TWI414751B

TWI414751B - 旋轉角度量測系統

Info

Publication number: TWI414751B
Application number: TW99116638A
Authority: TW
Inventors: Yung Cheng Wang; Jui Cheng Lin; Lih Horng Shyu; Chung Ping Chang
Original assignee: Univ Nat Yunlin Sci & Tech
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2013-11-11
Also published as: TW201142238A

Description

旋轉角度量測系統

本發明係關於一種量測系統，尤指一種方便架設且可避免因偏心而造成量測誤差的旋轉角度量測系統。

按，隨著科技的日新月異，在精密工業中對加工精度的要求也越來越高，因此，發展高精度的檢測設備已成為研發的重點，目前，在對於待測物的旋轉軸進行檢測時，主要係藉由一旋轉編碼器對於旋轉軸的位置與速度等進行檢測，進而掌握旋轉軸的加工精度；既有旋轉編碼器雖可將旋轉軸的機械位移轉換為電氣訊號，並將該訊號處理後檢測出旋轉軸的位置與速度，既有旋轉編碼器於組裝時，除了要精準地將其裝設於的旋轉軸上且需避免與水滴或油體相接觸，方可對於待測物旋轉軸進行檢測，然而，既有旋轉編碼器裝設於待測物旋轉軸上時，容易因偏心而造成量測上的誤差，明顯會影響檢測結果之準確度，誠有加以改進之處。

因此，本發明有鑑於既有旋轉編碼器組裝於待測物旋轉軸時，容易因偏心而影響檢測準確度之缺失與不足，特經過不斷的試驗與研究，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明。

本發明主要在於提供一種旋轉角度量測系統，其係透過光學檢測的方式，於組裝時可避免產生偏心的情形，藉以提供一方便架設且可避免因偏心而造成量測誤差的旋轉角度量測系統之目的者。

基於上述目的，本發明之主要技術手段在於提供一種旋轉角度量測系統，其係包含有一光源、一感測組及一訊號處理組，其中：該光源係為一雷射；該感測組係用以接收該雷射且設有一分光鏡、一聚焦透鏡與一楔形鏡，該分光鏡係用以接收該雷射並將其均分為兩道光束，其中一光束係垂直穿過聚焦透鏡的中心點，該楔形鏡係設於一待測物的旋轉軸上，藉以接收經該聚焦透鏡聚焦的雷射，並將其反射回該分光鏡；以及該訊號處理組係用以接收該感測組經反射的雷射且設有一二維位置靈敏檢測器及一訊號處理電路，該二維位置靈敏檢測器係設有一用以接收該雷射經楔形鏡反射並經由該聚焦透鏡與分光鏡而射入該二維位置靈敏檢測器的檢測面上，而該訊號處理電路係與該二維位置靈敏檢測器相電連接，該訊號處理電路係可對於該二維位置靈敏檢測器上相對應光點所輸出的訊號進行處理，即可準確地求得待測物旋轉軸的位置。

