角度测量技术的发展_陶卫

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角度测量技术的发展

陶　卫　浦昭邦　孙运斌

(哈尔滨工业大学305信箱,哈尔滨　150001)

提要:角度测量是几何量计量技术的重要组成部分。本文对近年来常用的几种角度测量方法及其发展进行了介绍,主要介绍了其中最具有发展前途的光学测角技术。对圆光栅测角法、激光干涉测角法和环形激光测角法分别进行了详细的介绍,给出了每种方法的测量原理和应用场合,并指出了各种方法的优缺点。

关键词:角度测量,光学方法,激光干涉,环形激光

Thedevelopmentofanglemeasurementtechnique

TaoWei　PuZhaobang　SunYunbin

(P.O.Box305,HarbinInstituteofTechnology,Harbin　150001)

Abstract:Anglemeasurementisanimportantpartofgeometricmetrology.Inthispaper,severalfrequentlyusedmethodsofanglemeasurementinrecentyearsandtheirdevelopmentsituationsaredescribed.Especially,opticalanglemeasurementtechnique,themosthopefultechnique,ismainlyintroduced.Anglemeasurementwithradicalgratings,laserinterferenceanglemeasurementsystemandringlasergoniometers,aredescribedindetail.Theprinciple,presentstatusandapplicationsituationofeachmethodaredisplayed.Thesuperiori-tyanddefectsofthesemethodsarelinedout.

Keywords:anglemeasurement,opticalmethods,laserinterference,ringlaser

1　引言

角度测量是计量科学中发展较为完备的一个分支,各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。据不完全统计,角度测量方法大致可以按测量原理分为16大类〔1〕。在过去的20年中,角度测量的准确度也达到了这之前的10倍以上〔2〕。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种,由于某些静态测量技术仍然是动态测量的基础,且大多数动态测角技术都能实现静态测量,因此有必要对几种主要的测量方法做一全面阐述。

器测角两种。圆磁栅测角法是将圆磁栅和被测件一起旋转,利用放磁头将磁栅上的记录信号拾取出来进行处理。按信号拾取方式不同,放磁头可分为静态磁头和动态磁头两种。静态时准确度往往难以提高。动态时降低了对录磁准确度的要求,可以获得较高的分度准确度。日本电子通讯大学研制的多面棱体自动检定系统,在95%的置信区间内,系统检定误差<0.07″。

感应同步器工作原理是根据正弦、余弦两绕组的电压和相位进行比较测量,耦合度主要决定于磁通的变化率,基本上不受电源波动的影响,抗干扰能力强,对使用环境的要求低;工作时许多节距同时起作用,有平均效应,可以获得较高的分度准确度,在转速<60°/S时,测量准确度达到1″的数量级。机械式和电磁式测角法的主要缺点是大多为手工测量,不容易实现自动化,测量精度受到限制。

2　机械式和电磁式测角技术

测角技术中研究最早的是机械式和电磁分度式测角技术。机械式测角技术主要以多尺分度盘为代表。多齿分度盘的雏形出现在本世纪30年代,作为一个完整的圆分度器件,是由美国Gage公司研制并于1960年获得专利,当时其分度达±0.25″。由于多齿分度盘的齿数不能无限增加,因此细分受到限制。解决办法是采用两组或多组多齿分度盘叠放在一起,利用差动法进行细分。从原理上讲,完全有可能设计四层或更多层的多齿分度台,但由于各层之间的同轴度难以保证,齿盘起落结构复杂等原因而难以实现。为进一步扩大应用范围和减小定位不确定性,可以采用细分结构。前苏联考纳斯机床厂的удл-05型角度测量仪最小分度间隔15′,测量准确度为0.1″。

电磁分度测角技术主要有圆磁栅测角和感应同步〔3〕

3　光学测角技术

光学测角方法历来以其极高的测量准确度受到人们的重视,光学测角法的应用也越来越广泛。目前,光

学测角方法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外,常用的还有光电编码器法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激光法等。这些方法大多都已成功应用于小角度的精密测量中,并达到了很高的测量精度,用于360°整周角度测量还需作适当的改进,下面分别介绍其中常用的几种。

2001年11月10日收稿6

3.1　圆光栅测角

　　《激光杂志》2002年第23卷第2期　　　　LASERJOURNAL(Vol.23.No.2.2002)

速测量相对准确度可达10-6。目前还只是少数国家掌握这种技术,研究最多的国家是德国和前苏联,我国目

前正致力于这项技术的研究〔9〕。该技术测角的最大优点是容易实现自校,缺点是只能实现动态测量,加工工艺难以保证,成本高,这是环形激光器没有得到大量应用的最主要的原因。

环形激光测角的基本原理如图6所示,当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时,在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间,被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔,接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数。圣彼德堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计,可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角计本身的内部旋转角测量。该装置在1转/秒的转速范围内,测量准确

〔10〕

度达到了0.1″。

圆光栅是角度测量中最常用的器件之一,其测量

原理是将圆光栅与转台同轴安装,二者同时转动,测得光栅转过的栅距数就可测得转角。目前我国的圆光栅国家线角度基准采用64800对线的圆光栅,分辨力为

〔4〕

0.001″,总的测量不确定度为0.05″。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量,两个读数头之间的角度是固定的,而且必须对圆光栅进行相应的标定。圆光栅测角法的优点是静态测量准确度高、稳定可靠,缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高,高准确度光栅的制作加工困难,动态测量时分辨力很难保证。3.2　激光测角技术

