善单个测量头的谐波抑制特性，消除转动体各个方向的径向跳动对测量结果的影响。
该测量方法还可以在转动体的圆周上安装多条光栅尺，通过位置参考点切换光栅尺的工作状态，避开转动体圆周上光栅尺的接缝对测量的干扰。
抗径向跳动的合作目标激光转角及速率测量装置，包括激光器，还包括光栅尺、光电传感器、会聚镜、光纤、光纤分路器、频移器、第一路准直镜、第二路准直镜；其中激光经过光纤进入测量头中的光纤分路器，并被分为两路：一路经过光纤与第一路准直镜后出射第一路准直激光，另一路激光依次通过光纤、频移器、光纤与第二路准直镜后出射第二路准直激光；两路准直激光照射转动体圆周上安装的光栅尺，并在光栅尺表面发生衍射，其中两束衍射光互相重合，并沿转动体的径向方向出射，而后经过会聚镜聚焦在光电探测器表面，最后由处理电路接收光电探测器的输出信号，并计算角度测量结果。
该测量装置还可以包括多个测量头，安装在转动体的圆周周围。
该测量装置还可以在转动体的圆周上安装多条光栅尺，在每条光栅尺接缝两侧安装位置参考点。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.本发明利用双路衍射光干涉对转动体径向跳动不敏感这一特性，当转动体发生径向跳动时，两路衍射光能够保证干涉测量不中断，径向跳动对转角测量的影响很小。
2.采用双路衍射光多普勒效应、干涉检测技术与光电信号实时处理技术相融合，实现径向跳动转动体的转角、角速度及角加速度的高精度实时测量；
3.本发明装置利用光纤构建光路，测量头体积小、抗干扰能力强、性能稳定可靠。
4.可安装多个测量头，利用误差分离技术提高测量精度，改善单个测量头的谐波抑制特性，消除转动体径向跳动对测量结果的影响。
5.可安装多条光栅尺，在每条光栅尺接缝两侧安装位置参考点，实现光栅尺的切换，避开光栅尺接缝对测量精度的影响
附图说明
图1为本发明测量方法的原理示意图；
图2为斜入射光线的光栅衍射示意图；
图3为本发明测量方法抗径向跳动原理示意图
图4为发生径向跳动时光电传感器表面的干涉区域示意图；
图5为本发明装置中测量头的结构示意图；
图6为本发明的测量头分布示意图；
图7为本发明装置的光栅尺安装示意图；
其中：1-转动体、2-光栅尺、3-光电传感器、4-会聚镜、5-第一路准直激光、6-第二路准直激光、7-径向跳动、8-激光器、9-光纤、10-光纤分路器、11-光纤、12-光纤、13-频移器、14-光纤、15-第一路准直镜、16-第二路准直镜、17-测量头、18-处理电路、19-测量头、20-测量头、21-测量头、22-测量头、23-光栅尺、24-光栅尺、25-位置参考点、26-位置参考点。
具体实施方式
下面针对直径1.5m的回转轴进行转角测量，结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的基本思想是利用光栅尺的两路衍射光发生多普勒频移后的干涉信号实现精确转角测量，利用两路衍射光束的多普勒频移效应对转动体径向跳动不敏感这一特性，减少径向跳动对测角的影响。本发明使用光纤构建光路，降低测量头的体积，并同时在转动体的回转圆周上安装多个测量头，利用误差分离技术改善单个测量头的谐波抑制特性，并进一步消除转动体径向跳动对测量结果的影响。
实施例
如图1所示，一种抗转动体径向跳动的测角方法，其测量步骤是：
首先，将波长λ＝632nm激光器8的激光耦合进入光纤9，经过光纤分路器10后形成两路测量光路，一路经过光纤11与第一路准直镜15后出射第一路准直激光5，另一路激光依次通过光纤12、20Mhz频移器13、光纤14与第二路准直镜16后出射第二路准直激光6；两路准直激光照射转动体1圆周上安装的光栅尺6，根据公式(1)计算得出两束准直激光与光栅尺2表面的法线的夹角为39.2°，两束准直激光在栅距d＝1μm的光栅尺表面发生衍射。如图2所示，两路准直激光各自具有多条级次的衍射光线，其中第一路准直激光5的+1级衍射光与第二路准直激光6的-1级衍射光互相重合，并沿转动体1的径向方向出射。而后两路衍射光经过会聚镜4聚焦在光电探测器3表面，并发生干涉，光电探测器3实现光电转换后，将信号传送给处理电路18，由处理电路18计算角度结果。