進一步，該光源係為一雷射二極體。

再進一步，該楔形鏡係設有一與待測物旋轉軸相結合的聯軸器。

較佳地，該二維位置靈敏檢測器的檢測面係為一4×4公厘的平面。

較佳地，該二維位置靈敏檢測器的解析度可達1微米(μ m)，將其換算為角度感測的解析度約為0.03°。

藉由上述的技術手段，本發明旋轉角度量測系統，主要係藉由二維位置靈敏檢測器，可準確地判斷光點在檢測面上的位置特性，並且利用二維位置靈敏檢測器兩軸向的比值做為角度判斷的參數，使其在各種轉速下皆能進行角度的檢測，相對增加旋轉角度量測系統的穩定性，再則，另外，本發明旋轉角度量測系統可得到解析度0.03°以下的高精度檢測，因此可有效避免因偏心而造成的角度量測誤差，藉以提供一方便架設且可避免因偏心而造成量測誤差的旋轉角度量測系統者。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后，請參閱如第一圖所示，本發明之旋轉角度量測系統，其係包含有一光源(10)、一感測組(20)及一訊號處理組(30)，其中：該光源(10)係為一雷射，較佳地，該光源(10)係為一雷射二極體；該感測組(20)係用以接收該雷射且設有一分光鏡(21)、一聚焦透鏡(22)與一楔形鏡(23)，其中該分光鏡(21)係用以接收該雷射並將其均分為兩道光束，其中一光束係垂直穿過該聚焦透鏡(22)的中心點，該楔形鏡(23)係設於一待測物的旋轉軸(40)上，藉以接收經該聚焦透鏡(22)聚焦的雷射，並將其反射回該分光鏡(21)，較佳地，該楔形鏡(23)係設有一與待測物旋轉軸(40)相結合的聯軸器(231)；以及該訊號處理組(30)係用以接收該感測組(20)經反射的雷射且設有一二維位置靈敏檢測器(31)(TWO-DIMENSION Position Sensitive Detector；2D-PSD)及一訊號處理電路(32)，其中該二維位置靈敏檢測器(31)係設有一用以接收該雷射經楔形鏡(23)反射並經由該聚焦透鏡(22)與分光鏡(21)而射入該二維位置靈敏檢測器(31)的檢測面(311)上，較佳地，該二維位置靈敏檢測器(31)的檢測面(311)係為一4x4公厘(mm)的平面，其解析度可達1微米(μ m)，將其換算為角度感測的解析度約為0.03°(360°÷0.03°=12000 pulses)，而該訊號處理電路(32)係與該二維位置靈敏檢測器(31)相電連接，該訊號處理電路(32)係可對於該二維位置靈敏檢測器(31)上相對應光點所輸出的訊號進行處理，即可準確地求得待測物旋轉軸(40) 的位置。

本發明旋轉角度量測系統於使用時係如第一圖所示，其中該雷射係射入分光鏡(21)中，其中一光束係穿過該聚焦透鏡(22)而射向該楔形鏡(23)，並經由該楔形鏡(23)反射而經過該聚焦透鏡(22)與分光鏡(21)後，使雷射的光點落在該二維位置靈敏檢測器(31)的檢測面(311)上，此時該二維位置靈敏檢測器(31)會感測到雷射的重心位置，設定以該二維位置靈敏檢測器(31)的中心為平面座標的中心位置，則雷射的光點重心會如第二圖所示在某個初始角度上，其中當待測物的旋轉軸(40)轉動則雷射的光點會如第三圖所示，以該二維位置靈敏檢測器(31)的中心為圓心且以R為半徑的方式旋轉，將該二維位置靈敏檢測器(31)所接收到的訊號，透過該訊號處理電路(32)即可知道角度的變化量，其中待測物的旋轉軸(40)如為一移動平台的導螺桿，則可由節距推算出平台的位移量；其中如第一圖所示，由視準儀原理可得到式(1)

其中如第四圖所示為不同各角度與焦距時，光點的工作半徑關係表，可搭配相同尺寸的二維位置靈敏檢測器(31)檢測面(311)進行使用；並且由二維位置靈敏檢測器(31)的原理可得到式 (2)，其中I₁ 、I₂ 、I₃ 、I₄ 為二維位置靈敏檢測器(31)的四個輸出電流，D則為二維位置靈敏檢測器(31)檢測面(311)的寬度：

其中將△x 與△y 的電流訊號透過放大電路而轉換為電壓訊號並傳送至訊號處理組(30)中，再由如第五圖所示之各象限的表示方式：

將方程式(2)中所求出的△x 與△y 待入上述的方程式(3)即可求出角度θ ，若下一時刻的角度為θ ’，則此時間內的角度變化量：△θ (t)=θ '(t)-θ (t) (4)

