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角度测量技术的发展
角度测量技术的发展
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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{jI’介绍,主要介绍了其中最具有发展前途的光学测角技术。对圆光栅测角弦、激光f涉测角法和环形激光铡角法分别避行了详细的介绍.给出丁每种方法的测量原珲和麻用场台,并指出r各种方{击的优蛱点。
关键词:角度测量,光学力法,激光干涉,环形激光
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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米进行
角度测最是计量科学中发展较为完备的一个分meiwen.anslib.com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【1J。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”J。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。
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榆定系统,在95%的置信区问内,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r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
测角技术中研究晟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。从朦珲上讲,完全有可能设计四层或更多层的多齿分度台,fH由千各层之问的同轴度难以保证.齿盘起落结构复杂等啄因而难以实现。,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v叩一05型角度测量仪最
小廿壁间隔l5.测量准确度为0.1”。….
2机械武和电磁武测角技术
测量,不容易实现自动化,测量精度受到限制..
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。日前,光学测角方法踪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u及环形激光法等,这屿方法大多都已成功应用于小角度的精密测量中,并达到r很高的洲量精度.用十360。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JL种
电磁分度测角技术主要有圆磁栅测角和感应同步
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<激光杂志)2002年第23卷第2期LASERJ吼JRNAL(vol
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3.1圆光栅测角
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0.001。.总的测量不确定度为0051引。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,而且必须对圆光播进行相应的标定。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
根据所测角度的太小,激光测角技术叉可以分为小角度测量和任意角度测量。
3
速测量相对准确度可达10~。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【9J。该技术测角的摄太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,测量准确度达到了01”L…。
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一跟踪干涉仪。该系统能在0—360’范围内实现任意角度的高准确度测量,测量不确定度优于0.311i)o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~套双频激光楔形平板干涉任意转角铡量系统.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l接收,形成参考信号。透射的一柬光是测量光路,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和丘,两路光分别经过x/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,可得到多瞢勒频差.该频差值随光程整而变.郎随平板转动而变化,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r改进方法…J.目前这一工作仍在进行中
2.1激光小角度测量技术
1利用光学内反射原理进行小角度测量
32.1
内反射法小寅度测量技术就是利用全反射条件下人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,可以做成抽珍虱测角仪,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r6】。
