双正交平面镜内入射型角度传感测量装置及方法

摘要

本分案申请涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种双正交平面镜内入射型角度传感测量装置及方法，该系统包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；所述传感单元包括第一转盘、第二转盘、传动杆、相交平面镜；所述第一转盘和第二转盘通过传动杆同步转动。本装置结构简单、体积小、成本低，能够实现非接触实时高精度测量，传感单元为无源光学传感器,本身无需供电，并且测试装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便。

权利要求

1.一种双正交平面镜内入射型角度传感测量装置，其特征在于：包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号处理单元；

所述传感单元包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二传动杆、第三传动杆；

所述第一转盘和第二转盘通过T型传动支架同步转动；

所述T型传动支架包括水平设置且相互垂直的第一传动杆和支撑杆，所述第一传动杆两端分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述第一传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘圆心的连接线，所述支撑杆的中部连接于第二连接柱上；所述第一相交平面镜包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角为90°；所述第二相交平面镜包括第三平面镜和第四平面镜，所述第三平面镜的一侧与第四平面镜的一侧相连且第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角为90°；

所述第一平面镜与第二平面镜的连接边和所述第三平面镜与第四平面镜的连接边分别与支撑杆的两端相连，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线和第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角的角平分线均与支撑杆垂直，所述第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜的镜面均背离第一传动杆；所述第一反射镜设于第一平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第一反射镜通过第二传动杆与第一平面镜固定连接；所述第二反射镜设于第四平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第二反射镜通过第三传动杆与第四平面镜固定连接；

所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构，所述振动目标位于第三平面镜前方且振动面与第三平面镜镜面的夹角为45°，所述振动目标底部固定于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；

所述多纵模激光器出射激光光束到第二平面镜上且激光光束与第二平面镜镜面的夹角为45°；

所述分束器设于多纵模激光器与第二平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、放大、滤波；

所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的第一转盘和第二转盘的转动角度。

2.根据权利要求1所述的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置，其特征在于：所述多纵模激光器和分束器之间还设有光衰减器。

3.根据权利要求1所述的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置，其特征在于：所述滑动装置包括滑轨及设于滑轨上的滑块，振动目标底部固定于滑块上；滑轨与出射激光处于同一直线上。

4.根据权利要求1所述的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置，其特征在于：所述反射结构为反射平面镜或者反射膜。

5.根据权利要求1所述的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置，其特征在于：所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

6.基于权利要求1所述的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置的角度测量方法，其特征在于：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束经传感单元入射到振动目标上，出射激光经反射结构反射后，沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的转盘转动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度，具体测量分析方法如下：对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I0为初始光强，ΔIj为j模式激光光强变化的幅值，φtj为j模式激光在外腔往返一周的相位，k0j为真空中j模式的波数，opt(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：式(2)中φ0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφsj为转盘转动角度引起的传感单元相位变化，δφcj为补偿相位变化，测量角度时，δφsj＝-δφcj，op0为激光器外腔初始光程，δops为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δopc为补偿光程，nc为外腔空气折射率，其值为1，ns为传感单元的折射率，其值为定值，Ls为激光在传感单元中传输的实际路径的总几何长度，Lc为补偿长度；

式(3)中ω0为激光的角频率，c为真空中的光速，ng为激光器谐振腔介质群折射率，L0为激光器谐振腔腔长；

将式(3)代入式(1)得：

如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

φtj＝k0jopt＝2mk0jngL0＝mφgj   式(5)即：

opt＝2mngL0      式(6)式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φgj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波形分立，从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导致各个模式的φtj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφcj，进而获得转盘转动角度引起的传感单元相位变化δφsj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφsj的关系如下式所示：

式(7)中 为传感单元中外界光程随角度变化系数，Ls0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，ns0为传感单元材料折射率；

利用补偿相位并结合传感单元材料折射率ns0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度Ls0、传感单元中外界光程随角度变化系数 进行计算，可得传感单元中转盘的转动角度。

