一种三点构面定轴的旋转角度测量方法与流程

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种三点构面定轴的旋转角度测量方法，在不要求已知平面旋转轴的情况下根据被测平面上已知三点在平面旋转时的位移量可以推导出平面的真实旋转角度，在平面角度测量中免去找旋转轴的步骤，是一种新型的角度测量方式。

背景技术：

目前，很多应用场合都需要进行较高精度的旋转角度测量，但使用角度传感器测量必须找到旋转平面的旋转轴，角度传感器垂直旋转轴安装才可精确测得，而很多特殊的机械器件并不能准确找到旋转轴，这样测量会带来很大误差。本发明的这种设计，无需找被测旋转平面旋转轴，根据平面上已知三点在平面旋转时的位移量就可求出平面旋转角度，是一种角度测量的改良新方式。

技术实现要素：

本发明提出了一种新型的角度测量方法，该方式在测量平面角度时无需找到旋转平面的旋转轴，根据被测旋转平面上已知三点在平面旋转时产生的位移量可以求出平面旋转的真实角度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种三点构面定轴的旋转角度测量方法，使用三个高精度位移传感器测量出旋转平面上三个构成直角三角形的已知点在旋转前和旋转后的位移量，根据几何关系，计算出平面旋转的角度值，无需找到平面旋转转轴，而且测量时对转轴与水平面夹角没有限制，很大程度上降低了由于测量结构特殊、转轴难以准确找到所带来的测量误差。测量出旋转平面上三个构成直角三角形的已知点的在平面旋转时产生的位移量，根据几何关系，求得物体旋转角度。

更进一步的，在被测平面上一定要准确找出三个已知点，且这三个点构成一个直角三角形，该三角形的三个边长需要已知，且构成的该直角三角形的直角张开方向朝向被测平面转轴的大概位置。

更进一步的，在测量时无需找到平面旋转转轴就可测出平面旋转角度，但平面上已知三点在平面旋转时产生的位移量要精确测出，可以通过高精度位移传感器或其他方法测得。而且，平面上已知三点在平面旋转时产生的位移量准确测量出来的情况下，对被测平面旋转角度的大小没有限制，所有角度都可以精确测量出。

更进一步的，通过位移传感器或其他方式测得被测平面已知构成直角三角形的三点在该平面旋转时的位移量后，通过三角形相似原理和弦长公式推导出平面旋转的真实角度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明在测量平面旋转角度时无需已知平面转轴就可准确测得。

(2)、本发明对所测平面转轴与水平面夹角没有限制。

(3)、被测平面上所确定的三点在被测平面旋转时的位移能准确测量出来的情况下，该平面角度测量方式对所测角度大小没有限制。

附图说明

图1为本发明一种三点构面定轴的旋转角度测量方法原理图；

图2为本发明使用直线位移传感器实施三点构面定轴的旋转角度测量方法的简图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图做进一步的详细描述。

一种基于位移测量的无需找转轴的平面旋转角度测量方法，具体步骤如下：

步骤一：在测量平面上找到三个已知点，且这三个点构成一个直角三角形，该直角三角形三边长要已知；

步骤二：使用高精度位移传感器或其他方式，在平面转动时分别测量出三个已知且构成直角三角形的点的位移量；

步骤三：使用所测出的三个位移量，以及所测平面上已知的直角三角形的边长，根据三角形相似原理和弦长公式计算出平面旋转角度。

图1是关于一种基于位移测量的无需找转轴的平面旋转角度测量方法原理图，如图所示，其中l是转轴，a、b、c三点在被测平面上，且构成已知直角三角形abc。使用位移传感器或其他方式测量出a、b、c三点在平面转动时所移动的位移，分别设为sa、sb、sc。

当该平面绕l轴转动θ角度时，有弦长公式：

其中r为旋转半径，即为点a、b、c分别到转轴l的距离，分别设为aa′、bb′、cc′；s为弦长，即为位移传感器测量量sa、sb、sc。其中三角形abc为直角三角形，且ab边长度和bc边长度已知，bm为bc边延长线，bn为ab边延长线，aa′、bb′和cc′都垂直于转轴l。易知三角形aa′n与三角形bb′n相似，三角形cc′m与三角形bb′m相似，再根据弧长公式中旋转角度θ一定时旋转半径r与弦长s成比例有：

根据以上两式可求出bn与bm长度，且在三角形mbn中，角mbn为直角，bn与bm长度可求，根据直角三角形面积公式可求：

带入弦长公式其中r为半径，s为弦长，θ为旋转角度，有：

该公式中sa、sb、sc为位移传感器测量值，ab边和bc边长度已知，所以可以直接求出平面旋转角度θ。

由以上推理可知，已知被测旋转平面上构成直角三角形的三点在平面旋转时产生的位移量，再根据弦长公式和三角形相似原理即可得到被测平面旋转的真实角度。

图2为本发明使用直线位移传感器实施三点构面定轴的旋转角度测量方法的简图，其中将三个位移传感器分别固定在固定平面上，将三个位移传感器的测量端固定在旋转平面上a、b、c三点；旋转平面旋转，位移传感器产生相应位移读数；根据具体实施方式中的求解方式即可求得旋转角度。但需注意，该种位移测量方式是近似a、b、c三点的位移量，只有旋转角度较小的情况下该种直线位移传感器才使用。

总体上，本发明所述的一种基于位移测量的无需找转轴的平面旋转角度测量方法，在已知被测平面构成直角三角形三点的位移情况下该种测量方法能够达到较高精度，计算简单，且无需找到平面旋转转轴。该发明可用于空间飞行器的惯性测量系统、机械臂旋转测试、车辆船体旋转测量等多个领域，尤其适用于转轴难以确定的大型器械结构的旋转角度测量。

本发明未详细阐述的内容属于本发明领域人员所公知的技术。