專利名稱：電光角度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電光角度的測量裝置，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
角度測量是計量科學(xué)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于機械、光學(xué)、航空、航天、航海等領(lǐng)域，目前角度測量分為機械方法、電磁方法和光學(xué)方法三大類。一般從測量準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命來衡量測角裝置性能，另外可根據(jù)應(yīng)用場合和測量精度的要求來選擇測量方法。
機械測角基于機械分度定位原理的圓分度技術(shù)，由于采用了差動技術(shù)，兩不同齒數(shù)的兩件以上的齒盤嚙合后，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(gòu)比較復(fù)雜，難于進一步提高測角精度。
電磁測角技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的新的測角技術(shù)，分為圓磁柵和感應(yīng)同步器兩種。利用了電磁參數(shù)細(xì)分，使儀器分度和測量范圍擴大、分辨率提高，應(yīng)用更加廣泛。用圓磁柵測角時，磁柵和被測件同軸旋轉(zhuǎn)，放磁頭將磁柵上的標(biāo)準(zhǔn)錄磁信號釋放出來，并進行處理。但是磁柵的分度測量準(zhǔn)確度略低于光柵和感應(yīng)同步器；感應(yīng)同步器利用電磁感應(yīng)原理將位移量轉(zhuǎn)換為電信號，以數(shù)字脈沖形式輸出基準(zhǔn)量。對于圓感應(yīng)同步器來講，轉(zhuǎn)子和定子繞組的直徑越大，電磁耦合度越大，測角準(zhǔn)確度越高，與機械測角技術(shù)的多齒盤類似，具有平均效應(yīng)。電磁測角方法的測量精度可達幾秒量級。
光學(xué)測角方法與以上兩種測角方法比較，具有更高的準(zhǔn)確度，更易于細(xì)分。分為光學(xué)分度頭、正多面棱體、圓光柵、環(huán)形激光器、激光干涉測角等，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(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對工作環(huán)境要求很高，在工作和檢測現(xiàn)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(xiàn)角度實時檢測和方位信息的傳遞。在衛(wèi)星發(fā)射，地對空、空對空導(dǎo)彈發(fā)射等場合，要求實時監(jiān)測相距一定距離的發(fā)射和接收兩個平臺同軸相對旋轉(zhuǎn)的角度，借助發(fā)射和接收兩個平臺同軸相對旋轉(zhuǎn)角和相應(yīng)光反射鏡，實現(xiàn)垂直方位信息傳遞。這用已有測角技術(shù)都難于實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決以上提出和討論的問題，解決實時監(jiān)測相距一定距離的發(fā)射和接收兩個平臺同軸相對旋轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)秒級測角精度，并且使角度測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊，抗震動，能夠長期穩(wěn)定工作。
本發(fā)明的技術(shù)方案為本測量裝置由發(fā)射部分、接收部分和電控部分三部分構(gòu)成。發(fā)射部分依次由半導(dǎo)體激光器(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(gòu)成，半導(dǎo)體激光器(1)、光柵(2)、構(gòu)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，并將加載電信號后的光束傳給1/4波片；接收部分由偏振分光器(10)和兩個光探測器(11)構(gòu)成，發(fā)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(fā)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(qū)動電源(6)、 電信號源(7)、 電信號放大器(8)和鎖相放大器(12)構(gòu)成，驅(qū)動電源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器(1)，電信號源產(chǎn)生的電信號分為兩路，一路經(jīng)過電信號放大器(8)放大后，加載到發(fā)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端口，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(dǎo)體激光器為光源，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(diào)信息，用差分放大技術(shù)處理所得到的電信號。
電光角度測量裝置的發(fā)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(zhuǎn)動，當(dāng)達到要求位置后加以固定，它的作用是發(fā)射一束載有角度信息的調(diào)制光波；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(fā)射部分發(fā)出的調(diào)制光波進行解調(diào)；電控部分的驅(qū)動電源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，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(shù)最終給出發(fā)射和接收兩部分的同軸旋轉(zhuǎn)角度信號。