说明书

双正交平面镜内入射型角度传感测量装置及方法

[0001] 本申请为申请号201810481300.4、申请日2018年5月18日、发明名称“基于多纵模自混合效应的角度传感测量装置及方法”的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种双正交平面镜内入射型角度传感测量装置及方法。

背景技术

[0003] 角度测量技术作为计量技术的重要组成部分，随着科学技术的不断发展，角度测量技术已被广泛应用于光机电一体化、航空航天、军事国防等技术领域。

[0004] 角度测量技术主要包括机械式角度测量技术、电磁式角度测量技术和光学式角度测量技术。而在光学式角度测量技术中，基于激光自混合理论的干涉测角技术因具有单光
路结构、自准直等优点逐渐成为高精度角度测量的重要研究对象。但目前已有的基于激光
自混合理论的角度测量装置，只能实现动态角度测量，无法在需要进行固定角度测量和定
量测量的测量场合应用。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于多纵模自混合效应的，能够实现固定角度测量和定量测量的角度传感测量装置及方法

[0006] 为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：

[0007] 一种基于多纵模自混合效应的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置，包括多纵模激光器、传感单元、振动目标、滑动装置、分束器、光电探测器、信号预处理单元和信号
处理单元；

[0008] 所述传感单元包括第一转盘、第二转盘、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜、第二反射镜、第二传动杆、第三传动杆；

[0009] 所述第一转盘和第二转盘通过T型传动支架同步转动；

[0010] 所述T型传动支架包括水平设置且相互垂直的第一传动杆和支撑杆，所述第一传动杆两端分别连接有第一连接柱和第二连接柱，所述第一连接柱底部和第二连接柱底部分
别通过轴承设于第一转盘和第二转盘上，所述第一传动杆平行于第一转盘圆心与第二转盘
圆心的连接线，所述支撑杆的中部连接于第二连接柱上；所述第一相交平面镜包括第一平
面镜和第二平面镜，所述第一平面镜的一侧与第二平面镜的一侧相连且第一平面镜镜面与
第二平面镜镜面的夹角为90°；所述第二相交平面镜包括第三平面镜和第四平面镜，所述第
三平面镜的一侧与第四平面镜的一侧相连且第三平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角为
90°；所述第一平面镜与第二平面镜的连接边和所述第三平面镜与第四平面镜的连接边分
别与支撑杆的两端相连，所述第一平面镜镜面与第二平面镜镜面的夹角的角平分线和第三
平面镜镜面与第四平面镜镜面的夹角的角平分线均与支撑杆垂直，所述第一平面镜、第二
平面镜、第三平面镜和第四平面镜的镜面均背离第一传动杆；所述第一反射镜设于第一平
面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第一反射镜通过第二传动杆与第一平面镜固定连
接；所述第二反射镜设于第四平面镜前方且两者镜面的夹角为90°，所述第二反射镜通过第
三传动杆与第四平面镜固定连接；

[0011] 所述振动目标能够发生振动，且振动目标的振动面附着有反射结构，所述振动目标位于第三平面镜前方且振动面与第三平面镜镜面的夹角为45°，所述振动目标底部固定
于滑动装置上，通过调节滑动装置能够使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前
后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；

[0012] 所述多纵模激光器出射激光光束到第二平面镜上且激光光束与第二平面镜镜面的夹角为45°；

[0013] 所述分束器设于多纵模激光器与第二平面镜之间，用于将激光光束分束到光电探测器上；

[0014] 所述光电探测器用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到信号预处理单元；

[0015] 所述信号预处理单元用于对接收到的电信号进行预处理，所述预处理至少包括整形、放大、滤波；

[0016] 所述信号处理单元用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的第一转盘和第二转盘的转动角度。

[0017] 作为改进，所述多纵模激光器和分束器之间还设有光衰减器。

[0018] 作为改进，所述滑动装置包括滑轨及设于滑轨上的滑块，振动目标底部固定于滑块上；滑轨与出射激光处于同一直线上；

[0019] 作为改进，所述反射结构为反射平面镜或者反射膜。

[0020] 作为改进，所述振动目标为由信号发生器驱动的扬声器或者压电陶瓷。

[0021] 基于上述基于多纵模自混合效应的双正交平面镜内入射型角度传感测量装置的角度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束经传感单元入射到振
动目标上，出射激光经反射结构反射后，沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光自
混合信号，上述过程中，传感单元中的转盘转动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过
调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射
到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光
程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不
同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行
预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单
元中转盘的转动角度，具体测量分析方法如下：

