[發(fā)明專利]一種基于斯托克斯矢量的光學轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及測量方法

有效

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• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111060711B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設計）人: 陳修國;廖進寶;劉世元
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;孔娜

本發(fā)明屬于光電檢測與測量領域，并公開了一種基于斯托克斯矢量的光學轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及測量方法。該系統(tǒng)包括線偏振光模塊，傳感模塊和超快完全斯托克斯偏振儀，其中，線偏振光模塊發(fā)射線偏振光，傳感模塊包括波片和濾光片，待測對象設置在波片上，待測對象旋轉(zhuǎn)帶動波片旋轉(zhuǎn)，濾光片設置在波片的后方，該濾光片包括左右對稱但光密度不同的兩個部分，來自線偏振光模塊的線偏振光進入旋轉(zhuǎn)的波片后被調(diào)制為橢偏偏振光，該橢偏偏振光進入濾波片對該橢偏偏振光的光強進行衰減；超快完全斯托克斯偏振儀用于獲得偏振光的斯托克斯矢量。通過本發(fā)明，滿足工業(yè)機器人、精密加工與測量等對滾轉(zhuǎn)角測量和轉(zhuǎn)速測量的應用場合，具備非破壞、低成本、簡潔等優(yōu)點。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于光電檢測與測量領域，更具體地，涉及一種基于斯托克斯矢量的光學轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)

轉(zhuǎn)速傳感器，將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為其它物理量輸出的傳感器。轉(zhuǎn)速傳感器屬于間接式測量裝置，可使用機械、電氣、磁、光和混合式等方法。轉(zhuǎn)速傳感器在自動控制系統(tǒng)和自動化儀表中應用激光，在不少場合下對低速、高速、穩(wěn)速和瞬時速度的精確測量有嚴格要求。常用的轉(zhuǎn)速傳感器有光電式、電容式、變磁阻式以及測速發(fā)電機。

光電式轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)速的測量，主要是通過將光線的發(fā)射與被測物體的轉(zhuǎn)動相關(guān)聯(lián)，再以光敏元件對光線的感應來外完成。CN201078755Y提出的一種結(jié)構(gòu)簡單，裝配、維修方便的光電轉(zhuǎn)速傳感器，適用于測量列車車輪軸轉(zhuǎn)速，通過光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號而測定輪軸轉(zhuǎn)速；變磁阻式傳感器的三種基本類型，電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可作為轉(zhuǎn)速傳感器。電感式轉(zhuǎn)速傳感器應用較廣，它利用磁通變化而產(chǎn)生感應電勢，其電勢大小取決于磁通變化的速率，TE系列可變磁阻速度傳感器一款適用于賽車、研發(fā)和小批量計劃的高溫渦輪速度傳感器；電容式傳感器分為面積可變化型和介質(zhì)變化型。當電容的有效接觸面積發(fā)生改變或電容板間的介電常數(shù)發(fā)生周期性變化時引起電容量的周期性變化，電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速。CN106663202B提出的一種電容式指紋傳感器，采用積分器、觸發(fā)器和基底消除電路，積分器存儲來自指紋電容的電荷以產(chǎn)生輸出信號。

對比上述方法可知，光電式轉(zhuǎn)速傳感器、變磁阻式傳感器、電容式傳感器受其傳感元件的限制而只能做到對轉(zhuǎn)速的測量而無法做到對轉(zhuǎn)角的測量，在機器人導航、機床坐標測量等應用領域往往需要實現(xiàn)同時測量轉(zhuǎn)角遇轉(zhuǎn)速的場合，在目前已有的測量方法中尚未有大量程的滾轉(zhuǎn)角角度與轉(zhuǎn)速測量的傳感器及方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于斯托克斯矢量的光學轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)及測量方法，通過波片和濾光片的組合波片與待測物體相連，將線偏振光調(diào)制為橢圓偏振光，并通過完全斯托克斯偏振儀實時測量橢圓偏振光的偏振態(tài)以得到斯托克斯矢量，從而實時分析斯托克斯矢量得到旋轉(zhuǎn)物體的實時轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速傳感器在要求高測量精度、無接觸的測量情況的測量。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于斯托克斯矢量的光學轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括線偏振光模塊，傳感模塊和超快完全斯托克斯偏振儀，其中，

所述線偏振光模塊設置在所述傳感模塊前方，用于發(fā)射線偏振光，所述傳感模塊設置在超快完全斯托克斯偏振儀前方，該傳感模塊包括波片和濾光片，待測對象設置在所述波片上，待測對象旋轉(zhuǎn)帶動所述波片旋轉(zhuǎn)，所述濾光片設置在所述波片的后方，該濾光片包括左右對稱但光密度不同的兩個部分，來自所述線偏振光模塊的線偏振光進入所述旋轉(zhuǎn)的波片后被調(diào)制為橢偏偏振光，該橢偏偏振光進入所述濾光片對該橢偏偏振光的光強進行衰減；所述超快完全斯托克斯偏振儀用于將來自所述橢偏偏振光進行檢測，以此獲得所述偏振光的斯托克斯矢量。

進一步優(yōu)選地，所述線偏振光模塊包括光源和偏振器，所述光源用于發(fā)出光，所述偏振器用于將所述光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化為線偏振光。

進一步優(yōu)選地，所述偏振器為格蘭泰勒棱鏡、薄膜類偏振器或結(jié)構(gòu)類偏振器，所述波片為四分之一波片，所述光源為白光光源、激光光源或發(fā)光二極管光源。