【正文】 理。同時(shí)，由于處理程序很少，執(zhí)行時(shí)間短，串行通信部分可采用查詢方式完成。 應(yīng)用實(shí)例 把該設(shè)計(jì)應(yīng)用到筆者開發(fā)的項(xiàng)目 — 某型轉(zhuǎn)達(dá)訓(xùn)練系統(tǒng)上。采用圖 3 和圖 5 所示的電路設(shè)計(jì)方案，用該碼盤連續(xù)采集空中飛行目標(biāo)的方位角和高低角。 以高低角采集為例，系統(tǒng)指標(biāo)要求高低角變化范圍是 50～ 1450 密位，設(shè)計(jì)中采用的編碼膠片精度是 480 單位 /圈。如文中圖 1 所示，由于編碼膠片是圓形的，且一個(gè)黑色或一個(gè) 魄區(qū) 間均可稱為一個(gè)單位，所以計(jì)算其精度時(shí)用每圈包含的黑白區(qū)間個(gè)數(shù)確定，因此用單位 /圈。對高低角增減判斷 主要通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，這段程序如下。 MAIN1： MOV A， R4 ；讀驪盤 A、 B 信號到碼盤狀態(tài)暫存器 R4 MOV C， ； 為 A 信號采集端口， RLCA ；用于 A 信號新舊狀態(tài)轉(zhuǎn)換 MOV C， ； 為 B 信號采集端口， RLCA ；用于 B 信號新舊狀態(tài)轉(zhuǎn)換 MOV R4， A ANL A， 0FH ；計(jì)算散轉(zhuǎn)地址 MOV B， 03H MUL AB MOV DPTR， TIM1； TIM1 為狀態(tài)真值表首地址 LJMP @A+DPTR ；散轉(zhuǎn)至真值表 然后，通過查真值表狀態(tài)值， 轉(zhuǎn)入處理程序?qū)崿F(xiàn)角度的加減。若出現(xiàn)丟碼現(xiàn)象，說明單片機(jī)采集速度低于碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可根據(jù)實(shí)際情況更換采集芯片或降低碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度。同時(shí)，通過規(guī)定編碼膠片每旋轉(zhuǎn)個(gè)單位對應(yīng)的角度值變化 1密位（密位是軍事用語，一種更精確的劃分角度方法，一周為 360 度， 6000 密位）和相應(yīng)的單位轉(zhuǎn)換。在軟件中確定了碼盤采集量的上下限和單位變化量，從而限定了高低角的變化范圍，也達(dá)到了采集精度要 求 。 通過示波器檢測硬件電路單個(gè)信號波形，得到圖 8 所示關(guān)系。 說明實(shí)際應(yīng)用電路中各級輸出信號與原理電路的設(shè)計(jì)完全相符，軟件采集的信號為真 實(shí)值。 經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該方案設(shè)計(jì)的碼盤能準(zhǔn)確的采集目標(biāo)參數(shù)，使系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤。 本文介紹的測角碼盤設(shè)計(jì)方案使用的都是容易購買的簡單器件，且軟件編程任務(wù)量少。此外，可通過在旋轉(zhuǎn)軸上安裝微動(dòng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)碼盤計(jì)數(shù)的快慢變化，還可通過采用絕對式編碼膠片進(jìn)一步提高采集精度。 第二章 角度測量的其它方法 角度測量是幾何量計(jì)量技術(shù)的重要組成部分，發(fā)展較為完備，各種測量手段的綜合運(yùn)用使測量準(zhǔn)確度達(dá)到了很高的水平。角度測量技術(shù)可以分為靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量兩種。對于靜態(tài)測量技術(shù)來說，目前的主要任務(wù)集中在 如何提高測量精度和測量分辨力 [1~3]上。隨著工業(yè)的發(fā)展，對回轉(zhuǎn)量的測量要求也越來越多，因此人們在靜態(tài)測角的基礎(chǔ)上，對旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角測量問題進(jìn)行了大量的研究， 產(chǎn)生了許多新的測角方法。 測角技術(shù)中研究最早的是機(jī)械式和電磁式測角技術(shù)，如多齒分度臺和圓磁柵等，這些方法的主要缺點(diǎn)大多為手工測量，不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測量精度受到限制 [1~5]。