[0022] 对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉
混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

[0023]

[0024] 式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I0为初始光强，ΔIj为j模式激光光强变化的幅值，φtj为j模式激光在外腔往返一周的相
位，k0j为真空中j模式的波数，opt(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共
轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

[0025] 当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

[0026]式(2)中φ0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφsj为转盘转动角度引起的传
感单元相位变化，δφcj为补偿相位变化，测量角度时，δφsj＝-δφcj，op0为激光器外腔初始
光程，δops为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δopc为补偿光程，nc为外腔空气折射
率，其值为1，ns为传感单元的折射率，其值为定值，Ls为激光在传感单元中传输的实际路径
的总几何长度，Lc为补偿长度；

[0027]

[0028] 式(3)中ω0为激光的角频率，c为真空中的光速，ng为激光器谐振腔介质群折射率，L0为激光器谐振腔腔长；

[0029] 将式(3)代入式(1)得：

[0030]

[0031] 如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

[0032] φtj＝k0jopt＝2mk0jngL0＝mφgj         式(5)

[0033] 即：

[0034] opt＝2mngL0                    式(6)

[0035] 式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φgj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波
形分立。从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导
致各个模式的φtj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，
此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号
波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφcj，进而获得转盘
转动角度引起的传感单元相位变化δφsj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφsj
的关系如下式所示：

[0036]

[0037] 式(7)中 为传感单元中外界光程随角度变化系数，Ls0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，ns0为传感单元材料折射率；

[0038] 利用补偿相位并结合传感单元材料折射率ns0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度Ls0、传感单元中外界光程随角度变化系数 进行计算，可得传感单
元中转盘的转动角度。

[0039] 从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：

[0040] 1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

[0041] 2.测试装置体积较小，成本较低；

[0042] 3.能够实现非接触实时高精度测量；

[0043] 4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

[0044] 5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率。

附图说明

[0045] 图1是本发明实施例1的结构示意图；

[0046] 图2是本发明实施例1的结构示意图；

[0047] 图3是本发明实施例1的任意角度相交平面镜光路结构示意图；

[0048] 图4是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

[0049] 图5是本发明实施例1的仿真模拟结果示意图；

[0050] 图6是本发明实施例2的结构示意图；

[0051] 图7是本发明实施例2的结构示意图；

[0052] 图8是本发明实施例2中单正交平面镜光路结构示意图；

[0053] 图9是本发明实施例2中双正交平面镜光路结构示意图；

[0054] 图10是本发明实施例2的仿真模拟结果示意图。

具体实施方式

[0055] 结合图1至图5，详细说明本发明的实施例1，但不对本发明的权利要求做任何限定。

[0056] 如图1所示，一种基于多纵模自混合效应的角度传感测量装置，包括多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分束器5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理
单元8；传感单元2包括第一转盘211、第二转盘212、传动杆213、相交平面镜214，第一转盘
211和第二转盘212通过传动杆213同步转动，传动杆213两端端部分别连接有第一连接柱
215和第二连接柱216，第一连接柱215底部和第二连接柱216底部分别通过轴承设于第一转
盘211和第二转盘212上，传动杆213平行于第一转盘211圆心与第二转盘212圆心的连接线，
相交平面镜214包括镜面相向的第一平面镜2141和第二平面镜2142，所述第一平面镜2141
的一侧与第二平面镜2142的一侧相连且二者的连接边连接于第二连接柱216上，所述第一
平面镜2141和第二平面镜2142的镜面均背离传动杆213，第一平面镜2141镜面与第二平面
镜2142镜面的夹角的角平分线与传动杆213位于同一直线上，所述第一平面镜2141镜面与
第二平面镜2142镜面的夹角记为α，α的取值范围为：0°<α<180°；振动目标3能够发生振动，
且振动目标3的振动面附着有反射结构，振动目标3设于第二平面镜2142外侧且振动面与第
一平面镜2141镜面的夹角等于 振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4
能够使振动目标3沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动
面的激光光束在移动过程中始终保持垂直；多纵模激光器1出射激光光束到第二平面镜
2142上且激光光束与第二平面镜2142镜面的夹角为 多纵模激光器1出射激光光束
与经过第二平面镜2142反射后的激光光束形成的夹角等于α，多纵模激光器出射激光光束
与振动目标振动面的夹角等于 分束器5设于多纵模激光器1与第二平面镜2142之
间，用于将激光光束分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为
电信号后发送到信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，
预处理至少包括整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，
获得被测的第一转盘211和第二转盘212的转动角度。

