專利名稱：機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在微小角度的測(cè)量中，常用的裝置主要有兩類(1)機(jī)械式和電磁式測(cè)角裝置。機(jī)械式測(cè)角裝置主要以多尺度分度盤為代表，從上個(gè)世紀(jì)30年代，美國(guó)GAGC公司研制出第一個(gè)完整的圓分度器件開始到上個(gè)世紀(jì)末，由前蘇聯(lián)考納斯機(jī)床廠制造的角度測(cè)量?jī)x測(cè)量準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到了0.1″。同樣，電磁分度測(cè)量裝置也實(shí)現(xiàn)了較高的分度準(zhǔn)確度，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了1″的數(shù)量級(jí)。機(jī)械式和電磁式測(cè)角裝置的主要缺點(diǎn)是大多為手工測(cè)量，不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，應(yīng)用的范圍受到了限制。
(2)光學(xué)測(cè)角裝置。光學(xué)測(cè)角裝置歷來(lái)以其較高的測(cè)量準(zhǔn)確度受到人們的重視，光學(xué)測(cè)角裝置的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。目前，光學(xué)測(cè)角裝置除光學(xué)分度頭法測(cè)角和多面棱鏡法測(cè)角外，常用的還有光電編碼器法測(cè)角、自準(zhǔn)直法測(cè)角、莫爾條紋法測(cè)角、平行干涉圖法測(cè)角、圓光柵法測(cè)角、光學(xué)內(nèi)反射法測(cè)角、激光干涉法測(cè)角以及環(huán)形激光法測(cè)角等。這些裝置在應(yīng)用于小角度的精密測(cè)量中，達(dá)到了很高的測(cè)量精度。但是，由于光學(xué)儀器往往調(diào)節(jié)復(fù)雜，操作困難，很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、自動(dòng)化測(cè)量，而且在動(dòng)態(tài)測(cè)量的情況下，測(cè)量精度大大降低。
目前，在陀螺轉(zhuǎn)子的繞動(dòng)角測(cè)量中，通常采用的是機(jī)械式測(cè)角裝置，只能進(jìn)行定性的測(cè)量，而不能給出定量的數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子的量化測(cè)量，實(shí)時(shí)測(cè)量出陀螺轉(zhuǎn)子的繞動(dòng)角，且具有較高的測(cè)量精度。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置由激光光源、凹拋物面鏡、反射鏡、位置敏感探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、電源控制電路和計(jì)算機(jī)組成；激光光源按順序依次包括激光器、入口透鏡、入口調(diào)節(jié)光闌、中間透鏡和出射透鏡，它們的光學(xué)主軸在一條直線上，激光光源經(jīng)束腰、發(fā)散后，發(fā)射出單頻的激光束，其光斑直徑大小滿足位置敏感探測(cè)器的分辨率；凹拋物面鏡置于被測(cè)陀螺面上，激光電源發(fā)出的發(fā)散激光束經(jīng)凹拋物面鏡反射后，得到的平行光束入射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射后的光束垂直入射到位置敏感探測(cè)器的光敏面上；位置敏感探測(cè)器將上述光束轉(zhuǎn)換為與光斑在光敏面上的位置一一對(duì)應(yīng)的五路模擬電流信號(hào)；數(shù)據(jù)處理電路將五路模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表位置坐標(biāo)的二路模擬電壓信號(hào)輸出；數(shù)據(jù)采集卡將二路模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字電壓信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中；電源控制電路將220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，分別給激光器提供+5V穩(wěn)壓直流電和位置敏感探測(cè)器提供+15V、-15V的穩(wěn)壓直流電；通過(guò)計(jì)算機(jī)處理由數(shù)據(jù)采集卡輸出的兩路數(shù)字電壓信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出陀螺轉(zhuǎn)子擾動(dòng)角的大小，且計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到電源控制電路。