短距精密動態測角儀的製作方法

2024-01-29 13:35:15

專利名稱：短距精密動態測角儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於光學測量領域，具體涉及一種用於微角振動測量的短距精密動態測角儀。
2.背景技術目前，公知的反射靶標式光學動態測角儀是通過具有動態性能的二維位置傳感器，獲取與被測體固連的平面反射鏡上入射光束與反射光束之間的角偏移在位置傳感器探測面上光點的動態線位移，對應求得被測體在兩個正交方向上的動態偏轉角。實用新型動態測角儀(專利號95238619.4)公開了一種光學測角裝置，該測角儀是按照上述基本原理設計的一種初級裝置，由於該裝置中不含有角放大功能的光學部件，若要提高測角解析度，須通過增加探測距離來解決，與此同時必然造成測角動態範圍縮小，且每次測量安置時物鏡須重新進行縱調，才能保證光束在位置傳感器上有良好的聚焦，並且靶標拉開的距離受到物鏡焦距的限制，這些不足都將給裝置的使用帶來不便。
3.發明內容為了克服現有技術中精密探測距離長、測量動態範圍小、使用不方便的不足，本實用新型提供一種短距精密動態測角儀，可縮短探測距離，並保持測角解析度和測角動態範圍不變。本實用新型短距精密動態測角儀，含有作為測量基準的主體結構和作為被測體的反射靶標；主體結構包括底部設置有二維角度精調機構的機箱和設置在機箱體內的光學結構、位置傳感器、電路部分。其特點是，機箱內的光學結構含有半導體雷射器、雙向運用的主擴束鏡、次擴束鏡、45°分束鏡、聚焦透鏡和45°反射鏡，其連接關係為，機箱內光學結構在準直軸上順序同軸設置有半導體雷射器、次擴束鏡和主擴束鏡，由半導體雷射器和次擴束鏡構成的準直光源後面設置有45°分束鏡，45°分束鏡後面設置主擴束鏡，主擴束鏡與反射靶標對應；45°分束鏡在傳感分支光路上通過設置在右面的聚焦透鏡沿45°平面反射鏡的折轉光路與焦面上的位置傳感器對應；位置傳感器與電路部分相連，電路部分與機箱外的計算機系統相連。
本實用新型設計原理直徑為d的平行準直光束經過一個倍率為β的擴束鏡，其輸出形成直徑為βd的基準平行光束，照射於用作靶標的被測平面反射鏡上。當反射靶標無偏轉時，反射光軸與入射光軸相重合，它們的夾角為零，並沿原光路返回擴束鏡。這時，逆向傳輸的反射光束將按同樣倍率縮束，該縮束平行光由分束鏡分離出準直光路的傳感分支光束經過聚焦透鏡和平面反射鏡折轉引導，照射在位於焦平面上的位置傳感器探測面中心(即參考點)。當反射靶標發生角度為θ的微小偏轉時，入射光軸與反射光軸之間夾角則為2θ，按照擴束鏡原理，返回擴束鏡的逆傳光束直徑壓縮β倍的同時光束偏移角也得到β倍放大，即縮束光軸與準直光軸之間夾角變為2βθ，進而匯聚在位置傳感器探測面上的光點相對於參考點位置偏移量也隨之放大β倍。在測角效果上，探測靈敏度獲得倍增作用。該光學結構與高精度位置傳感器結合，可達到縮短測角探測距離的目的。測角實際距離壓縮於聚焦透鏡的焦距上，與測角等效距離相比，測角距離壓縮率為2β。
本實用新型在不改變位置傳感器的條件下，光路中引入雙向運用的倍率為β的主擴束鏡後，實際測角距離縮短為2β倍，或在同樣探測距離下，測角靈敏度提高β倍。本實用新型體積小、光路結構簡單，實際測角距離壓縮並折轉於機箱小空間內。照射靶標的光束為平行光，靶標放置距離可任意調節，而不影響測角固有分辨精度和動態範圍。機箱裝配時位置傳感器探測面調焦已完成，裝置使用時勿須再做調焦操作。本實用新型可用於大型光機結構微角振動的精密測量、也可用於結構或光束的致穩控制系統。
4.