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订】。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,用两个角惟棱镜形成差动测量.大大提高了系统的线性和灵敏度,在一5‘一+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角,灵敏度可达0.002”18J,
3
2.2激光任意角度测量技术
2
3.2
I环形激光任意角度测量
王{形激光星[1前转速测量准确度最高的方法,转
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图1内反射型角度传基器原理图
图2澈光干涉小角度测量原理圈
图3兰动式激光干涉测角装置
图4双定值角型任
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图5双顿激光楔形平板干涉转角铡量原理图
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[4]
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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铡角技术为主.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。
参考文献
[1)张琢.动态转角测量及其误差检测技术的研究.哈尔滨
工业大学博士学位论文1996:I一7(2]
Akira
Goniometer,Mtb【洲…us】v
as
Rotating
GratingstotUseing
Angle
Standard
P矾mlonEngineer-
Angle
1988,lO(3):147—152
Huang.S
On
[5JP.SBased
Kiyono.and
Kamada
M∞sur∞mt
theIntern,a[~reflectionEfhitw:aNewMethod
1992.31(28):6047—6055
ChinSu
AppliedOptics
【6]Mi《一HongChiu.Der
OpticEngineering
AngleMee%urementUs-
ingTotal—internal—reflectiogaHetemdyneInterfemn"tW
1997,36(6):1750
1753
mtcrferom
[7]Ikram,Me-咖r。Hus鼬in.Ghnzanf^r
et甘for
precisionangle
120
Michelaon
r【1朗gLⅡa硼n
AppLied(如tics1999,
(38)1:113
(8]
Richard
Jalxeml-.iAngleInteHer蜘ce
SynpasiurnTokyo
in
M∞s咖饥t
on
Pro—for
ct商ngoftheInternatlonol
Metrology
Q叫时Contzol
163一168
Production1984:184一189
[9]绦教等环形激光精密测角.计量学报1981.2(3):【10]Filatov.Yu.V;Loukianc,v,D
hy
gleⅡ*㈣eln
tie
P;prohsl,R【枷删an
a
mcaruofring
la.ser
Metrolngia
1997.(34)4:343—351
[11)GZhang.cWang.Xu.Hu
Mea宴L1re-
system
F
Toym-.aPr魍ent
in
SLateofPreeisienAngle
ofthe
for懈uring
3
5
Jiag
Alaser
inter[e娜let—
Annalsof
the
arbitrary
angb
r№t
Techniqum
JapanBulletin
JalxmSocietyof
CIRP1987.(36)1:395—398
Pr%is酾blgimer吨.1981,15(1):1—6
【3]孙方金精密铡角转台计量学报.1986,7(4):291—
295
[12]张琢等.双额激光楔形平板干涉法测量转角
术.1994盯8
计量技
[t3]睁卫等反射式阿耀光橱嵌形平板用于转角攫I量仪
器仪表学报2001年第3期(增刊):96
98
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寻治疗与研究学术研讨舍将于2002年7月11—14日在山东
j省临沂市举行。会议由中华13腔医学会1:3睦顾面外科专业肤投稿、参加会议。投稿要求:论史全文厦400字以内中文F3委员会主办.山东临沂地区肿瘤医院承办。会议将邀请国4段结构式摘要各1份.擅要分目的、方法、结果和结论,辅£j内知名专家作相关学术报告,采取专题讨论与大会发言的件请寄:E海市制造局路639号(邮编200011)卜海第二£
医科大学附属第九人民医院口腔颔面外科:交流形势.对血管瘤和血管畸形的基础研究与临睐诊治的吲同瑜博1。E
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角度测量技术的发展
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
陶卫, 浦昭邦, 孙运斌
哈尔滨工业大学305信箱,哈尔滨,150001激光杂志
LASER JOURNAL2002,23(2)21次
参考文献(13条)
1.张琢 动态转角测量及其误差检测技术的研究 1996
2.Akira Toyama Present State of Precision Angle Measurement Technique in Japan 1981(01)3.孙方金 精密测角转台 1986(04)
4.E.W.Palmer Goniometer with Continuously Rotating Gratings for Use as Angle Standard[外文期刊]1988(03)