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)(1)本實(shí)用新型使陀螺轉(zhuǎn)子擾動(dòng)角的檢測(cè)從依靠經(jīng)驗(yàn)的手工測(cè)量轉(zhuǎn)到了依靠科學(xué)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量中來(lái)，并大大簡(jiǎn)化了檢測(cè)工藝。
(2)本實(shí)用新型可以動(dòng)態(tài)高精度的測(cè)量出陀螺轉(zhuǎn)子繞動(dòng)角的大小，在+/-10′的范圍內(nèi)，檢測(cè)精度可達(dá)到0.1′。
(3)本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于航空、航天及其他領(lǐng)域的角度、位置的檢測(cè)。


圖1為本實(shí)用新型一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中激光光源的示意圖。
圖3為圖1中電源控制電路一種實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施方式
由圖1～圖2所示，本實(shí)用新型由激光光源1、凹拋物面鏡2、反射鏡3、位置敏感探測(cè)器4、數(shù)據(jù)處理電路5、數(shù)據(jù)采集卡6、電源控制電路7和計(jì)算機(jī)8組成。
激光光源1發(fā)射出高穩(wěn)單頻的發(fā)散激光束，其光斑直徑大小應(yīng)滿足位置敏感探測(cè)器4的分辨率。例如，采用S1880枕形結(jié)構(gòu)二維位置敏感探測(cè)器，其光斑直徑應(yīng)為0.5mm～1mm。激光束最好以傾斜45度角入射到凹拋物面鏡2上，其傾斜角度可以根據(jù)所應(yīng)用的領(lǐng)域不同而改變。
激光光源1按順序依次包括半導(dǎo)體激光器9、入口透鏡10、入口調(diào)節(jié)光闌11、中間透鏡12和出射透鏡13，它們的光學(xué)主軸在一條直線上，為了使到達(dá)反射鏡3上的為平行光束，出射透鏡13和凹拋物面鏡2之間的距離由凹拋物面鏡2的曲率半徑?jīng)Q定。半導(dǎo)體激光器9輸出平行光，經(jīng)過(guò)入口透鏡10和中間透鏡12構(gòu)成的共焦透鏡組，對(duì)激光束進(jìn)行束腰，入口調(diào)節(jié)光闌11調(diào)節(jié)入射光的大小，從中間透鏡12出射的光經(jīng)過(guò)出射透鏡13發(fā)散后，入射到凹拋物面鏡2上。光束壓縮比取決于所選入口透鏡10和中間透鏡12的焦距之比，以保證激光光源1出射光斑的大小滿足位置敏感探測(cè)器4的分辨率。在激光光源1中的出射透鏡13后可設(shè)置錐形出口光闌，減少由于陀螺上凹拋物面鏡2的漫反射光返回光路，造成二次反射，影響系統(tǒng)的精度。
凹拋物面鏡2與被測(cè)陀螺轉(zhuǎn)子相固定，激光電源1發(fā)出的激光束經(jīng)凹拋物面鏡2反射后，得到的平行光束入射到反射鏡3上。凹拋物面鏡2的具體的形狀可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同而發(fā)生改變，但一定是凹面，為的是不讓光束發(fā)散及有很大的掃描范圍，可為拋物面鏡或球面鏡等。
反射鏡3將上述平行光束反射后，垂直入射到位置敏感探測(cè)器4的光敏面上，反射鏡3最好為高平面反射鏡，其表面可鍍金。
位置敏感探測(cè)器4將經(jīng)反射鏡3反射后的光束轉(zhuǎn)換為與光斑在光敏面上的位置一一對(duì)應(yīng)的五路模擬電流信號(hào)。位置敏感探測(cè)器4是一個(gè)光電傳感器。
數(shù)據(jù)處理電路5將五路模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表位置坐標(biāo)的二路模擬電壓信號(hào)輸出，分別為位置敏感探測(cè)器4坐標(biāo)軸上的x、y兩個(gè)方向的位置數(shù)據(jù)，為一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，信號(hào)處理電路5為常規(guī)的信號(hào)處理電路。
