電光角度測量裝置的製作方法

2024-01-29 03:26:15

專利名稱：電光角度測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電光角度的測量裝置，屬於光電檢測技術領域。
背景技術：
角度測量是計量科學的重要組成部分，廣泛應用於機械、光學、航空、航天、航海等領域，目前角度測量分為機械方法、電磁方法和光學方法三大類。一般從測量準確度、穩定性、可靠性和使用壽命來衡量測角裝置性能，另外可根據應用場合和測量精度的要求來選擇測量方法。
機械測角基於機械分度定位原理的圓分度技術，由於採用了差動技術，兩不同齒數的兩件以上的齒盤嚙合後，可獲得的最小分度間隔為2′。因差動多齒分度臺的操作比較麻煩，加工時，要保證中盤上下齒圈的同軸度比較困難，齒盤起落機構比較複雜，難於進一步提高測角精度。
電磁測角技術是最近幾十年發展起來的新的測角技術，分為圓磁柵和感應同步器兩種。利用了電磁參數細分，使儀器分度和測量範圍擴大、解析度提高，應用更加廣泛。用圓磁柵測角時，磁柵和被測件同軸旋轉，放磁頭將磁柵上的標準錄磁信號釋放出來，並進行處理。但是磁柵的分度測量準確度略低於光柵和感應同步器；感應同步器利用電磁感應原理將位移量轉換為電信號，以數字脈衝形式輸出基準量。對於圓感應同步器來講，轉子和定子繞組的直徑越大，電磁耦合度越大，測角準確度越高，與機械測角技術的多齒盤類似，具有平均效應。電磁測角方法的測量精度可達幾秒量級。
光學測角方法與以上兩種測角方法比較，具有更高的準確度，更易於細分。分為光學分度頭、正多面稜體、圓光柵、環形雷射器、雷射幹涉測角等，這幾種方法的測角精度都很高，一般為幾秒或更高。不足之處是結構較複雜，對工作環境要求很高，在工作和檢測現場使用欠方便。
以上幾種方法都可以測量角度，但是，不能實現角度實時檢測和方位信息的傳遞。在衛星發射，地對空、空對空飛彈發射等場合，要求實時監測相距一定距離的發射和接收兩個平臺同軸相對旋轉的角度，藉助發射和接收兩個平臺同軸相對旋轉角和相應光反射鏡，實現垂直方位信息傳遞。這用已有測角技術都難於實現。

發明內容
本發明的目的是解決以上提出和討論的問題，解決實時監測相距一定距離的發射和接收兩個平臺同軸相對旋轉角，實現秒級測角精度，並且使角度測量裝置結構緊湊，抗震動，能夠長期穩定工作。
本發明的技術方案為本測量裝置由發射部分、接收部分和電控部分三部分構成。發射部分依次由半導體雷射器(1)、光柵(2)、平面反射鏡(3)、起偏器(4)、電光晶體(5)和1/4波片(9)構成，半導體雷射器(1)、光柵(2)、構成窄線寬光源；平面反射鏡(3)將光柵(2)衍射輸出的光束反射給起偏器、起偏器將偏振光束傳輸給電光晶體，通過電光晶體加載電信號，並將加載電信號後的光束傳給1/4波片；接收部分由偏振分光器(10)和兩個光探測器(11)構成，發射部分1/4波片輸出的光束傳遞給接收部分的偏振分光器，偏振分光器輸出的光分別傳輸給兩個光探測器；發射部分和接收部分分別安裝在兩個鋁合金圓筒中；電控部分由驅動電源(6)、 電信號源(7)、 電信號放大器(8)和鎖相放大器(12)構成，驅動電源驅動半導體雷射器(1)，電信號源產生的電信號分為兩路，一路經過電信號放大器(8)放大後，加載到發射部分的電光晶體上(5)，另一路輸出給鎖相放大器的參考輸入埠，鎖相放大器將接收部分的兩個光探測器輸出的電信號進行差分放大。
光柵外腔半導體雷射器為光源，鈮酸鋰電光晶體加載角度信息，偏振分光器和光探測器解調信息，用差分放大技術處理所得到的電信號。
電光角度測量裝置的發射部分將光源、起偏器、電光晶體和1/4波片同軸地安裝在一個合金鋁圓筒中，起偏器、電光晶體和1/4波片可以繞圓筒軸線轉動，當達到要求位置後加以固定，它的作用是發射一束載有角度信息的調製光波；接收部分將偏振分光器和兩個光探測器安裝在另一個合金鋁圓筒中，它的作用是對發射部分發出的調製光波進行解調；電控部分的驅動電源驅動半導體雷射器，用電信號源和放大器向電光晶體上加載信息，用差分放大技術最終給出發射和接收兩部分的同軸旋轉角度信號。
本發明的有益效果是解決了實時監測相距一定距離(0.5米到3米)的發射和接收兩個平臺同軸相對旋轉角，實現了秒級測角精度(2.5″)，並且使角度測量裝置結構緊湊，抗震動，能夠長期穩定工作。


