球王会官方高精度光学动态视点丈量简介

　　是几许量计量技能的重要组成部分，开展较为齐备，各种丈量手法的归纳运用使丈量准确度到达了很高的水平。视点丈量技能能够分为静态丈量和动态丈量两种。关于静态丈量技能来说，现在的首要任务会集在怎么进步丈量精度和丈量分辨力[1~3]上。跟着工业的开展，对反转量的丈量要求也越来越多，因而人们在静态测角的根底上，对旋转物体的转角丈量问题进行了许多的研讨，发生了许多新的测角办法。

　　测角技能中研讨最早的是机械式和电磁式测角技能，如多齿分度台和圆磁栅等，这些办法的首要缺陷大多为手艺丈量，不容易完成主动化，丈量精度受到约束[1~5]。光学测角办法因为具有非触摸、高准确度和高灵敏度的特色而倍受人们的注重，尤其是安稳的激光光源的开展使工业现场丈量成为可能，因而使光学测角法的运用越来越广泛，各种新的光学测角办法也应运而生。现在，光学测角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[6]、衍射法[7，8]、自准直法，[9，10]、光纤法[11]、声光调制法[12，13]、圆光栅法[14~17]、光学内反射法[18~23]、激光干与法[24~28]、平行干与图法[29，30]以及环形激光法[31~33]等。这些办法中的许多办法在小视点的精细丈量中现已得到了成功的运用，并得到了较高的丈量精度和丈量灵敏度，经过恰当的改善还可对360度整周视点进行丈量关于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等来说，因为运用较多，技能比较老练，本文不作详细介绍。下面首要介绍几种近几年来开展起来的小视点丈量办法和可用于整周角丈量的办法。

　　圆光栅是视点丈量中最常用的器材之一。作为视点丈量基准的光栅能够用均匀读数原理来减小由分度差错和设备偏疼差错引起的读数差错，因而其准确度高、安稳牢靠。但在动态丈量时，在10r/S 的转速下，要想到达1的分辨率都十分困难。现在我国的国家线线/周的圆光栅体系，分辨率为0.001，总的丈量不确认度为0.05。该丈量办法首要是在静态下的相对视点丈量。英国国家物理实验室（NPL）的E W Palmer 介绍了一台作为视点基准的径向光栅测角仪，如图1所示，既可用于测角，又可用于标定。其原理是运用两块32400线r/S 的同一个轴套上，两个读数头一个固定，一个装在转台上接连旋转，信号间的相位差改变与转角成正比。仪器顶用一个自准直仪作为基准指示器，能够测得肯定视点，运用光栅细分原理可测360度规模内的恣意视点，附加零伺服机构能够对转台进行实时调整，约束零漂。用干与仪作为读数头，可进行高精度丈量。按95%置信度水平确认其体系差错的不确认度为0.05[15]。

　　德国联邦物理研讨院（PTB）的Anglica Taubner等人用衍射光栅干与仪丈量滚动物体，能够检测角加速度、角速度、转角。检测原理光路如图2所示。单频He-Ne激光器宣布的光经过柯斯特分束棱镜后在出射方向分束位两束平行光，这样因为气流和温度改变引起的两条光路的改变持平。经过变形透镜后直射或斜射到随被测件一同滚动的反射型衍射光栅上，该光栅是PBT特制的2400线/Mm正弦相位光栅。干与信号由光电探测器承受，该体系检测正弦信号时丈量灵敏度不确认度为0.3%，测旋转物体时相位差不确认度为0.2%，该体系的首要问题是灵敏度十分杂乱[16]。在此根底上作了相应的改善，并进行了标定[17]。

