[发明专利]一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器（1）、5%反射镜（2）、偏振分光棱镜（4）、衍射光栅（10）以及第一、二反射器（8、12）；在所述双频激光器（1）的光轴后设置5%反射镜（2），所述5%反射镜（2）的反射光轴上设有第一检偏器和第三光电接收器（15）；所述5%反射镜（2）的透射光轴上设有偏振分光棱镜（4）；所述的偏振分光棱镜（4）的透射光轴上且与该光轴垂直设置有衍射光栅（10）；所述衍射光栅（10）的±1级衍射光轴上分别设置有第一反射器（8）和第二反射器（12）；所述的偏振分光棱镜（4）的反射光轴上设有第一50%分光镜（5）；所述第一50%分光镜（5）的透射光轴与所述第一反射器（8）的出射光轴交点处设有第第二50%分光镜（6）；所述第一50%分光镜（5）的反射光轴上设有高反射光镜（7）；所述高反射光镜（7）的反射光轴与所述第二反射器（12）的出射光轴交点处设有第三50%分光镜（13）；所述第二50%分光镜（6）和第三50%分光镜（13）的光轴上分别设有第二、三检偏器和第一、二光电接收器（3、14）。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，所述衍射光栅（10）的两端设置有用以固定衍射光栅（10）的第一固定支架（9）和第二固定支架（11），所述第一固定支架（9）和第二固定支架（11）的下端分别固定第一反射器（8）和第二反射器（12）。

3.根据权利要求2所述的基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，所述衍射光栅（10）被固定在被测对象上，作为敏感元件，第一、二反射器（8、12）通过第一、二固定支架（9、10）被固定以保证与所述衍射光栅（10）相对静止；由衍射光栅（10）和第一、二反射器（8、12）构成一体的目标反射器（102）；由双频激光器（1）、5%反射镜（2）、第一、二、三检偏器和第一、二、三光电接收器（3、14、15），偏振分光棱镜（4）、第一、二、三50%反射镜（5、6、13）和高反射光镜（7）构成测量头（101）。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，所述第一、二反射器（8、12）为斯密特棱镜或高反射镜。

5.一种基于权利要求1-3任意一项所述装置的滚转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）双频激光器（1）发出的光束经过5%分光镜（2）被分成两束光，其中反射光束经第一检偏器和第三光电接收器（15）后被接收，视为参考信号；

2）由5%分光镜（2）出射的透射光束经过偏振分光棱镜（4）后被分成S光和P光；S光经偏振分光棱镜（4）反射后经过第一50%分光镜（5）分为两束，其中透射光束经第二50%反射镜（6）反射后入射到第二检偏器和第一光电接收器（3）被接收，为第二光电接收器（14）的参考光束，其中反射光束经高反射镜（7）和第三50%反射镜（13）反射后入射到第三检偏器和第二光电接收器（14）被接收，为第三光电接收器（15）的参考光束；P光透过偏振分光棱镜（4）正入射到衍射光栅（10）后发生衍射，其中+1级衍射光束经第一反射器（8）反射后，与衍射光栅（10）正交方向出射，透过第二50%反射镜（6）入射到第二检偏器和第一光电接收器（3）被接收，为第二光电接收器（14）的测量光束，同理，其中-1级衍射光束经第二反射器（12）反射后，与衍射光栅（10）正交方向出射，透过第三50%反射镜（13）入射到第三检偏器和第二光电接收器（14）被接收，为第三光电接收器（15）的测量光束；第二光电接收器（14）所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为+1级测量信号，第三光电接收器（15）所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为-1级测量信号；

3）±1级测量信号、参考信号分别经比较器、计数和采集电路最终被计数器计数得数值C₊₁、C_-1和C_R，通过外差技术将测量信号与参考信号进行差值可得ΔC₊₁和ΔC_-1，最终将数据输送至PC机中，再次差值得N，根据衍射光栅的多普勒效应计算出光栅的微小位移S，依据微小位移量S和转角的几何关系α=S/R，求解出被测滚转角α，其中R为滚转半径。