圖1電光角度測量裝置結構示意中1為半導體雷射器 2為光柵 3為平面反射鏡 4為起偏器 5為電光晶體 6為驅動電源 7為電信號源 8為電信號放大器 9為1/4波片 10為偏振分光器 11為兩個光探測器 12為鎖相放大器具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行具體說明電光角度測量裝置由發射部分、接收部分和電控部分三部分構成；發射部分依次由半導體雷射器(1)、光柵(2)、平面反射鏡(3)、起偏器(4)、電光晶體(5)和1/4波片(9)構成，半導體雷射器(1)、光柵(2)、構成窄線寬光源；平面反射鏡(3)將光柵(2)衍射輸出的光束反射給起偏器、起偏器將偏振光束傳輸給電光晶體，通過電光晶體加載電信號，並將加載電信號後的光束傳給1/4波片；接收部分由為偏振分光器(10)和兩個光探測器(11)構成，發射部分1/4波片輸出的光束傳遞給接收部分的偏振分光器，偏振分光器輸出的光分別傳輸給兩個光探測器；發射部分和接收部分分別安裝在兩個鋁合金圓筒中；電控部分由驅動電源(6)、電信號源(7)、電信號放大器(8)和鎖相放大器(12)構成，驅動電源驅動半導體雷射器，電信號源產生的電信號分為兩路，一路經過電信號放大器放大後，加載到發射部分的電光晶體上，另一路輸出給鎖相放大器的參考輸入埠，鎖相放大器將接收部分的兩個光探測器輸出的電信號進行差分放大。
光柵外腔半導體雷射器為光源，光柵外腔半導體雷射器光源(1，2)輸出窄線寬、光強穩定的準直光束，驅動電源(6)用高精度穩流電流驅動半導體雷射器，用半導體雷射器內部的光電二極體檢測光輸出功率，通過電流負反饋穩定光源輸出的單縱模雷射強度。
在鈮酸鋰電光晶體上加載角度信息，晶體的x軸方向(或y軸方向)加正弦電壓信號，光沿晶體z軸方向傳播，起偏器的透光方向與晶體x軸方向平行(或與y軸方向成45°角)，1/4波片的快慢軸方向分別與晶體的電感應軸方向平行，從而將發射部分的旋轉角度信息加載到了光波上。
偏振分光器和光探測器解調信息，偏振分光器的光軸方向分別與晶體的電感應軸方向平行，用兩個光探測器分別測量兩束光波，並將其轉變為相應的電信號。差分放大技術處理所得到的電信號是用放大器進行差分放大，並濾掉由於器件定位誤差產生的直流和諧波電信號。
實施例電光角度測量裝置的一個實例如圖1所示。它採用了本發明開發的緊湊光柵外腔半導體雷射器作光源，通過鈮酸鋰電光晶體將旋轉角度信息加載在光波上，信號解調用了渥拉斯頓稜鏡的偏振分光作用和鎖相差分放大技術。圖中1為650nm半導體雷射器，2為光柵，閃耀波長500nm，1200線/mm，3為鍍金屬膜的反射鏡，光柵外腔半導體雷射線寬0.06nm，功率大於2mw；4為起偏器，5為4×5×10mm3的鈮酸鋰電光晶體，6為半導體雷射器驅動電源，7為低頻信號源，8為低頻信號放大器，9為650nm1/4波片，10為GCL-71111渥拉斯頓稜鏡，11為兩個矽光電池，12為鎖相放大器。
通過機械加工精度保證半導體雷射器發射的光束平行發射圓筒軸線方向，將光柵的一級衍射光反射回半導體雷射器的有源區，形成腔外弱反饋，使雷射器單縱模運轉。光柵的0級衍射光，經反射鏡反射後，沿發射圓筒軸線向前傳播。半導體雷射器的驅動源採用高精度穩流電源，並用半導體雷射器內部的光電二極體檢測光輸出功率，通過電流負反饋穩定輸出的單縱模雷射強度。
調節起偏器的透光方向與晶體x軸方向一致，在鈮酸鋰電光晶體的x軸方向上加峰峰值電壓為300V、頻率為270Hz的正弦電壓信號，光沿晶體z軸方向傳播。調節1/4波片的快慢軸使其分別與晶體電感應軸方向相同。
接收部分偏振分光器的透光方向分別與起偏器的透光方向成45°角，用兩個光探測器測量渥拉斯頓稜鏡分開的兩光束，並轉變為相應的電信號。通過鎖相放大器差分放大，濾掉由於器件定位誤差產生的直流和諧波電信號。放大器的最小輸出(接近零)對應發射和接收平臺相對0°旋轉角，即無相對轉動。放大器的輸出信號大小與發射和接收平臺的相對轉角成正比(在±5°範圍內)，從兩路電信號的相位可確定發射和接收平臺相對轉動的方向。
當信號源接收部分相對於發射部分在±5°之間轉動時，鎖相放大器輸出電壓Δv隨轉角θ變化關係如下表。實驗中，小角度的測量採用了經緯儀(每次轉動2.5″)。當轉角固定時，鎖相放大器輸出信號抖動為±0.8μv，每轉動2.5″輸出信號平均改變4μv。
實測數據表