[0057] 基于上述测量装置的角度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束到第二平面镜上，然后反射到第一平面镜上，再反射到振动目标上，入射到振动目
标的激光光束由反射结构反射，反射的光束沿原路反馈回多纵模激光器谐振腔内形成激光
自混合信号，上述过程中，传感单元中的任一转盘转动(基于传动杆的设置使得第一转盘和
第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，传动杆带动另外一个转盘同步转动)，带
动相交平面镜水平移动，导致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目
标沿入射到振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在
移动过程中始终保持垂直，以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在
不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的
激光自混合信号，然后利用信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号
处理单元对预处理后的激光自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度，
具体测量分析方法如下：

[0058] 对于多纵模激光器的激光自混合信号，激光器不同纵模仅和自身模式发生干涉，最终形成的激光器自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号强度叠加，根据相关干涉
混频理论模型，在不考虑散斑影响条件下，获得多纵模激光器自混合信号强度：

[0059]

[0060] 式(1)中β为多纵模激光器中总的起振模式个数，j表示激光器中第j个纵模模式,I0为初始光强，ΔIj为j模式激光光强变化的幅值，φtj为j模式激光在外腔往返一周的相
位，k0j为真空中j模式的波数，opt(t)为激光器实时外腔总光程，c.c.表示前面公式的复共
轭,计算中，不同纵模在同种材料中所引起的折射率改变可忽略不计；

[0061] 当传感单元相位发生变化时，外腔总相位关系如下所示：

[0062]

[0063] 式(2)中φ0j为j模式激光在外腔往返一周的初始相位，δφsj为转盘转动角度引起的传感单元相位变化，δφcj为补偿相位变化，测量角度时，δφsj＝-δφcj，op0为激光器外腔
初始光程，δops为转盘转动角度引起的传感单元光程变化，δopc为补偿光程，nc为外腔空气
折射率，其值为1，ns为传感单元的折射率，其值为定值，Ls为激光在传感单元中传输的实际
路径的总几何长度，Lc为补偿长度；

[0064]

[0065] 式(3)中ω0为激光的角频率，c为真空中的光速，ng为激光器谐振腔介质群折射率，L0为激光器谐振腔腔长；

[0066] 将式(3)代入式(1)得：

[0067]

[0068] 如果不同模式激光自混合信号叠加不存在波形分立，需各个模式波形保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍：

[0069] φtj＝k0jopt＝2mk0jngL0＝mφgj           式(5)

[0070] 即：

[0071] opt＝2mngL0                    式(6)

[0072] 式(5)中m为激光器的外腔模式级数，为正整数，φgj为激光在激光器谐振腔内往返一周的相位，因此激光器存在一系列的特殊位置点，使叠加后的激光自混合信号不产生波
形分立。从式(5)可知，当转盘转动一定角度时，光在传感单元传输时的相位会发生改变，导
致各个模式的φtj发生变化，使m值不再是整数，叠加后的激光自混合信号波形将发生分立，
此时，通过调节滑动装置，改变振动目标位置来补偿相位变化，使叠加后的激光自混合信号
波形重新变为完整波形，再通过测量振动目标位置得到补偿相位变化δφcj，进而获得转盘
转动角度引起的传感单元相位变化δφsj，这里，转盘转动角度引起传感单元相位变化δφsj
的关系如下式所示：