5.P.S.Huang;S.Kiyono;Kamada Angle Measurement Based on the Internal-reflection Effect:a New Method1992(28)
6.Ming-Hong Chiu;Der- Chin Su Angle Measurement Using Total-internal-reflection HeterodyneInterferometry[外文期刊] 1997(06)
7.Ikram;Masroor;Hussain;Ghazanfar Michelson interferometer for precision angle measurement[外文期刊]1999(01)
8.Richard Jabconaki Angle Interference Measurement 19849.徐毅 环形激光精密测角 1981(03)
10.Filatov,Yu.V;Loukianov,D.P;Probst,R Dynamic angle measurement by means of a ring laser 1997(34)11.G.Zhang;C.Wang;Xu.Hu;F.Jing A laser interferometric system for measuring arbitrary angles[外文期刊] 1987(36, 1)
12.张琢 双频激光楔形平板干涉法测量转角 1994
13.陶卫 反射式闪耀光栅楔形平板用于转角测量 2001(3,增刊)
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1. 董玉启.张泽辉 角度测量及其误差控制[期刊论文]-中小企业管理与科技2010(16)2. 杨朋利 角度测量的几种光学方法[会议论文]-2006
3. 浦昭邦.陶卫.张琢 角度测量的光学方法[期刊论文]-光学技术2002,28(2)
4. 李金阳.吴简彤.韩慧群.LI Jin-yang.WU Jian-tong.HAN Hui-qun 小角度测量的光学方法及应用[期刊论文]-应用科技2006,33(7)
5. 周红锋.宫爱玲 小角度测量的光学方法[期刊论文]-计量技术2006(7)
6. 熊昌友.周自力.李俊强 圆光栅测角仪的研制[期刊论文]-航空计测技术2001,21(5)
7. 韩军海.陈家斌.于家成 CCD技术在非接触式角度测量中的应用[期刊论文]-中国造船2003,44(4)8. 刘金华.张先鹤.LIU Jin-hua.ZHANG Xian-he 激光扫描角度测量研究[期刊论文]-激光杂志2007,28(3)9. 钱建强.李俊锋.王东生.QIAN Jian-qiang.LI Jun-feng.WANG Dong-sheng 高精密角度分度测量控制系统的研究[期刊论文]-计测技术2005,25(2)
10. 吴易明.高立民.陈良益.WU Yi-ming.GAO Li-min.CHEN Liang-yi 基于偏振光的精密角度测量及传递技术[期刊
引证文献(24条)
1.于冀平.郭继平 动态角测量方法研究进展[期刊论文]-中国测试 2012(3)
2.于洵.申双琴.徐岩.谢辉 一种基于陀螺的炮塔转角动态高精度测量方法[期刊论文]-国外电子测量技术 2012(12)3.杜宇波 一种新型三针法角度精密测量仪的原理与结构[期刊论文]-机械设计与制造 2011(11)4.江洁.苗准.张广军 点结构光动态姿态角测量系统[期刊论文]-红外与激光工程 2010(3)5.张吉月.于静 系列运动参数数字检测技术的研究[期刊论文]-北京石油化工学院学报 2009(2)6.刘威 基于多齿分度盘的精密分度与测角技术研究[学位论文]硕士 2006
7.周保玉.陈培锋.朱明珠.曾为 基于PSD的微小角度动态测量研究[期刊论文]-自动化技术与应用 2005(4)8.郑卫兵.姜安婕 斜孔角度专用测量仪设计[期刊论文]-安徽职业技术学院学报 2011(3)9.杨泽林.陈以东.何云祥 锥度(角)测量方法研究及传感器设计[期刊论文]-机械制造 2009(10)
10.曾捷.梁大开.曾振武.杜艳 表面等离子体波传感器角度敏感特性的研究[期刊论文]-光学技术 2007(2)11.高亮.阚珊珊.李敏.尼启良.陈波 压电陶瓷精密转动平台的转角精度测量[期刊论文]-光学精密工程 2007(2)12.刘骏跃.陈明 SAW陀螺效应声光衍射角度及其微小变化的CCD检测系统[期刊论文]-传感技术学报 2007(4)13.董玉启.张泽辉 角度测量及其误差控制[期刊论文]-中小企业管理与科技 2010(16)
14.朱何.李胜.阮健 基于Mlx90316的电-机械转换器角位移测控系统[期刊论文]-机电工程 2012(9)15.范玲.宋菲君 基于调制偏振光的空间正交方位信息传递系统[期刊论文]-光学技术 2006(z1)16.洪小苗.郭培基 基于圆光栅莫尔条纹的CGH元件对准[期刊论文]-激光杂志 2012(4)
17.张国玉.姜会林.徐熙平.于化东.王凌云.刘旭力.黄澜.岳世新.彭慧 红外地球敏感器扫描镜摆角激光动态测试方法[期刊论文]-光学学报 2007(5)
18.赵建科.周艳 小视场长焦距镜头畸变高精度测量研究[期刊论文]-应用光学 2008(3)19.张冬花 结晶器锥度测量仪的研究[学位论文]硕士 200520.陈秋霞 高精度动态测角仪[期刊论文]-红外 2006(8)
21.方娟.洪延姬.叶继飞.王广宇 激光干涉法在扭摆法测量微冲量中的应用[期刊论文]-推进技术 2010(1)22.陈文明 微型扭杆扭转刚度及迟滞角测量装置的研究[学位论文]硕士 200523.戴美丽 同轴度测量仪的研制[学位论文]硕士 2005
24.刘春节 动力调谐陀螺仪一体式挠性支承关键技术研究[学位论文]博士 2006
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