一种球坐标空间角测量装置及其测量方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及角度测量技术领域，尤其涉及一种球坐标空间角测量装置及其测量方法。背景技术：2.在光学平台上搭建光路时，除了需要确定元件之间的距离，往往还需要明确元件之间的角度，才能完成元件在光路中的精确定位。元件之间角度的准确测量对于光学系统极为重要，通常希望所有元件中心处于同一水平面上以便调试和固定，然而很多情况下元件中心并不在同一水平面上，此时形成倾斜光路。3.如图6所示，图6为一个倾斜光路示意图，定义xoz平面为水平面，xoy为参考元件的主平面，z轴为其法线，ao为任意待测元件的光轴，其在xoy平面上的投影为bo。那么待测元件与参考元件形成的空间角度即为光轴ao在球坐标下的空间角，该空间角定义为(θ，φ)，其中，θ为光轴ao与z轴正方向的夹角，φ为投影bo与x轴正方向的夹角。4.当光轴ao位于水平面xoz上或者垂直面xoy上时，使用普通的量角器或者电子数显角度尺便很容易测得所求角度。但当上述两种情况不满足时，即在倾斜光路情况下，使用普通的量角器或者电子数显角度尺难以满足测量需求。5.在倾斜光路情况下，为测得空间角度(θ，φ)，通常的做法是使用直尺测量空间三坐标，并通过三角函数和正余弦定理在距离与角度之间进行转化，间接求得空间角。这种间接测量方法需要多次测量长度，不仅累积的误差大，而且涉及到的计算过程复杂，测量起来费时费力，准确性低。而其他测量空间角度的仪器，比如光学经纬仪和电子经纬仪，可以通过旋转两个正交轴分别测量水平角度和竖直角度，电子经纬仪可以直接显示水平角和垂直角，但光学经纬仪仅能通过刻度盘读出水平角和竖直角，但经纬仪主要用于大型场所的角度测量，如机电工程、建筑工程、海洋工程等。且经纬仪的体积巨大，在小型光学平台上有限的空间范围内根本无法使用。技术实现要素：6.本发明所要解决的是在小型光学平台上的空间角度无法测量的技术问题，提供了一种能够方便测量小型光学平台上任意空间角度，从而为光路的搭建提供便利的球坐标空间角测量装置。7.为本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：8.一种球坐标空间角测量装置，包括底盘、转轴、扇盘和标尺；所述底盘上设置有底盘刻度；所述转轴的下端通过轴承转动连接在底盘上，所述转轴与所述底盘垂直设置；所述扇盘上设置有扇盘刻度；所述扇盘转动连接在转轴下部，且扇盘所在平面与所述底盘所在平面之间的夹角为90°，所述标尺的下端转动连接在转轴的下部，且所述标尺所在平面与所述扇盘所在平面平行。通过转轴带动扇盘以转轴为旋转中心进行旋转，从而能够得到投影bo与x轴正方向的夹角φ，通过标尺以转轴的下端为旋转中心进行旋转，从而能够得到光轴ao与z轴正方向的夹角θ，通过得到φ和θ，能够得到oa的空间角(θ，φ)。9.作为优选，所述底盘的中心设置有旋转孔，所述轴承转动连接在所述旋转孔内，所述轴承的外径与旋转孔过盈配合，所述轴承的内径与所述转轴的下端过盈配合。通过过盈配合能够使轴承在旋转过程中受到阻力，从而需要一定的外力才能使轴承旋转，防止转轴在确定位置后轻易转动。10.作为优选，所述底盘刻度为标记在所述底盘的顶面顺时针和逆时针两个方向的0-360°的均匀刻度。通过底盘刻度能够从顺时针和逆时针两个方向全方位的进行角度测量，提升测量的全面性。11.作为优选，所述扇盘呈直角扇形状，且扇盘的两条直角边长度相等；测量时，两条所述直角边分别与所述底盘和所述转轴对齐。通过扇盘的两条直角边便于更好的与x轴和z轴进行对齐，从而能够进一步方便以及精准的测量出角度，并且通过呈直角扇形状便于更好的进行转动，可以按照实际测量时，使两条直角边中的一条边与x轴对齐。12.作为优选，所述扇盘刻度为标记在扇盘的外侧壁顺时针和逆时针两个方向的0°‑90°的均匀刻度。通过扇盘刻度能够从顺时针和逆时针两个方向测量。13.