[0073]

[0074] 式(7)中 为传感单元中外界光程随角度变化系数，Ls0为激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度，ns0为传感单元材料折射率；

[0075] 利用补偿相位并结合传感单元材料折射率ns0、激光在传感单元中传输的实际路径的总的初始几何长度Ls0、传感单元中外界光程随角度变化系数 进行计算，可得传感单
元中转盘的转动角度。

[0076] 由式(7)可进一步获得角度传感器外腔变化灵敏度SmLc和邻级角度差Δθm。其中，外腔变化灵敏度SmLc是指单位角度变化引起的补偿外腔长度变化，邻级角度差Δθm是指角
度θ2(变化后)引起的外腔等相位点位置(m+1级)与角度θ1(变化前)外腔等相位点位置(m级)
所对应的邻级角度差值。一般而言，在角度测量过程中，如果连续两次测量间隔中的测量角
度差大于邻级角度差Δθm，须记录连续两次测量间隔中自混合信号波形变化周期数即m值
的改变量，通过调节补偿外腔长度，使激光自混合信号波形恢复到第m级对应的信号波形重
合位置。

[0077] 式(8)和(9)分别为外腔变化灵敏度SmLc和邻级角度差Δθm表达式：

[0078]

[0079]

[0080] 上述测量分析方法中，传感单元外界光程与角度变化的关系的分析方法如下：

[0081] 如图2所示，起始位置O2V(即第二转盘圆心O2与相交平面镜定点V的连线)与y轴平行，当第一转盘1旋转角度为θ时 第二转盘2将旋转相同角度，传动杆始终与
x轴平行以保证相交平面镜在垂直方向不发生偏移，只在xy面内产生平动。旋转后，第一平
面镜和第二平面镜均保持相交，并发生偏移，激光器1由A点发出激光，且在整个旋转过程
中，激光器1位置始终保持在A点，经多次平面镜和反射镜反射后光线从D点沿原路返回，其
中，第一转盘和第二转盘的半径均为R。

[0082] 基于以上具有单相交平面镜的角度测量系统，为理论计算其光程变化，建立如图3所示的单个任意夹角相交平面镜结构图，相交平面镜顶点V1旋转后到达V2，原光路AB1C1D1变
为AB2C2D2，可推导光程差如下：

[0083]

[0084] 其中， 经几何推导得：

[0085]

[0086] 角度变化引起的光程差可表示为：

[0087]

[0088] 代入公式(7)可得：

[0089]

[0090] 结合公式(12)可知，光程差与两镜面夹角α、转盘旋转角度θ相关，为简化方程采用特殊镜面夹角化简如下：

[0091] (1)当两镜面夹角α为90°，即两镜面垂直时，可得到光程差：

[0092] ΔL＝-4Rsinθ                    (14)

[0093] 此时，将式(14)代入公式(7)、(8)、(9)可得：

[0094] δφsj＝k0jns0|-4Rsinθ|＝-k0jδ(ncLc)＝-δφcj         (15)

[0095]

[0096]

[0097] 基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用双模LD激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强
度叠加波形。仿真模拟结果如图4所示。从图4可以看出，当角度为0时，此时激光器外腔初始
光程为1050mm,为ngL0的整数倍，m＝1000,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单
元角度增加 时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分
立，此时我们微调补偿外腔长度为18.15mm,此时激光器外腔相位再次成为φg的整数倍，m
＝1000,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单
元角度的变化，实现对传感单元转盘转动角度的测量。

[0098] (2)当镜面夹角α为60°，可得到光程差：

[0099]

[0100] 此时，将式(18)代入公式(7)、(8)、(9)可得：

[0101]

[0102]

[0103]

[0104] 基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用双模LD激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强
度叠加波形。仿真模拟图如图5所示。从图5可以看出，当角度为0时，此时激光器外腔初始光
程为1050mm,为ngL0的整数倍，m＝1000,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感单元
角度增加 时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生分
立，此时我们微调补偿外腔长度为0.28mm,此时激光器外腔相位再次成为φg的整数倍，m＝
1000,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感单元
角度的变化，实现对传感单元转盘转动角度的测量。