光學(xué)測角方法由于具有非接觸、高準(zhǔn)確度和高靈敏度的特點(diǎn)而倍受人們的重視，尤其是穩(wěn)定的激光光源的發(fā)展使工業(yè)現(xiàn)場測量成為可能，因此使光學(xué)測角法的應(yīng)用越來越廣泛，各種新的光學(xué)測角 方法也應(yīng)運(yùn)而生。目前，光學(xué)測角法除眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法 [6]、衍射法 [7， 8]、自準(zhǔn)直法， [9， 10]、光纖法 [11]、聲光調(diào)制法 [12， 13]、圓光柵法 [14~17]、光學(xué)內(nèi)反射法 [18~23]、激光干涉法 [24~28]、平行干涉圖法 [29，30]以及環(huán)形激光法 [31~33]等。這些方法中的很多方法在小角度的精密測量中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，并得到了較高的測量精度和測量靈敏度，通過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)還可對 360 度整周角度進(jìn)行測量對于眾所周知的光學(xué)分度盤、軸角編碼器、光電光楔測 角法等來說，由于應(yīng)用較多，技術(shù)比較成熟，本文不作具體介紹 。下面主要介紹幾種近幾年來發(fā)展起來的小角度測量方法和可用于整周角測量的方法。 圓光柵測角法 圓光柵是角度測量中最常用的器件之一。作為角度測量基準(zhǔn)的光柵可以用平均讀數(shù)原理來減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數(shù)誤差，因此其準(zhǔn) 確度高、穩(wěn)定可 *。但在動(dòng)態(tài)測量時(shí)，在 10r/s 的轉(zhuǎn)速下，要想達(dá)到 139。的分辨率都非常困難。目前我國的國家線角度基準(zhǔn)采用 64800 線 /周的圓光柵系統(tǒng)，分辨率為39。39。，總的測量不確定度為 39。39。該測量方法主要是在靜態(tài)下的相對角度測量。 英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（ NPL）的 E W Palmer 介紹了一臺作為角度基準(zhǔn)的徑向光柵測角儀， 如圖 1 所示，既可用于測角，又可用于標(biāo)定。其原理是利用兩塊32400 線的徑向光柵安裝在 ，兩個(gè)讀數(shù)頭一個(gè)固定，一個(gè)裝在轉(zhuǎn)臺上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號間的相位差變化 與轉(zhuǎn)角成正比。儀器中用一個(gè)自準(zhǔn)直儀作為基準(zhǔn)指示器，可以測得絕對角度，利用光柵細(xì)分原理可測 360 度范圍內(nèi)的任意角度，附加零伺服機(jī)構(gòu)可以對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，限制零漂。用干涉儀作為讀數(shù)頭，可進(jìn)行高精度測量。按 95%置信度水平確定其系統(tǒng)誤差的不確定度為 39。39。[15]。 德國聯(lián)邦物理研究院 （ PTB）的 Anglica Taubner 等人用衍射光柵干涉儀測量轉(zhuǎn)動(dòng)物體 ，能夠檢測角加速度、角速度、轉(zhuǎn)角。檢測原理光路如圖 2 所示。單頻HeNe 激光器發(fā)出的光經(jīng)過柯斯特分束棱鏡后在出射方向分束位兩束平行光，這樣由于氣流和溫度變化引起的兩條光路的變化相等。經(jīng)過變形透鏡后直射或斜射到隨被測件一起轉(zhuǎn)動(dòng)的反射型衍射光柵上，該光柵是 PBT 特制的 2400 線 /mm正弦相位光柵。干涉信號由光電探測器接受，該系統(tǒng)檢測正弦信號時(shí)測量靈敏度不確定度為 %，測旋轉(zhuǎn)物體時(shí)相位差不確定度為 %，該系統(tǒng)的主要問題是靈敏度非常復(fù) 雜 [16]。在此基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改進(jìn)，并進(jìn)行了標(biāo)定 [17]。 光學(xué)內(nèi)反射小角 度測量法 光從光密介質(zhì)傳到光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象。內(nèi)反射法小角度測量就是利用在全反射條件下入射角變化時(shí)反射光強(qiáng)的變化關(guān)系，通過反射光強(qiáng)的變化來測量入射角的變化的。