作为优选，所述扇盘的直角部通过轴销转动连接在转轴的下部。通过轴销便于使扇盘转动连接在转轴上。14.作为优选，所述标尺的下端转动连接在所述轴销上，并使标尺的旋转中心与所述扇盘的旋转中心对齐。标尺通过轴销转动连接，便于使扇盘和标尺的旋转中心一致，能够确保扇盘和标尺的转动更加精准，一致更好的对空间角进行测量。15.作为优选，所述轴销与所述扇盘的直角部过盈配合，所述轴销与所述标尺的下端过盈配合。通过过盈配合能够给扇盘和标尺提供阻力，能够使扇盘和标尺在不受外力的情况下保持静止。16.作为优选，所述标尺的内侧壁贴在所述扇盘的外侧壁上，并使标尺在所述扇盘上进行转动。通过标尺和扇盘相贴，便于更好的使标尺与扇盘上的扇盘刻度相对齐，确保测量的精度。17.本发明还提供了一种球坐标空间角测量装置的测量方法，应用上述的球坐标空间角测量装置，包括以下步骤：18.s1、φ角度测量：为了测量光轴ao的角度，使底盘所在平面与xoy平面重合，底盘的旋转孔中心对应o点，底盘上底盘刻度的0°刻度线对准x轴正方向，使扇盘的一条直角边与底盘对齐，另一条直角边与转轴对齐，旋转转轴从而带动扇盘转动，使扇盘与光轴ao及其在xoy平面上的投影bo重合，此时扇盘与底盘刻度的0°刻度线的之间的夹角为φ；19.s2、θ角度测量：在测量得到φ角度之后，旋转标尺，使标尺与光轴ao重合，此标尺与转轴之间的夹角为θ，通过得知φ和θ即可测量出光轴ao的角度。20.综上所述，本发明中球坐标空间角测量装置的优点是能够方便光学平台上的空间角度进行测量，从而为光路的搭建提供便利。21.本发明中测量方法的优点是通过转轴带动扇盘以转轴为旋转中心进行旋转，从而能够得到投影bo与x轴正方向的夹角φ，通过标尺以转轴的下端为旋转中心进行旋转，从而能够得到光轴ao与z轴正方向的夹角θ，通过得到φ和θ，能够得到oa的空间角(θ，φ)，附图说明22.图1是本发明的球坐标空间角测量装置的结构示意图。23.图2是本发明中所要测量的光路示意图。24.图3是本发明中底盘的结构示意图。25.图4是本发明中扇盘的结构示意图。26.图5是本发明中标尺的结构示意图。27.图6是倾斜光路示意图。28.其中：1、底盘；10、旋转孔；11、底盘刻度；2、转轴；3、扇盘；31、扇盘刻度；32、直角边；33、直角部；4、标尺；5、轴承；6、轴销。具体实施方式29.为了更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐释了很多具体细节以便于理解本发明的实施例，但是，本发明的实施例还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施。因此，本发明的实施例提供的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。30.如图1至图5所示，一种球坐标空间角测量装置，包括底盘1、转轴2、扇盘3和标尺4；底盘1上设置有底盘刻度11；转轴2的下端通过轴承5转动连接在底盘1上，转轴2与底盘1垂直设置；扇盘3上设置有扇盘刻度31；扇盘3转动连接在转轴2下部，且扇盘3所在平面与底盘1所在平面之间的夹角为90°，标尺4的下端转动连接在转轴2的下部，且标尺4所在平面与扇盘3所在平面平行。通过转轴2带动扇盘3以转轴2为旋转中心进行旋转，从而能够得到投影bo与x轴正方向的夹角φ，通过标尺4以转轴2的下端为旋转中心进行旋转，从而能够得到光轴ao与z轴正方向的夹角θ，通过得到φ和θ，能够得到oa的空间角(θ，φ)。31.具体的，底盘1为内径为8.00mm、外径为50.00mm、厚度为3.00mm。32.具体的，转轴2包括底部半径为1.50mm、高度为3.00mm的轴承配合部和长度为150.00mm的竖杆部，且竖杆部的下部设置有半径为0.50mm的销孔，销孔用于穿设轴销6。33.具体的，扇盘3为半径为25.00mm、厚度为1.5mm的直角扇盘。34.