[0105] 从上述推导过程可以看出，与传统激光自混合角度测量方法相比，本实施例所述的单个任意角度相交平面镜内入射型自混合角度测量系统及测量方法，角度测量范围不受
限制且系统分辨率较高。

[0106] 从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：

[0107] 1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

[0108] 2.测试装置体积较小，成本较低；

[0109] 3.能够实现非接触实时高精度测量；

[0110] 4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

[0111] 5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率；

[0112] 6.传感单元的结构中：(1)激光光束入射到相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过相交平面镜和振动目标构
成的反射单元，不仅实现了激光自混合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单
元或直角棱镜构成的反射单元，在同样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差
变大，从而提高了系统的测量分辨率和测量范围；(3)测量系统整体结构简单易实现，机械
误差小，第一平面镜与第二平面镜的夹角角度可调，不同角度对应于不同的系统测量分辨
率，可根据实际需求选择夹角角度。

[0113] 结合图6至图10，详细说明本发明的实施例2，但不对本发明的权利要求做任何限定。

[0114] 如图6所示，一种基于多纵模自混合效应的角度传感测量装置，包括多纵模激光器1、传感单元2、振动目标3、滑动装置4、分束器5、光电探测器6、信号预处理单元7和信号处理
单元8；

[0115] 传感单元2包括第一转盘231、第二转盘232、T型传动支架、第一相交平面镜、第二相交平面镜、第一反射镜236、第二反射镜237、第二传动杆238、第三传动杆239，第一转盘
231和第二转盘232通过T型传动支架233同步转动，T型传动支架包括水平设置且相互垂直
的第一传动杆2331和支撑杆2332，第一传动杆2331两端分别连接有第一连接柱240和第二
连接柱241，第一连接柱240底部和第二连接柱241底部分别通过轴承设于第一转盘231和第
二转盘232上，第一传动杆2331平行于第一转盘231圆心与第二转盘232圆心的连接线，支撑
杆2332的中部连接于第二连接柱241上；第一相交平面镜包括第一平面镜2341和第二平面
镜2342，第一平面镜2341的一侧与第二平面镜2342的一侧相连且第一平面镜2341镜面与第
二平面镜2342镜面的夹角为90°；第二相交平面镜包括第三平面镜2351和第四平面镜2352，
第三平面镜2351的一侧与第四平面镜2352的一侧相连且第三平面镜2351镜面与第四平面
镜2352镜面的夹角为90°，第一平面镜2341与第二平面镜2342的连接边和第三平面镜2351
与第四平面镜2352的连接边分别与支撑杆2332的两端相连，第一平面镜2341镜面与第二平
面镜2342镜面的夹角的角平分线和第三平面镜2351镜面与第四平面镜2352镜面的夹角的
角平分线均与支撑杆2332垂直，第一平面镜2341、第二平面镜2342、第三平面镜2351和第四
平面镜2352的镜面均背离第一传动杆2331，第一反射镜236设于第一平面镜2341前方且两
者镜面的夹角为90°，第一反射镜236通过第二传动杆238与第一平面镜2341固定连接；第二
反射镜237设于第四平面镜2352前方且两者镜面的夹角为90°，第二反射镜237通过第三传
动杆239与第四平面镜2352固定连接；振动目标3能够发生振动，且振动目标3的振动面附着
有反射结构，振动目标3位于第三平面镜2351前方且振动面与第三平面镜2351镜面的夹角
为45°，振动目标3底部固定于滑动装置4上，通过调节滑动装置4能够使振动目标3沿入射到
振动面的激光光束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中
始终保持垂直；多纵模激光器1出射激光光束到第二平面镜2342上且激光光束与第二平面
镜2342镜面的夹角为45°；分束器5设于多纵模激光器1与第二平面镜2342之间，用于将激光
光束分束到光电探测器6上；光电探测器6用于将接收到的激光信号转化为电信号后发送到
信号预处理单元7；信号预处理单元7用于对接收到的电信号进行预处理，预处理至少包括
整形、放大、滤波；信号处理单元8用于对预处理后的电信号进行分析处理，获得被测的第一
转盘和第二转盘的转动角度。