当转动体1转动带动光栅尺2沿顺时针方向运动时，第一路准直激光5的+1级衍射光产生多普勒蓝移，第二路准直激光6的-1级衍射光产生多普勒红移，两束衍射光的频差发生变化，记录光电探测器3输出信号的波动次数为n(t)，记录光电探测器3输出信号的频率为F(t)；
然后，根据公式(2)(3)(4)，可推导出该1.5m直径转动体1的转动角度θ(t)、角速度ω(t)、角加速度ε(t)计算公式：
θ ( t ) = d · ( n ( t ) - f · t ) | m - n | r = d · ( n ( t ) - f · t ) 2 r ( rad ) - - - ( 5 ) ]]>
ω ( t ) = d · ( F ( t ) - f ) | m - n | r = d · ( F ( t ) - f ) 2 r ( rad / s ) - - - ( 6 ) ]]>
ϵ ( t ) = dω ( t ) dt ( rad / s 2 ) - - - ( 7 ) ]]>
其中，回转半径r＝1.5m，频差f＝20×10⁶Hz，栅距d＝10^-6m，衍射光级次m＝+1、n＝-1。
信号处理电路18根据公式(5)(6)(7)可实时解算出转动体1的转动角度θ(t)、角速度ω(t)、角加速度ε(t)值。
如图3所示，测量过程中当转动体发生的径向跳动7在1mm之内时，斜入射的第一路准直激光5与第二路准直激光6照射光栅尺2的区域仍然有重叠部分，并且两路1级衍射光仍然沿光栅尺2表面的法线方向出射，经过会聚镜4聚焦后在光电探测器3表面。如图4所示，由于受径向跳动的影响，衍射光在光电探测器3表面的会聚光斑并未完全重合，但部分重叠区域产生的干涉已经可以满足转角测量的要求。
如图5所示，一种抗转动体径向跳动的测角装置，其中测量头17中包括：光电传感器3、会聚镜4、光纤分路器10、光纤11、光纤12、频移器13、光纤14、第一路准直镜15、第二路准直镜16；其中632nm的激光经过光纤9进入测量头17中的光纤分路器10，并被分为两路：一路经过光纤11与第一路准直镜15后出射第一路准直激光5，另一路激光依次通过光纤12、频移器13、光纤14与第二路准直镜16后出射第二路准直激光6；两路准直激光照射转动体1圆周上安装的光栅尺6，并在光栅尺6表面发生衍射，其中两束衍射光互相重合，并沿转动体1的径向方向出射，而后经过会聚镜4聚焦在光电探测器3表面，最后由处理电路18根据光电探测器3的输出信号计算角度测量结果。
本实施例的测角装置在转动体1的圆周上安装四个测量头，每两个测量头之间间隔90°。通过处理四个测量头的数据，使用误差分离法改善测量头的谐波抑制特性，消除转动体径向跳动对测角结果的影响。
本实施例的测角装置在转动体1的圆周上安装两条光栅尺，在每条光栅尺的接缝处两侧安装位置开关。当测量头19、测量头20、测量头21、测量头22经过位置开关时，切换两根光栅尺的工作状态，由测量头选择可连续工作的光栅尺，避开转动体1圆周上光栅尺的接缝对测角的干扰。
此实施例通过一系列的措施实现了具有径向跳动的转动体的高精度转角测量，实现了抗转动体径向跳动的转角测量方法与装置，与常规转角测量方法相比，具有良好的抗径向跳动干扰能力，发生径向跳动时可保证不间断测量，测量头体积小、实时性好、测量精度可达到2～4″左右。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。