　　光从光密介质传到光疏介质时，当入射角大于临界角时发生全反射现象。内反射法小视点丈量便是运用在全反射条件下入射角改变时反射光强的改变联系，经过反射光强的改变来丈量入射角的改变的。因为入射角在临界角邻近线性较好，跟着入射角的细小改变，反射光的强度发生急剧改变，因而丈量时一般界说一个临界角邻近的初始角0 ，被测角为相关于该初始角的角位移，这样就能够充分运用临界角邻近灵敏度较高的特色，进行小视点的高精度丈量。该丈量办法存在的一个问题是入射角和反射光强之间的联系对错线形的，灵敏度因而受到约束。为了减小函数非线性对丈量成果的影响，选用差分式丈量，其原理如图3所示，首要别离测出0+和0 -的反射光强的改变，然后用线性化公式进行处理，以得到相应的视点值。内反射法是由P S Huang等人提出来的[18]，用该办法制成的测角仪体积能够做得很小，因而特别适用于尺度受约束的空间小视点的在线丈量，并且结构简略，本钱低。丈量的灵敏度取决于初始入射角和全反射的反射次数，添加反射次数能够进步灵敏度，进步分辨力，但丈量规模就相应变小。因而P S Huang等人又在此根底上制成了屡次反射型临界角视点传感器，用加长的临界角棱镜替代图3的直角棱镜以添加反射次数，如图4所示。该仪器可用于外表描摹、直线度、振荡等方面的丈量。在丈量视点方面，以3弧分规模内的分辨力为0.02弧秒。在接下来的作业中，P S Huang 等人又将其测角规模扩展到30弧分，输出信号峰－峰值的漂移小于0.04弧秒[19,20]。该仪器的缺陷是本钱高,加长的临界角棱镜加工困难。台湾的National Chiao Tung University的Ming-Hong Chin等人在此原理根底上，提出了全内反射外差干与测角办法。用外差干与测角办法。用外差干与仪丈量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角规模扩展到10。，分辨力随入射角的巨细改变，最佳分辨力可达8×1 0－5度[21]。Hong Kong University Of Science And Technology的Wei Dong Zhou等人选用差动共光路结构，大大进步了体系的线】。天津大学和日本东北大学在这方面也进行了一些研讨[23]。

　　视点能够表明为长度之比，长度的改变能够用激光干与法在视点丈量中得到广泛的运用。干与测角法不只能够丈量小视点，并且也能够丈量整周视点。4.1 激光干与小视点丈量

　　干与小视点丈量的根本原理能够表明成图5的方式。选用迈克尔逊干与原理，用两路光程差的改变来表明视点的改变，经角锥棱镜反射的一路光的光程跟着转角的改变而改变，因而干与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[24]。在此原理根底只上开展起来的视点丈量体系都致力于光路结构的改善和消除各种差错要素的影响。经过改善后能够丈量大约90度的视点，但各种差错要素跟着所测视点的增大而急剧添加，因而该体系的丈量规模约束在几度内，在此规模内具有极高的丈量准确度。这种技能现已开展得十分老练，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干与小视点丈量技能作为小视点丈量的国家基准[25]。为了消除转盘径向移动对视点丈量的影响，选用如图6所示的丈量光路，用两个角锥棱镜构成差动丈量，大大进步了体系的线性和灵敏度。为了添加干与仪抗环境搅扰的才能，能够选用双频激光外差干与丈量法，用双频激光替代一般光源。用这种办法丈量平面角，灵敏度可达0.002[26]。

　　上面介绍的干与法小视点丈量体系，丈量规模大约在几度以内，而大规模的视点丈量要求越来越多，为了处理整周视点的丈量问题，对上述办法进行了相应的改善，提出了几种新的激光干与恣意视点丈量办法。

　　该体系的结构如图7所示。体系的中心部分由旋转镜RM、旋转镜悬架SU以及防歪斜设备TP构成。防歪斜设备TP能够确保在一周的旋转规模内，由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线一直与入射的激光束平行。当旋转镜悬架SU滚动角时，旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离，光电元件接纳的干与条纹数发生相应的改变[25]。该办法存在的首要问题时平面镜的外表描摹和两平面镜的直角差错都会对丈量成果发生影响，别的机械导杆的运动平稳度也会使成果发生差错，需求用算法进行批改。

　　两块平面镜以必定的夹角摆放而构成的光学组件即为定值角，用规范定值角替代迈克尔逊干与仪中的丈量干与经就构成定值角干与仪。天津大学依据该原理规划的一个双定值角型测角体系光路如图8所示。由激光器1初涉的光束经扩展镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分红两束，别离进入由长平面镜9和被检多面棱镜12构成的双定值角，经反射后在分光镜8上发生干与，干与信号由CCD元件4接纳。这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丈量－盯梢干与仪，作业原理与其完全相同。该体系能在0～360度规模内完成恣意视点的高准确度丈量，丈量不确认度优于0.3[27]。该办法的首要问题是规范定值角的加工及设备精度比较难确保，并且丈量进程中需求一套双定值盯梢体系，结构比较杂乱。