[0116] 基于上述测量装置的角度测量方法为：振动目标发生振动，多纵模激光器出射的激光光束以45°角入射到第二平面镜，经第一平面镜反射到第一反射镜，第一反射镜将激光
光束反射到第二反射镜后由第二反射镜反射到第四平面镜，入射到第四平面镜的激光光束
方向与激光器出射激光光束方向相同且与第四平面镜的夹角为45°，激光光束经相互垂直
的第四平面镜和第三平面镜依次反射后以90°角入射到振动目标上，入射到振动目标的激
光光束与激光器出射激光光束方向相反并由反射结构反射，反射的光束沿原路反馈回多纵
模激光器谐振腔内形成激光自混合信号，上述过程中，传感单元中的任一转盘转动(基于T
型传动支架的设置使得第一转盘和第二转盘能够同步转动，当任意一个转盘转动时，T型传
动支架带动另外一个转盘同步转动)，带动第一相交平面镜和第二相交平面镜水平移动，导
致激光自混合信号波形发生改变，通过调节滑动装置使振动目标沿入射到振动面的激光光
束方向发生前后移动，且振动面与入射到振动面的激光光束在移动过程中始终保持垂直，
以改变振动目标距离多纵模激光器的光程，从而形成所需的在不同激光器外腔长度下的激
光自混合信号，利用光电探测器采集不同激光器外腔长度下的激光自混合信号，然后利用
信号预处理单元对激光自混合信号进行预处理，最后利用信号处理单元对预处理后的激光
自混合信号进行分析，即可得出传感单元中转盘的转动角度。

[0117] 本实施的具体测量分析方法与实施例1中的测量分析方法相同，参见公式(1)到公式(9)的分析过程，本实施例与实施例1的区别仅在于传感单元的具体结构不同，进而使得
本实施例中传感单元外界光程与角度变化的关系与实施例1中的关系不同。

[0118] 本实施例中，传感单元外界光程与角度变化的关系的分析方法如下：

[0119] 如图7所示，起始位置P1P2(第一正交平面镜4顶点P1和第二正交平面镜顶点P2的连线)与y轴平行，当第一转盘旋转角度为θ时 第二转盘将旋转相同角度，T型
传动支架始终与x轴平行以保证第一正交平面镜和第二正交平面镜在垂直方向不发生偏
移，只在xy面内产生平动。旋转后，第一平面镜和第二平面镜及第三平面镜和第四平面镜均
保持相互正交，并发生偏移，激光器由A点发出激光，且在整个旋转过程中，激光器位置始终
保持在A点，经多次平面镜和反射镜反射后光线从H点沿原路返回，其中，第一转盘和第二转
盘的半径均为R。其中第一相交平面镜和第二相交平面镜由于夹角为90度，故均为正交平面
镜。

[0120] 基于以上具有双正交平面镜的角度测量系统，为理论计算其光程变化，简化实验装置，建立如图8所示的单正交平面镜的结构图。

[0121] 如图8所示，正交平面镜顶点V1旋转后到达V2，原光路AB1C1D1变为AB2C2D2，可推导光程差如下：

[0122] Δl＝-2(AB1C1D1-AB2C2D2)               (22)

[0123] 经几何推导，角度变化引起的光程差可表示为：

[0124] Δl＝-4Rsinθ                      (23)

[0125] 因此，对于本实施例所述的具有双正交平面镜的角度测量系统，如图9所示，可推算其光程差为：

[0126]

[0127] 此时，将公式(24)代入公式(7)、(8)、(9)可得：

[0128] δφsj＝k0jns0|2R(2sinθ-cosθ+1)|＝-k0jδ(ncLc)＝-δφcj   (25)

[0129]

[0130]