由于入射角在臨界角附近線性較好，隨著入射角的微小變化，反射光的強(qiáng)度發(fā)生急劇變化，因此測量時(shí)通常定義一個(gè)臨界角附近的初始角 θ0 ，被測角為相對于該初始角的角位移 Δθ，這樣就可以充分利用臨界角附近靈敏度較高的特點(diǎn)，進(jìn)行小角度的高精度測量。該測量方法存在的一個(gè)問題是入射角和反射光強(qiáng)之間的關(guān)系是非線形的，靈敏度因此受到限制。 為了減小函數(shù)非線性對測量結(jié)果的影響，采用差分式測量，其原理如圖3 所示，首先分別測出 θ0+Δθ 和 θ0 Δθ 的反射光強(qiáng)的變化，然后用線性化公式進(jìn)行處理，以得到相應(yīng)的角度值。內(nèi)反射法是由 P S Huang 等人提出來的 [18]，用該方法制成的測角儀體積可以做得很小，因此特別適用于尺寸受限制的空間小角度的在線測量，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低。測量的靈敏度取決于初始入射角和全反射的反射次數(shù)，增加反射次數(shù)可以提高靈敏度，提高分辨力，但測量范圍就相應(yīng)變小。因此 P S Huang 等人又在此基礎(chǔ)上制成了多次反射型臨界角角度傳感器， 用加長的臨界角棱鏡代替圖 3 的直角棱鏡以增加反射次數(shù)，如圖 4 所示。該儀器可用于表面形貌、直線度、振動(dòng)等方面的測量。在測量角度方面，以 3 弧分范圍內(nèi)的分辨力為 弧秒。在接下來的工作中， P S Huang 等人又將其測角范圍擴(kuò)大到 30 弧分，輸出信號峰－峰值的漂移小于 弧秒 [19,20]。該儀器的缺點(diǎn)是成本高 ,加長的臨界角棱鏡加工困難。臺灣的 National Chiao Tung University 的 MingHong chin 等人在此原理基礎(chǔ)上，提出了全內(nèi)反射外差干涉測角方法。用外差干涉測角方法。用外 差干涉儀測量 S 偏振光和 P 偏振光之間的相位差，將傳感器的測角范圍擴(kuò)大到 10。，分辨力隨入射角的大小變化，最佳分辨力可達(dá) 8 1 0－ 5 度 [21]。 Hong Kong University of Science and Technology的 Wei Dong Zhou 等人采用差動(dòng)共光路結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的線性，并獲得了 0。 3 角秒的最佳分辨力【 22】。 天津大學(xué)和日本東北大學(xué)在這方面也進(jìn)行了一些研究 [23]。 激光干涉測角法 角度可以表示為長度之比，長度的變化可以用激光干涉法在角度測量中得到廣泛的運(yùn)用。干涉測角法不僅可以測量小角度，而且也可以測量整周角度。 激光干 涉小角度測量 干涉小角度測量的基本原理可以表示成圖 5 的形式。采用邁克爾遜干涉原理，用兩路光程差的變化來表示角度的變化，經(jīng)角錐棱鏡反射的一路光的光程隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，因此干涉條紋也發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，測得條紋的移動(dòng)量，就可測得轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角 [24]。在此原理基礎(chǔ)只上發(fā)展起來的角度測量系統(tǒng)都致力于光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和消除各種誤差因素的影響。經(jīng)過改進(jìn)后可以測量大約 90 度的角度，但各種誤差因素隨著所測角度的增大而急劇增加，因此該系統(tǒng)的測量范圍限制在幾度內(nèi)，在此范圍內(nèi)具有極高的測量準(zhǔn)確度。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟， 美國、日本、德國、俄羅斯等國家早已將激光干涉小角度測量技術(shù)作為小角度測量的國家基準(zhǔn) [25]。為了消除轉(zhuǎn)盤徑向移動(dòng)對角度測量的影響，采用如圖 6 所示的測量光路，用兩個(gè)角錐棱鏡形成差動(dòng)測量，大大提高了系統(tǒng)的線性和靈敏度。為了增加干涉儀抗環(huán)境干擾的能力，可以采用雙頻激光外差干涉測量法，用雙頻激光代替普通光源。用這種方法測量平面角，靈敏度可達(dá) 39。39。[26]。 激光干涉任意角測量方法 上面介紹的干涉法小角度測量系統(tǒng)，測量范圍大約在幾度以內(nèi)，而大范圍的角度測量要求越來