數(shù)據(jù)采集卡6將二路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行A/D后，轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字電壓信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)8中，數(shù)據(jù)采集卡6可采用軟件觸發(fā)的可編程的研華PCL-818HD數(shù)據(jù)采集卡或PCL-818HL數(shù)據(jù)采集卡。
電源控制電路7將220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，分別給半導(dǎo)體激光器8提供+5V穩(wěn)壓直流電和位置敏感探測(cè)器4提供+15V、-15V的穩(wěn)壓直流電。
通過(guò)計(jì)算機(jī)8實(shí)時(shí)處理由數(shù)據(jù)采集卡6輸出的兩路數(shù)字電壓信號(hào)，得到光斑在位置敏感探測(cè)器4上的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而計(jì)算出機(jī)械陀螺轉(zhuǎn)子擾動(dòng)角的大小，并實(shí)時(shí)顯示。計(jì)算機(jī)8可以通過(guò)軟件編程輸出控制信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡6輸出到電源控制電路7。
利用VC++6.0編程將與位置有關(guān)的兩路數(shù)字電壓信號(hào)直接畫到一個(gè)二維四象限坐標(biāo)系中，根據(jù)二維四象限坐標(biāo)系中的點(diǎn)的變化，可以實(shí)時(shí)給出位置敏感探測(cè)器4上的點(diǎn)的變化，通過(guò)計(jì)算二維四象限坐標(biāo)系中的兩次點(diǎn)的位置的變化，可以計(jì)算出由于陀螺轉(zhuǎn)子繞動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中由于繞動(dòng)帶來(lái)的偏移量，從而計(jì)算出陀螺轉(zhuǎn)子由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)而帶來(lái)的繞動(dòng)角的大小。系統(tǒng)軟件在WINDOWS操作系統(tǒng)下運(yùn)行，運(yùn)用VC++6.0來(lái)處理分析數(shù)據(jù)并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)上，軟件還完成人機(jī)交換任務(wù)，可以由軟件來(lái)控制測(cè)量的開始和停止，以及對(duì)激光器的電源開關(guān)的控制。
由圖3所示，電源控制電路7的一種接法為數(shù)據(jù)采集卡6的二個(gè)輸出端與第一雙路輸出模塊14的二個(gè)輸入端相接，第一雙路輸出模塊14和第二雙路輸出模塊15相連接，第二雙路輸出模塊15的二個(gè)輸入端接220V交流電源，輸出端+5V接三端穩(wěn)壓模塊16的輸入端a，在另一輸出端OL與三端穩(wěn)壓模塊16的輸入端a之間接電容C1，在該輸出端OL與三端穩(wěn)壓模塊16的輸出端c之間接電容C2，該輸出端OL和三端穩(wěn)壓模塊16的輸出端c連接到半導(dǎo)體激光器9，在三端穩(wěn)壓模塊16的輸入端a與輸出端b之間接二極管D1，電阻R1與二極管D2相并聯(lián)接在三端穩(wěn)壓模塊16的二個(gè)輸出端b、c之間，第二雙路輸出模塊15的二個(gè)輸出端+15V，-15V接位置敏感探測(cè)器4。第一雙路輸出模塊14可采用ZAD-515-WB，第二雙路輸出模塊15可采用ZAD10-15-W，三端穩(wěn)壓模塊16可采用LM317。
權(quán)利要求1.一種機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于由激光光源(1)、凹拋物面鏡(2)、反射鏡(3)、位置敏感探測(cè)器(4)、數(shù)據(jù)處理電路(5)、數(shù)據(jù)采集卡(6)、電源控制電路(7)和計(jì)算機(jī)(8)組成；激光光源(1)按順序依次包括激光器(9)、入口透鏡(10)、入口調(diào)節(jié)光闌(11)、中間透鏡(12)和出射透鏡(13)，它們的光學(xué)主軸在一條直線上，激光光源(1)經(jīng)束腰、發(fā)散后，發(fā)射出單頻的激光束，其光斑直徑大小應(yīng)滿足位置敏感探測(cè)器(4)的分辨率；凹拋物面鏡(2)置于被測(cè)陀螺面上，激光電源(1)發(fā)出的發(fā)散激光束經(jīng)凹拋物面鏡(2)反射后，得到的平行光束入射到反射鏡(3)上，經(jīng)反射鏡(3)反射后的光束垂直入射到位置敏感探測(cè)器(4)的光敏面上；位置敏感探測(cè)器(4)將上述光束轉(zhuǎn)換為與光斑在光敏面上的位置一一對(duì)應(yīng)的五路模擬電流信號(hào)；數(shù)據(jù)處理電路(5)將五路模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為代表位置坐標(biāo)的二路模擬電壓信號(hào)輸出；數(shù)據(jù)采集卡(6)將二路模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路數(shù)字電壓信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)(8)中；電源控制電路(7)將220V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，分別給激光器(8)提供+5V穩(wěn)壓直流電和位置敏感探測(cè)器(4)提供+15V、-15V的穩(wěn)壓直流電；通過(guò)計(jì)算機(jī)(8)處理由數(shù)據(jù)采集卡(6)輸出的兩路數(shù)字電壓信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出陀螺轉(zhuǎn)子擾動(dòng)角的大小，且計(jì)算機(jī)(8)輸出控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(6)輸入到電源控制電路(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于所述電源控制電路(7)的接法為，數(shù)據(jù)采集卡(6)的二個(gè)輸出端與第一雙路輸出模塊(26)的二個(gè)輸入端相接，第一雙路輸出模塊(26)和第二雙路輸出模塊(27)相連接，第二雙路輸出模塊(27)的二個(gè)輸入端接220V交流電源，輸出端+5V接三端穩(wěn)壓模塊(28)的輸入端a，在第二雙路輸出模塊(27)的另一輸出端與三端穩(wěn)壓模塊(28)的輸入端a之間接電容C1，該輸出端與三端穩(wěn)壓模塊(28)的輸出端c之間接電容C2，該輸出端和三端穩(wěn)壓模塊(28)的輸出端c連接到半導(dǎo)體激光器(9)，在三端穩(wěn)壓模塊(28)的輸入端a與輸出端b之間接二極管D1，電阻R1與二極管D2相并聯(lián)接在三端穩(wěn)壓模塊(28)的二個(gè)輸出端b、c之間，第一雙路輸出模塊(26)的二個(gè)輸出端+15V，-15V接位置敏感探測(cè)器(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于在激光光源(1)中的出射透鏡(13)后設(shè)置錐形出口光闌。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種機(jī)械陀螺繞動(dòng)角度動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，該裝置由激光光源、凹拋物面鏡、反射鏡、位置敏感探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、電源控制電路和計(jì)算機(jī)組成。計(jì)算機(jī)處理由數(shù)據(jù)采集卡輸出的兩路數(shù)字電壓信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出陀螺轉(zhuǎn)子擾動(dòng)角的大小，且計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡到電源控制電路，由電源控制電路分別給激光器和位置敏感探測(cè)器提供穩(wěn)壓直流電。本實(shí)用新型使陀螺轉(zhuǎn)子擾動(dòng)角的檢測(cè)從手工測(cè)量轉(zhuǎn)到了依靠科學(xué)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化測(cè)量中來(lái)，并大大簡(jiǎn)化了檢測(cè)工藝；可以動(dòng)態(tài)高精度的測(cè)量出陀螺轉(zhuǎn)子繞動(dòng)角的大小，在+/－10′的范圍內(nèi)，檢測(cè)精度可達(dá)到0.1′；可廣泛應(yīng)用于航空、航天及其他領(lǐng)域的角度、位置的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01D5/12GK2802450SQ200520096778
公開日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者陳培鋒, 王英, 周保玉, 朱明珠, 李超 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)