權利要求
1.一種電光角度測量裝置，其特徵在於它由發射部分、接收部分和電控部分三部分構成；發射部分依次由半導體雷射器(1)、光柵(2)、平面反射鏡(3)、起偏器(4)、電光晶體(5)和1/4波片(9)構成，半導體雷射器(1)、光柵(2)、構成窄線寬光源；平面反射鏡(3)將光柵(2)衍射輸出的光束反射給起偏器、起偏器將偏振光束傳輸給電光晶體，通過電光晶體加載電信號，並將加載電信號後的光束傳給1/4波片；接收部分由為偏振分光器(10)和兩個光探測器(11)構成，發射部分1/4波片輸出的光束傳遞給接收部分的偏振分光器，偏振分光器輸出的光分別傳輸給兩個光探測器；發射部分和接收部分分別安裝在兩個鋁合金圓筒中；電控部分由驅動電源(6)、電信號源(7)、電信號放大器(8)和鎖相放大器(12)構成，驅動電源驅動半導體雷射器，電信號源產生的電信號分為兩路，一路經過電信號放大器放大後，加載到發射部分的電光晶體上，另一路輸出給鎖相放大器的參考輸入埠，鎖相放大器將接收部分的兩個光探測器輸出的電信號進行差分放大。
2.根據權利要求1所述的電光角度測量裝置，其特徵在於所述的光源(1、2)是光柵外腔半導體雷射器。
3.根據權利要求1所述的電光角度測量裝置，其特徵在於所述的電光晶體(5)為鈮酸鋰晶體，電光晶體和1/4(9)波片採用平動方法固定。
4.根據權利要求1所述的電光角度測量裝置，其特徵在於所述的電控部分中的鎖相放大器(12)採用了差分放大技術。
5.根據權利要求1所述的電光角度測量裝置的測量方法，其特徵在於光柵外腔半導體雷射器為光源，鈮酸鋰電光晶體加載角度信息，偏振分光器和光探測器解調信息，差分放大技術處理得到電信號。
6.根據權利要求5所述的電光角度測量裝置的測量方法，其特徵在於所述的光柵外腔半導體雷射器光源(1，2)輸出窄線寬、光強穩定的準直光束，驅動器(6)用高精度穩流電流驅動半導體雷射器，用半導體雷射器內部的光電二極體檢測光輸出功率，通過電流負反饋穩定輸出的單縱模雷射強度。
7.根據權利要求5所述的電光角度測量裝置的測量方法，其特徵在於所述的鈮酸鋰電光晶體加載角度信息是在電光晶體的x軸方向(或y軸方向)加正弦電壓信號，光沿晶體z軸方向傳播，起偏器的透光方向與晶體x軸方向平行(或與y軸方向成45°角)，1/4波片的快慢軸方向分別與晶體的電感應軸方向平行，從而將發射部分的旋轉角度信息加載到了光波上。
8.根據權利要求5所述的電光角度信息傳遞裝置的測量方法，其特徵在於所述的偏振分光器(10)和光探測器(11)解調信息是偏振分光器的光軸方向分別與晶體的電感應軸方向平行，用兩個光探測器分別測量兩束光波，並將其轉變為相應的電信號。
9.根據權利要求5所述的電光角度信息傳遞裝置的測量方法，其特徵在於所述的差分放大技術處理所得到的電信號是用放大器(8)進行差分放大，並濾掉由於器件定位誤差產生的直流和諧波電信號。
10.根據權利要求5所述的電光角度信息傳遞裝置的測量方法，其特徵在於包括下述步驟1)啟動驅動電源(6)使光源(1，2)正常工作2)打開電信號源和放大器(7，8)向電光晶體(5)上加載信號3)開啟鎖相放大器(12)調節發射接收兩部分使其同軸並測量它們之間的轉角。
全文摘要
本發明涉及一種電光角度的測量裝置，屬於光電檢測技術領域。角度測量分為機械、電磁和光學方法三大類。幾種方法都可以測量，但是，不能實現角度實時檢測和方位信息的傳遞。本發明的目的是解決實時監測相距一定距離的發射和接收兩個平臺同軸相對旋轉角，實現秒級測角精度，本發明的技術方案為測量裝置由發射、接收和電控三部分構成。光柵外腔半導體雷射器為光源，鈮酸鋰電光晶體加載角度信息，偏振分光器和光探測器解調信息，用差分放大技術處理所得到的電信號。本發明的有益效果解決了實時監測相距一定距離(0.5米到3米)的發射和接收兩個平臺同軸相對旋轉角，實現了秒級測角精度(2.5″)，並且使角度測量裝置結構緊湊，抗震動，長期穩定工作。
文檔編號H04B7/00GK1527025SQ0314429
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月19日 優先權日2003年9月19日
發明者呂福雲, 盛秋琴, 郭文剛, 範宇, 羅紹均, 李春雷 申請人:南開大學