再將方程式(4)的△θ (t)對時間(t)由量測開始t=0至量測結束t=n進行積分，即可得到量測過程中的總角度變化量：

另外，該訊號處理電路(32)的訊號處理流程係如第六圖所示，透過訊號處理的方式，即可方便地得到旋轉角度量△θ 。

藉由上述的技術手段，本發明旋轉角度量測系統，主要係藉由二維位置靈敏檢測器(31)，可準確地判斷光點在檢測面(311)上的位置特性，並且利用二維位置靈敏檢測器(31)兩軸向的比值做為角度判斷的參數，使其在各種轉速下皆能進行角度的檢測，相對增加旋轉角度量測系統的穩定性，再則，另外，本發明旋轉角度量測系統可得到解析度0.03°以下的高精度檢測，因此可有效避免因偏心而造成的角度量測誤差，藉以提供一方便架設且可避免因偏心而造成量測誤差的旋轉角度量測系統者。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術方案的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術方案內容，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

(10)‧‧‧光源

(20)‧‧‧感測組

(21)‧‧‧分光鏡

(22)‧‧‧聚焦透鏡

(23)‧‧‧楔形鏡

(231)‧‧‧聯軸器

(30)‧‧‧訊號處理組

(31)‧‧‧二維位置靈敏檢測器

(311)‧‧‧檢測面

(32)‧‧‧訊號處理電路

(40)‧‧‧待測物旋轉軸

第一圖係本發明旋轉角度量測系統之操作原理示意圖。

第二圖係本發明二維位置靈敏檢測器之側視示意圖。

第三圖係本發明二維位置靈敏檢測器之操作側視圖。

第四圖係本發明不同各角度與焦距時，光點的工作半徑關係表。

第五圖係本發明二維位置靈敏檢測器上角度運算處理示意圖。

第六圖係本發明訊號處理電路之邏輯關係方塊圖。

(10)．．．光源

(20)．．．感測組

(21)．．．分光鏡

(22)．．．聚焦透鏡

(23)．．．楔形鏡

(231)．．．聯軸器

(30)．．．訊號處理組

(31)．．．二維位置靈敏檢測器

(32)．．．訊號處理電路

(40)．．．待測物旋轉軸

Claims

一種旋轉角度量測系統，其係包含有一光源、一感測組及一訊號處理組，其中：該光源係為一雷射；該感測組係用以接收該雷射且設有一分光鏡、一聚焦透鏡與一楔形鏡，該分光鏡係用以接收該雷射並將其均分為兩道光束，其中一光束係垂直穿過該聚焦透鏡的中心點，該楔形鏡係設於一待測物的旋轉軸上，藉以接收經該聚焦透鏡聚焦的雷射，並將其反射回該分光鏡；以及該訊號處理組係用以接收該感測組經反射的雷射且設有一二維位置靈敏檢測器及一訊號處理電路，該二維位置靈敏檢測器係設有一用以接收該雷射經楔形鏡反射並經由該聚焦透鏡與分光鏡而射入該二維位置靈敏檢測器的檢測面上，將該雷射入射於該檢測面上的光點位置設定為一平面座標的中心，當該楔形鏡隨著待測物旋轉軸轉動時，該雷射的光點係以該中心為圓心進行轉動，而該訊號處理電路係與該二維位置靈敏檢測器相電連接，該訊號處理電路係可對於該二維位置靈敏檢測器上相對應光點所輸出的訊號進行處理，即可準確地求得待測物旋轉軸的位置。
如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度量測系統，其中該光源係為一雷射二極體。
如申請專利範圍第1或2項所述之旋轉角度量測系統，其中該楔形鏡係設有一與待測物旋轉軸相結合的聯軸器。
如申請專利範圍第3項所述之旋轉角度量測系統，其中該二維位置靈敏檢測器的檢測面係為一4×4公厘的平面。
如申請專利範圍第4項所述之旋轉角度量測系統，其中該二維位置靈敏檢測器的解析度可達1微米(μ m)，將其換算為角度感測的解析度約為0.03°。
如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度量測系統，其中該二維位置靈敏檢測器的檢測面係為一4×4公厘的平面。
如申請專利範圍第1項所述之旋轉角度量測系統，其中該二維位置靈敏檢測器的解析度可達1微米(μ m)，將其換算為角度感測的解析度約為0.03°。