根据所测角度的大小,激光测角技术又可以分为小角度测量和任意角度测量。3.2.1　激光小角度测量技术

3.2.1.1　利用光学内反射原理进行小角度测量内反射法小角度测量技术就是利用全反射条件下入射光变化时反射率的变化关系,通过反射率的变化来测量入射角的变化的。内反射法是由P.S.Huang等

〔5〕

人提出来的,原理如图1所示。用该方法制成的测角仪体积可以做得很小,因此特别适用于较小空间中小角度的在线测量,可以做成袖珍式测角仪,而且结构简单,成本低。但其测量范围也很小,因此只能用于小角度测量,3弧分范围内分辨力为0.02弧秒。Chiu等在此原理的基础上,提出一种全内反射外差干涉测角法,将传感器的测角范围扩大到10°,最佳分辨力可达8×10-5度〔6〕。

3.2.1.2　激光干涉法小角度测量技术

激光干涉测角大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理,将角度的变化转换为长度变化来进行测量,如图2所示。经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化,因此干涉条纹也发生相应的移动,测得条纹的移动量,就可测得转台的转角〔7〕。这种技术已经发展得非常成熟,美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响,采用如图3所示的测量光路,用两个角锥棱镜形成差动测量,大大提高了系统的线性和灵敏度,在-5°-+5°的线性区间内,分辨力达到了10-4度。为了增强干涉仪抗环境干扰的能力,可以采用双频激光外差干涉测量法,用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面

〔8〕

角,灵敏度可达0.002″。3.2.2　激光任意角度测量技术3.2.2.1　环形激光任意角度测量

环形激光是目前转速测量准确度最高的方法,转

3.2.2.2　双定值角干涉仪测量任意角度

用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量反射镜就构成定值角干涉仪。天津大学根据该原理设计的一个双定值角型任意角度测量系统,光路如图4所示。左边的一路光称为多面棱体检定光路,与其对称的右半部分称为双定值角测量-跟踪干涉仪。该系统能在0～360°范围内实现任意角度的高准确度测量,测量不

〔11〕确定度优于0.3″。该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证,而且测量过程中需

要一套双定值跟踪系统,结构比较复杂。3.2.2.3　双频激光楔形平板干涉法任意角测量技术

哈尔滨工业大学利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系设计了一套双频激光楔形平板干涉任意转角测量系统,其基本原理如图5所示,由双频激光器发出的激光束经分光镜分成两束,反射光经检偏器1后由光电接收器1接收,形成参考信号。透射的一束光是测量光路,经过偏振分光镜后变成偏振方向相互垂直的两路不同频率的光,频率分别为f1和f2,两路光分别经过λ/4波片和楔形平板后,由角锥棱镜反射回到偏振分光镜产生干涉信号,经检偏器后由光电接受器2接收,将光电接收器1和2的信号送入信号处理电路,可得到多普勒频差,该频差值随光程差而变,即随平板转动而变化,因此可以得到楔形平板转角的信息。该系统可以自动判别转台的转动方向,可测量360°范围内的转角,动态响应范围为4转/秒〔12〕。但是,系统体积非常庞大,结构复杂。另外,由于使用了多个角锥反射镜,使光路装调比较困难,很难在实际中应用,本文作者在国家自然科学基金的资助下,针对这些问题提出了改进方法〔13〕,目前这一工作仍在进行中。

　　《激光杂志》2002年第23卷第2期　　　　LASERJOURNAL(Vol.23.No.2.2002)

7

4　结论

通过对近年来常用的测角方法的介绍可以看出,机械式和电磁式测角技术由于研究较早,技术已经非常成熟。而光学测角法由于具有测量准确度高和非接触测量的特点,在角度测量中得到了越来越广泛的应用,而且在某些场合下正在逐渐取代机械式和电磁式测量方法。光学测角法中尤其以激光干涉测角技术为主,该方法的最大优点是测量精度高,小角度测量已经达到了极高的准确度,作适当的改进还可进行整周角度测量,但目前的测量精度不是很高,而且体积庞大,因此还需要作进一步研究。在整周角度测量中,环形激光器被认为是目前的最佳选择,是动态整周角度测量的一个非常有前途的发展方向。

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2002全国口腔颌面部血管瘤治疗与研究学术研讨会征文通知

　　经中华口腔医学会批准,2002全国口腔颌面部血管瘤治疗与研究学术研讨会将于2002年7月11-14日在山东

省临沂市举行。会议由中华口腔医学会口腔颌面外科专业委员会主办,山东临沂地区肿瘤医院承办。会议将邀请国内知名专家作相关学术报告,采取专题讨论与大会发言的交流形势,对血管瘤和血管畸形的基础研究与临床诊治的各个方面进行广泛、深入的探讨,旨在总结各地治疗经验,制订相应诊治规范,促进血管瘤和(或)血管畸形的治疗效果与基础研究。会议内容涉及口腔颌面外科、耳鼻咽喉科、

头颈外科、整形外科、小儿外科、美容外科、激光治疗科、冷冻治疗科及核医学科等,欢迎以上相关专业的医护人员踊跃投稿、参加会议。投稿要求:论文全文及400字以内中文4段结构式摘要各1份,摘要分目的、方法、结果和结论。稿件请寄:上海市制造局路639号(邮编　200011)上海第二医科大学附属第九人民医院口腔颌面外科　周国瑜博士收,截稿日期:2002年5月30日。

中华口腔医学会口腔颌面外科专委会