具体的，标尺4的长度为150.00mm、宽度为3.00mm、厚度为1.50mm。为保证标尺4能够旋转，标尺4的下部为半径1.50mm的圆弧面。圆弧中心为半径0.50mm的销孔，销孔用于穿设轴销6。35.具体的，轴承5的外径为8.00mm、内径为3.00mm、高度为3.00mm。36.具体的，轴销6的直径为1.00mm、长度为10.00mm。37.如图3所示，底盘1的中心设置有旋转孔10，轴承5转动连接在旋转孔10内，轴承5的外径与旋转孔10过盈配合，轴承5的内径与转轴2的下端过盈配合。通过过盈配合能够使轴承5在旋转过程中受到阻力，从而需要一定的外力才能使轴承5旋转，防止转轴2在确定位置后轻易转动。38.如图4所示，底盘刻度11为标记在底盘1的顶面顺时针和逆时针两个方向的0-360°的均匀刻度。通过底盘刻度11能够从顺时针和逆时针两个方向全方位的进行角度测量，提升测量的全面性。扇盘3呈直角扇形状，且扇盘3的两条直角边32长度相等；测量时，两条直角边32分别与底盘1和转轴2对齐。通过扇盘3的两条直角边32便于更好的与x轴和z轴进行对齐，从而能够进一步方便以及精准的测量出角度，并且通过呈直角扇形状便于更好的进行转动，可以按照实际测量时，使两条直角边32中的一条边与x轴对齐。扇盘刻度31为标记在扇盘3的外侧壁顺时针和逆时针两个方向的0°‑90°的均匀刻度。通过扇盘刻度31能够从顺时针和逆时针两个方向测量。扇盘3的直角部33通过轴销6转动连接在转轴2的下部。通过轴销6便于使扇盘3转动连接在转轴2上。39.如图5所示，标尺4的下端转动连接在轴销6上，并使标尺4的旋转中心与扇盘3的旋转中心对齐。标尺4通过轴销6转动连接，便于使扇盘3和标尺4的旋转中心一致，能够确保扇盘3和标尺4的转动更加精准，一致更好的对空间角进行测量。轴销6与扇盘3的直角部33过盈配合，轴销6与标尺4的下端过盈配合。通过过盈配合能够给扇盘3和标尺4提供阻力，能够使扇盘3和标尺4在不受外力的情况下保持静止。标尺4的内侧壁贴在扇盘3的外侧壁上，并使标尺4在扇盘3上进行转动。通过标尺4和扇盘3相贴，便于更好的使标尺4与扇盘3上的扇盘刻度31相对齐，确保测量的精度。40.如图1和图2所示，一种球坐标空间角测量装置的测量方法，应用上述的球坐标空间角测量装置，包括以下步骤：41.s1、φ角度测量：为了测量光轴ao的角度，使底盘1所在平面与xoy平面重合，底盘1的旋转孔10中心对应o点，底盘1上底盘刻度11的0°刻度线对准x轴正方向，使扇盘3的一条直角边32与底盘1对齐，另一条直角边32与转轴2对齐，旋转转轴2从而带动扇盘3转动，使扇盘3与光轴ao及其在xoy平面上的投影bo重合，此时扇盘3与底盘刻度11的0°刻度线的之间的夹角为φ。42.s2、θ角度测量：在测量得到φ角度之后，旋转标尺4，使标尺4与光轴ao重合，此标尺4与转轴2之间的夹角为θ，通过得知φ和θ即可测量出光轴ao的角度。43.综上所述，本发明球坐标空间角测量及其测量方法的优点是通过转轴2带动扇盘3以转轴2为旋转中心进行旋转，从而能够得到投影bo与x轴正方向的夹角φ，通过标尺4以转轴2的下端为旋转中心进行旋转，从而能够得到光轴ao与z轴正方向的夹角θ，通过得到φ和θ，能够得到oa的空间角(θ，φ)，并且能够方便光学平台上的空间角度进行测量，从而为光路的搭建提供便利。44.以上仅为本发明的一个实施例而已，本发明各零件尺寸可根据具体情况进行调整，并不限于特定尺寸。轴承5、轴销6等具体旋转与配合方式不应限制本发明的实施例，轴承5、轴销6完全可以用齿轮、螺丝螺母等旋转配合方式代替。对于本领域的技术人员来说，本技术的实施例可以有各种更改和变化。凡在本专利的实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明申请的保护范围之内。









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