以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1為本實用新型短距精密動態測角儀實施例的主視結構示意圖。
圖2為本實用新型短距精密動態測角儀實施例的主體結構部分機箱內部的結構示意圖。
圖中1.反射靶標2.頂蓋3.濾波片4.位置傳感器5.二維角度精調機構6.底板7.電路板8.電纜孔9.電纜座10.電纜座11.電纜座12.電路板13.電纜孔14.隔板15.半導體雷射器16.次擴束鏡17.光阱18.45°分束鏡19.聚焦透鏡20.主擴束鏡21.45°平面反射鏡22.通光孔23.45°平面反射鏡24.45°平面反射鏡25.隔板26.側板27.側板28.後板29.前板5.具體實施方式
圖中，本實用新型短距精密動態測角儀，含有主體結構和反射靶標1。主體結構包括底部設置有二維角度精調機構的機箱和設置在機箱體內的光學結構、位置傳感器4和電路部分。主體結構的機箱殼體由側板26、側板27、後板28、前板29、底板6和頂蓋2構成的扁平箱體。機箱內固定設置有光學結構、位置傳感器和電路部分。採用厚鋼板的機箱前板29和底板6組成光學結構的剛性基座，前板29與穿過它的光學結構中的主擴束鏡20相固連，機箱底板6的下表面與二維角度精調機構5相固連。反射靶標1鏡面一側與凸出機箱前板29的主擴束鏡20的鏡頭相對設置，其放置距離根據需要可任意調節。反射靶標1的平面反射鏡的鏡面直徑設計為主擴束鏡20的擴束光束直徑的2倍。
機箱內的寬度方向設置有隔板14，隔板14與後板28之間設置電路板7和電路板12。在隔板14與前板29之間設置有隔板25，隔板25設有一個通光孔22。
機箱內光學結構在準直軸上順序同軸設置有半導體雷射器15、次擴束鏡16和主擴束鏡20，主擴束鏡20為雙向運用的擴束鏡。次擴束鏡16與主擴束鏡20之間設置有45°分束鏡18，準直軸線穿過其中心並與其法線成45°。次擴束鏡16小口徑一端的設置與半導體雷射器15相鄰，其大口徑一端的設置與45°分束鏡18相鄰。主擴束鏡20小口徑一端的設置與45°分束鏡18相鄰，其大口徑一端的設置凸出於前板29。光阱17和聚焦透鏡19分別設置於45°分束鏡18的兩側，聚焦透鏡19的另一側設置有45°平面反射鏡23。光阱17和聚焦透鏡19的幾何中心軸線為同一條直線，並與準直軸線垂直相交，此直線分別穿過位於聚焦透鏡19兩側的、法線相互垂直的45°分束鏡18和45°平面反射鏡23的中心。45°平面反射鏡23與45°平面反射鏡21法線相互平行、鏡面中心之間的連線與準直軸線平行；45°平面反射鏡21與45°平面反射鏡24法線相互垂直、鏡面中心之間的連線與準直軸線垂直；45°平面反射鏡24鏡面中心與位置傳感器4探測面中心之間的連線穿過法線與之平行的濾波片3中心並與準直軸線平行。聚焦透鏡19輸出的匯聚光束依次經過三個45°平面反射鏡(23、21、24)作三次直角折轉，引導至位置傳感器4探測面上。匯聚光束傳輸路徑長度為聚焦透鏡19的焦距，位置傳感器4探測面在聚焦透鏡19的焦面上。
機箱內電路部分中的電路板7為光源驅動板，輸出電纜通過電纜孔8與相鄰的半導體雷射器15相連；其中電路板12為信號接收板，輸入電纜通過電纜孔13與相鄰的傳感器相連；機箱後板28上水平排列設置了三個電纜座，其中，電纜座9與電路板7連接，為其提供獨立電源；電纜座10與電路板12連接，為其提供獨立供電源；電纜座11與電路板7連接，為其提供輸出信號。輸出信號傳輸給數據採集卡，或通過微機時實監測二維動態測角過程，或與閉環控制系統相連接。
權利要求1.短距精密動態測角儀，含有作為測量基準的主體結構和作為被測體的反射靶標；主體結構包括底部設置有二維角度精調機構的機箱和設置在機箱體內的光學結構、位置傳感器和電路部分；其特徵在於機箱內的光學結構含有半導體雷射器(15)、雙向運用的主擴束鏡(20)、次擴束鏡(16)、45°分束鏡(18)、聚焦透鏡(19)和45°平面反射鏡，其連接關係為，機箱內光學結構在準直軸上順序同軸設置有半導體雷射器(15)、次擴束鏡(16)和主擴束鏡(20)，由半導體雷射器(15)和次擴束鏡(16)構成的準直光源後面還設置有45°分束鏡(18)，45°分束鏡(18)後面設置有主擴束鏡(20)，主擴束鏡(20)與反射靶標(1)對應；45°分束鏡(18)在傳感分支光路上通過設置在右面的聚焦透鏡(19)沿45°平面反射鏡的折轉光路與焦面上的位置傳感器(4)對應；位置傳感器(4)與電路部分相連，電路部分與機箱外的計算機系統相連。
2.根據權利要求1所述的短距精密動態測角儀，其特徵在於所述的光學結構中聚焦透鏡(19)至位置傳感器(4)的折轉光路上設置有45°平面反射鏡(23、21、24)。
專利摘要本實用新型提供一種短距精密動態測角儀，含有主體結構和反射靶標。主體結構包括底部設置有二維角度精調機構的箱體和固定在箱內的光學結構、位置傳感器和電路部分。光學結構中的半導體雷射器與次擴束鏡構成的準直光源後面設置有45°分束鏡，45°分束鏡在準直光路上通過主擴束鏡與機箱外的反射靶標對應，45°分束鏡在傳感分支光路上通過聚焦透鏡及45°平面反射鏡與位置傳感器對應，位置傳感器與電路部分相連，電路部分與機箱外的計算機系統相連。本實用新型設置了雙向運用的擴束鏡，測角靈敏度獲得倍增，探測精度大大提高，等效探測距離不變而實際探測距離縮短。本實用新型體積小、架設方便，可用於大型光機結構微角振動的精密測量。
文檔編號G01B11/26GK2777490SQ20042010561
公開日2006年5月3日 申請日期2004年12月14日 優先權日2004年12月14日
發明者王雁, 馬社, 趙忠傑 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所