　　运用双光线经过楔形平板时光程差改变与平板转角的联系，测得光程差的改变，然后得出相应的转角改变。体系根本原理如图9所示。由双频激光器宣布的激光束经过分光镜分为两束，反射光经检偏器1后由光电接纳器接纳，构成参阅信号。投射的一束光是丈量光路，经过偏振偏光镜将偏振方向彼此笔直的两路光分隔，频率别离为F1和F2，两路光别离经过/4波片和楔形平板后由角锥镜反射回偏振分光镜铲射发生干与信号，经检偏器后由光电接纳器2吸收，将光电接纳器1、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，即随平板移动而改变，因而能够得到楔形平板转角的信息。体系中光线次经过楔形平板，选用了差动结构，能够消除楔形平板的平移和摇摆差错发生的影响。该体系能够主动判别转台的滚动方向，可丈量360度规模内的转角，动态相应规模为4r/S。可是，体系灵敏度在整个丈量方位内不是常数，为了战胜这以缺陷，运用在空间彼此笔直的两套丈量光路以消除90度和270度两个死点，这样就使体系的体积十分巨大，结构杂乱。别的，因为运用多个角锥反射镜，使光路装调比较困难，很难在实践中运用。

　　为了处理以上问题，本文作者在此原理的根底上提出了一种基丁光栅楔形平板的双频激光干与视点丈量的新办法，能够简化丈量设备，相应的进步体系灵敏度和丈量精度。

　　由上所述能够看出激光干与测角法的最大长处是准确度高、信号均匀性好、信噪比高，有期望到达一般办法达不到的准确度，因而在高精度视点丈量中得到了许多的运用。其缺陷是结构杂乱，较难在现场运用。跟着激光干与丈量仪器的改善及新式激光光源的诞生和改善，能够得到进一步开展。

　　环形激光器已开展成为在360度整周视点规模内的高丈量精度和高丈量分辨力的视点和角速度传感器，在惯性导航和角速度定位方面有重要的用处。环形激光是转速丈量准确度最高的办法，转速丈量相对准确度可到达10－6。研讨环形激光器最多的国家是德国和俄罗斯。用该技能测角有以下长处：

　　缺陷是加工工艺难以确保，本钱高，对环境要求严厉，这是环形激光器没有得到许多运用的最首要原因。首要差错来历是频锁、零飘、频率牵引和地球自转的影响。

　　环形激光测角的根本原理如图10所示。当被检量具和环形激光器相关于中止的光电自准直仪同步滚动时，在瞄准轴与量具棱面发现相重合的瞬间，被测视点转换成由光电流触发和中止脉冲所需的时刻距离，接口设备在此距离内对环形激光脉冲读数[31]。圣彼得堡电子大学和PTB协作研发的精细环形激光测角计可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部视点丈量和测角仪自身的内部旋转角丈量。该设备的原理和上面介绍的根本相同。为了消除环形激光器份额系数肯定值长时刻动摇引起的丈量差错，与丈量进程一起进行激光器校准，即用2视点（整转）内的周期数相加的办法确认环形激光器差频周期角值。与规范视点丈量办法比较，该设备在1r/S的转速规模内，丈量准确度到达0.5rad(0.1)[32]。他们还将环形激光用于衍射光谱仪衍射角的丈量，在0度到360度规模内丈量差错大约为0.05弧秒[33]。

　　经过对现在常用的几种光学测角的办法的介绍能够看出，光学测角法在视点丈量中现已得到了广泛的运用，并且到达了很高的丈量精度。圆光栅在视点丈量中的运用十分广泛，在整周恣意视点的丈量中也到达了极高的准确度。其缺陷是对光栅与转台的对心准确度要求较高，高准确度光栅的制造加工困难。光学内反射法小视点丈量的首要长处是体积小，能够做成袖珍式测角仪，但其丈量规模也很小，因而只能用于小视点丈量。激光干与测角技能的最大长处是丈量精度高，小视点丈量现已到达了极高的准确度，各种不同的丈量仪器在静态和动态丈量的条件下也具有结构简略、安稳性好、仪器只能化等许多长处。作恰当的改善，消除差错要素可进行整周视点丈量。但现在的作用不很抱负，丈量精度不是很高，并且体积巨大，不适合在现场运用，因而还需求作进一步研讨。在整周视点丈量中，环形激光器被以为优于现在其他技能。该办法的缺陷是只能完成动态丈量，对丈量条件要求很高，但该办法在动态整周视点丈量方面是一个十分有出路的开展方向。