[0131] 基于上述技术方案建立实验装置，实验装置采用双模LD激光器为光源，利用仿真软件进行模拟仿真，为简单起见，我们这里仅考虑幅度相同的双模LD激光自混合信号的强
度叠加波形。仿真模拟结果如图10所示。从图10可以看出，当角度为0时，此时激光器外腔初
始光程为1050mm,为ngL0的整数倍，m＝1000,此时激光自混合信号波形不发生分立。当传感
单元角度增加 时，导致传感单元相位发生微小变动，重叠后的激光自混合信号波形发生
分立，此时我们微调补偿外腔长度为13.34mm,此时激光器外腔相位再次成为φg的整数倍，
m＝1000,叠加后的激光自混合信号波形分立消失，通过测量补偿相位，最终获得相应传感
单元角度的变化，实现对传感单元转盘转动角度的测量。

[0132] 从上述推导过程可以看出，与传统激光自混合角度测量方法相比，本实施例所述的双正交平面镜内入射型激光自混合角度测量系统及测量方法，角度测量范围不受限制且
系统分辨率较高。

[0133] 从以上描述可以看出，本实施例具备以下优点：

[0134] 1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

[0135] 2.测试装置体积较小，成本较低；

[0136] 3.能够实现非接触实时高精度测量；

[0137] 4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

[0138] 5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率；

[0139] 6.传感单元的结构中：(1)激光光束入射到第一相交平面镜时，先入射到内侧的第二平面镜，即采用内入射形式，使得测量系统整体结构紧凑；(2)通过第一正交平面镜、第一
反射镜、第二反射镜、第二正交平面镜和第三反射镜构成的反射单元，不仅实现了激光自混
合信号的自准直而且相比于传统平面镜构成的反射单元或直角棱镜构成的反射单元，在同
样的转动角度下，转动前后，激光自混合信号的光程差变大，从而提高了系统的测量分辨率
和测量范围；(3)测量系统联动装置简单，易于实现；两外部反射镜分开联动可单独控制，不
仅减小了机械加工误差，而且使光路更易准直。

[0140] 上述两种实施例中，测量装置可以做如下优选或者改进：

[0141] 1.优选地，在有两个转盘的实施例中，第一转盘和第二转盘上套接有传动皮带，两个转盘通过传动皮带实现同步转动；

[0142] 2.优选地，滑动装置4包括滑轨41及设于滑轨41上的滑块42，振动目标底部固定于滑块42上；滑轨41与入射到振动目标振动面的激光光束方向处于同一直线上；

[0143] 3.优选地，反射结构可以为反射平面镜，也可以为反射膜等具有散射特性或者反射特性材料；

[0144] 4.优选地，振动目标3可以采用由信号发生器31驱动的扬声器32或者压电陶瓷，图1、图6中的两个扬声器32，分别代表扬声器随滑动装置滑动时滑动前和滑动后的位置；

[0145] 5.优选地，信号处理单元8可以为计算机、示波器或者频谱仪；

[0146] 6.改进地，在多纵模激光器和分束器之间增设有光衰减器218，利用光衰减器218调节激光器接收的反馈光光强，防止反馈光过强或超过激光器损坏阈值，从而进一步保证
测量结果的准确性，光衰减器可以采用位移型衰减器、衰减片型衰减器等类型的光衰减器；

[0147] 7.改进地，多纵模激光器1采用半导体激光器，利用半导体激光器的特点，将光电二极管集成于半导体激光器内实现光电探测器的功能，从而使得整个装置的光路得以简
化，去掉分束器和光电探测器。

[0148] 综上所述，本发明具有以下优点：

[0149] 1.测量装置的传感单元为无源光学传感器,本身无需供电；

[0150] 2.测试装置体积较小，成本较低；

[0151] 3.能够实现非接触实时高精度测量；

[0152] 4.测量装置光路为单光路，受环境干扰小且结构简单、调节光路方便；

[0153] 5.可通过传感单元参数设计及选择不同外腔测量工具调节角度测量灵敏度和分辨率；

[0154] 6.传感单元的光路结构选择多样，可根据具体需求，选择具有相应特点的传感单元。

[0155] 可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行
修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之
内。