一種三點構面定軸的旋轉角度測量方法與流程

本發明屬于測量技術領域，具體涉及一種三點構面定軸的旋轉角度測量方法，在不要求已知平面旋轉軸的情況下根據被測平面上已知三點在平面旋轉時的位移量可以推導出平面的真實旋轉角度，在平面角度測量中免去找旋轉軸的步驟，是一種新型的角度測量方式。

背景技術：

目前，很多應用場合都需要進行較高精度的旋轉角度測量，但使用角度傳感器測量必須找到旋轉平面的旋轉軸，角度傳感器垂直旋轉軸安裝才可精確測得，而很多特殊的機械器件并不能準確找到旋轉軸，這樣測量會帶來很大誤差。本發明的這種設計，無需找被測旋轉平面旋轉軸，根據平面上已知三點在平面旋轉時的位移量就可求出平面旋轉角度，是一種角度測量的改良新方式。

技術實現要素：

本發明提出了一種新型的角度測量方法，該方式在測量平面角度時無需找到旋轉平面的旋轉軸，根據被測旋轉平面上已知三點在平面旋轉時產生的位移量可以求出平面旋轉的真實角度。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：一種三點構面定軸的旋轉角度測量方法，使用三個高精度位移傳感器測量出旋轉平面上三個構成直角三角形的已知點在旋轉前和旋轉后的位移量，根據幾何關系，計算出平面旋轉的角度值，無需找到平面旋轉轉軸，而且測量時對轉軸與水平面夾角沒有限制，很大程度上降低了由于測量結構特殊、轉軸難以準確找到所帶來的測量誤差。測量出旋轉平面上三個構成直角三角形的已知點的在平面旋轉時產生的位移量，根據幾何關系，求得物體旋轉角度。

更進一步的，在被測平面上一定要準確找出三個已知點，且這三個點構成一個直角三角形，該三角形的三個邊長需要已知，且構成的該直角三角形的直角張開方向朝向被測平面轉軸的大概位置。

更進一步的，在測量時無需找到平面旋轉轉軸就可測出平面旋轉角度，但平面上已知三點在平面旋轉時產生的位移量要精確測出，可以通過高精度位移傳感器或其他方法測得。而且，平面上已知三點在平面旋轉時產生的位移量準確測量出來的情況下，對被測平面旋轉角度的大小沒有限制，所有角度都可以精確測量出。

更進一步的，通過位移傳感器或其他方式測得被測平面已知構成直角三角形的三點在該平面旋轉時的位移量后，通過三角形相似原理和弦長公式推導出平面旋轉的真實角度。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)、本發明在測量平面旋轉角度時無需已知平面轉軸就可準確測得。

(2)、本發明對所測平面轉軸與水平面夾角沒有限制。

(3)、被測平面上所確定的三點在被測平面旋轉時的位移能準確測量出來的情況下，該平面角度測量方式對所測角度大小沒有限制。

附圖說明

圖1為本發明一種三點構面定軸的旋轉角度測量方法原理圖；

圖2為本發明使用直線位移傳感器實施三點構面定軸的旋轉角度測量方法的簡圖。

具體實施方式

為了更好的理解本發明的技術方案，以下結合附圖做進一步的詳細描述。

一種基于位移測量的無需找轉軸的平面旋轉角度測量方法，具體步驟如下：

步驟一：在測量平面上找到三個已知點，且這三個點構成一個直角三角形，該直角三角形三邊長要已知；

步驟二：使用高精度位移傳感器或其他方式，在平面轉動時分別測量出三個已知且構成直角三角形的點的位移量；

步驟三：使用所測出的三個位移量，以及所測平面上已知的直角三角形的邊長，根據三角形相似原理和弦長公式計算出平面旋轉角度。

圖1是關于一種基于位移測量的無需找轉軸的平面旋轉角度測量方法原理圖，如圖所示，其中l是轉軸，a、b、c三點在被測平面上，且構成已知直角三角形abc。使用位移傳感器或其他方式測量出a、b、c三點在平面轉動時所移動的位移，分別設為sa、sb、sc。

當該平面繞l軸轉動θ角度時，有弦長公式：

其中r為旋轉半徑，即為點a、b、c分別到轉軸l的距離，分別設為aa′、bb′、cc′；s為弦長，即為位移傳感器測量量sa、sb、sc。其中三角形abc為直角三角形，且ab邊長度和bc邊長度已知，bm為bc邊延長線，bn為ab邊延長線，aa′、bb′和cc′都垂直于轉軸l。易知三角形aa′n與三角形bb′n相似，三角形cc′m與三角形bb′m相似，再根據弧長公式中旋轉角度θ一定時旋轉半徑r與弦長s成比例有：

根據以上兩式可求出bn與bm長度，且在三角形mbn中，角mbn為直角，bn與bm長度可求，根據直角三角形面積公式可求：

帶入弦長公式其中r為半徑，s為弦長，θ為旋轉角度，有：

該公式中sa、sb、sc為位移傳感器測量值，ab邊和bc邊長度已知，所以可以直接求出平面旋轉角度θ。

由以上推理可知，已知被測旋轉平面上構成直角三角形的三點在平面旋轉時產生的位移量，再根據弦長公式和三角形相似原理即可得到被測平面旋轉的真實角度。

圖2為本發明使用直線位移傳感器實施三點構面定軸的旋轉角度測量方法的簡圖，其中將三個位移傳感器分別固定在固定平面上，將三個位移傳感器的測量端固定在旋轉平面上a、b、c三點；旋轉平面旋轉，位移傳感器產生相應位移讀數；根據具體實施方式中的求解方式即可求得旋轉角度。但需注意，該種位移測量方式是近似a、b、c三點的位移量，只有旋轉角度較小的情況下該種直線位移傳感器才使用。

總體上，本發明所述的一種基于位移測量的無需找轉軸的平面旋轉角度測量方法，在已知被測平面構成直角三角形三點的位移情況下該種測量方法能夠達到較高精度，計算簡單，且無需找到平面旋轉轉軸。該發明可用于空間飛行器的慣性測量系統、機械臂旋轉測試、車輛船體旋轉測量等多個領域，尤其適用于轉軸難以確定的大型器械結構的旋轉角度測量。

本發明未詳細闡述的內容屬于本發明領域人員所公知的技術。