本發(fā)明的有益效果是解決了實時監(jiān)測相距一定距離(0.5米到3米)的發(fā)射和接收兩個平臺同軸相對旋轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)了秒級測角精度(2.5″)，并且使角度測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊，抗震動，能夠長期穩(wěn)定工作。


圖1電光角度測量裝置結(jié)構(gòu)示意中1為半導(dǎo)體激光器 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(qū)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(jié)合附圖對本發(fā)明進行具體說明電光角度測量裝置由發(fā)射部分、接收部分和電控部分三部分構(gòu)成；發(fā)射部分依次由半導(dǎo)體激光器(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(gòu)成，半導(dǎo)體激光器(1)、光柵(2)、構(gòu)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，并將加載電信號后的光束傳給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(gòu)成，發(fā)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(fā)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(qū)動電源(6)、電信號源(7)、電信號放大器(8)和鎖相放大器(12)構(gòu)成，驅(qū)動電源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，電信號源產(chǎn)生的電信號分為兩路，一路經(jīng)過電信號放大器放大后，加載到發(fā)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端口，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(dǎo)體激光器為光源，光柵外腔半導(dǎo)體激光器光源(1，2)輸出窄線寬、光強穩(wěn)定的準(zhǔn)直光束，驅(qū)動電源(6)用高精度穩(wěn)流電流驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，用半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電二極管檢測光輸出功率，通過電流負(fù)反饋穩(wěn)定光源輸出的單縱模激光強度。
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(yīng)軸方向平行，從而將發(fā)射部分的旋轉(zhuǎn)角度信息加載到了光波上。
偏振分光器和光探測器解調(diào)信息，偏振分光器的光軸方向分別與晶體的電感應(yīng)軸方向平行，用兩個光探測器分別測量兩束光波，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。差分放大技術(shù)處理所得到的電信號是用放大器進行差分放大，并濾掉由于器件定位誤差產(chǎn)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。它采用了本發(fā)明開發(fā)的緊湊光柵外腔半導(dǎo)體激光器作光源，通過鈮酸鋰電光晶體將旋轉(zhuǎn)角度信息加載在光波上，信號解調(diào)用了渥拉斯頓棱鏡的偏振分光作用和鎖相差分放大技術(shù)。圖中1為650nm半導(dǎo)體激光器，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(dǎo)體激光線寬0.06nm，功率大于2mw；4為起偏器，5為4×5×10mm3的鈮酸鋰電光晶體，6為半導(dǎo)體激光器驅(qū)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渥拉斯頓棱鏡，11為兩個硅光電池，12為鎖相放大器。
通過機械加工精度保證半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光束平行發(fā)射圓筒軸線方向，將光柵的一級衍射光反射回半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)，形成腔外弱反饋，使激光器單縱模運轉(zhuǎn)。光柵的0級衍射光，經(jīng)反射鏡反射后，沿發(fā)射圓筒軸線向前傳播。半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動源采用高精度穩(wěn)流電源，并用半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電二極管檢測光輸出功率，通過電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出的單縱模激光強度。
調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)1/4波片的快慢軸使其分別與晶體電感應(yīng)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棱鏡分開的兩光束，并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。通過鎖相放大器差分放大，濾掉由于器件定位誤差產(chǎn)生的直流和諧波電信號。放大器的最小輸出(接近零)對應(yīng)發(fā)射和接收平臺相對0°旋轉(zhuǎn)角，即無相對轉(zhuǎn)動。放大器的輸出信號大小與發(fā)射和接收平臺的相對轉(zhuǎn)角成正比(在±5°范圍內(nèi))，從兩路電信號的相位可確定發(fā)射和接收平臺相對轉(zhuǎn)動的方向。
當(dāng)信號源接收部分相對于發(fā)射部分在±5°之間轉(zhuǎn)動時，鎖相放大器輸出電壓Δv隨轉(zhuǎn)角θ變化關(guān)系如下表。實驗中，小角度的測量采用了經(jīng)緯儀(每次轉(zhuǎn)動2.5″)。當(dāng)轉(zhuǎn)角固定時，鎖相放大器輸出信號抖動為±0.8μv，每轉(zhuǎn)動2.5″輸出信號平均改變4μv。
實測數(shù)據(jù)表

權(quán)利要求
1.一種電光角度測量裝置，其特征在于它由發(fā)射部分、接收部分和電控部分三部分構(gòu)成；發(fā)射部分依次由半導(dǎo)體激光器(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(gòu)成，半導(dǎo)體激光器(1)、光柵(2)、構(gòu)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，并將加載電信號后的光束傳給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(gòu)成，發(fā)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(fā)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(qū)動電源(6)、電信號源(7)、電信號放大器(8)和鎖相放大器(12)構(gòu)成，驅(qū)動電源驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，電信號源產(chǎn)生的電信號分為兩路，一路經(jīng)過電信號放大器放大后，加載到發(fā)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端口，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(jù)權(quán)利要求1所述的電光角度測量裝置，其特征在于所述的光源(1、2)是光柵外腔半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光角度測量裝置，其特征在于所述的電光晶體(5)為鈮酸鋰晶體，電光晶體和1/4(9)波片采用平動方法固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光角度測量裝置，其特征在于所述的電控部分中的鎖相放大器(12)采用了差分放大技術(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光角度測量裝置的測量方法，其特征在于光柵外腔半導(dǎo)體激光器為光源，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(diào)信息，差分放大技術(shù)處理得到電信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電光角度測量裝置的測量方法，其特征在于所述的光柵外腔半導(dǎo)體激光器光源(1，2)輸出窄線寬、光強穩(wěn)定的準(zhǔn)直光束，驅(qū)動器(6)用高精度穩(wěn)流電流驅(qū)動半導(dǎo)體激光器，用半導(dǎo)體激光器內(nèi)部的光電二極管檢測光輸出功率，通過電流負(fù)反饋穩(wěn)定輸出的單縱模激光強度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電光角度測量裝置的測量方法，其特征在于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(yīng)軸方向平行，從而將發(fā)射部分的旋轉(zhuǎn)角度信息加載到了光波上。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電光角度信息傳遞裝置的測量方法，其特征在于所述的偏振分光器(10)和光探測器(11)解調(diào)信息是偏振分光器的光軸方向分別與晶體的電感應(yīng)軸方向平行，用兩個光探測器分別測量兩束光波，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電光角度信息傳遞裝置的測量方法，其特征在于所述的差分放大技術(shù)處理所得到的電信號是用放大器(8)進行差分放大，并濾掉由于器件定位誤差產(chǎn)生的直流和諧波電信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電光角度信息傳遞裝置的測量方法，其特征在于包括下述步驟1)啟動驅(qū)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(diào)節(jié)發(fā)射接收兩部分使其同軸并測量它們之間的轉(zhuǎn)角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電光角度的測量裝置，屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域。角度測量分為機械、電磁和光學(xué)方法三大類。幾種方法都可以測量，但是，不能實現(xiàn)角度實時檢測和方位信息的傳遞。本發(fā)明的目的是解決實時監(jiān)測相距一定距離的發(fā)射和接收兩個平臺同軸相對旋轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)秒級測角精度，本發(fā)明的技術(shù)方案為測量裝置由發(fā)射、接收和電控三部分構(gòu)成。光柵外腔半導(dǎo)體激光器為光源，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(diào)信息，用差分放大技術(shù)處理所得到的電信號。本發(fā)明的有益效果解決了實時監(jiān)測相距一定距離(0.5米到3米)的發(fā)射和接收兩個平臺同軸相對旋轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)了秒級測角精度(2.5″)，并且使角度測量裝置結(jié)構(gòu)緊湊，抗震動，長期穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者呂福云, 盛秋琴, 郭文剛, 范宇, 羅紹均, 李春雷 申請人:南開大學(xué)