【正文】 1 引言 測角技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概況 角度測量是計量科學(xué)的重要組成部分。隨著生產(chǎn)和科學(xué)的不斷發(fā)展，角度測量越來越廣泛的應(yīng)用于機械、光學(xué)、航空、航天、航海和軍事等領(lǐng)域，技術(shù)水平和測量精度也不斷提高。國內(nèi)外許多部門和研究機構(gòu)相繼研制出許多測角儀器，以滿足經(jīng)濟，國防和科研的需要。由于采用先進的科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化設(shè)備，使測量范圍和精度不斷提高。近年來，特別是計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得角度測量得以實現(xiàn)自動化 [1]。 各種測角技術(shù)和測角裝置根據(jù)不同的技術(shù)要求和應(yīng)用環(huán)境，有著各自不同的特點。 機械式測 角技術(shù) 以多齒分度盤為代表的機械式圓分度器件，具有工藝好，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，對環(huán)境要求底等優(yōu)點，是一種基于機械分度定位原理的技術(shù)。當(dāng)兩個齒數(shù)相同，模數(shù)相同的齒盤嚙合后，由于平均效應(yīng)，使準(zhǔn)確度大大提高。我國在彈性多齒分度臺的研制方面達到很高的水平，不確定度達到 ″到 ″，重復(fù)性達到 ″多齒分度盤測量角度，雖然準(zhǔn)確度高，但由于多齒盤和齒數(shù)不能無限的增加，因此細(xì)分受到限制，為解決這一矛盾，可用兩組或多組疊放在一起，利用差動法實現(xiàn)細(xì)分。由于差動多齒分度臺操作復(fù)雜，所以從原理上講，完全可以設(shè)計 四層或更多層，但往往很難實現(xiàn)，原因就在這里 [2]。 光學(xué)式測角技術(shù) 用光學(xué)方法測量角度，比一般的機械方法有更高的準(zhǔn)確度，而且易于細(xì)分，目前，國內(nèi)外用于測角的光學(xué)式測角技術(shù)主要有光學(xué)分度頭測角、圓光柵測角、環(huán)行激光器測角、激光干涉測角等 [3]。 1． 光學(xué)分度頭測量 光學(xué)分度頭的規(guī)格型號較多，用光學(xué)分度頭測量試件，常采用多次測量，用算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，以提高測量結(jié)果。為了消除分度頭度盤偏心引起的誤差，以進一步提高測量準(zhǔn)確度，還可以將被測試件相對于分度頭度盤依次按放在三個等分位置上進行測量，取其 平均值作為測量結(jié)果。由于分度盤上周圍封閉的特點，可以將大部分分度盤偏心的影響消除。 2． 圓光柵測角 圓光柵是目前角度測量的主要器件之一，對于高準(zhǔn)確度、高分辨力的角度測量來說，產(chǎn)生能夠細(xì)分的原始信號是十分重要的。利用圓光柵摩爾條紋現(xiàn)象產(chǎn)生的信號很大程度上能滿足這些要求。圓光柵測角技術(shù)已有廣泛應(yīng)用，如光柵刻度機、光柵編碼器、光柵分度頭等。 我國研制的光柵式度盤檢查儀，利用兩切向圓光柵形成的摩爾條紋進行分度，由于環(huán)行摩爾條紋本身有很好的平均效應(yīng)，在圓光柵上采用多塊光電池組成整周封閉的光電接受系統(tǒng)，使圓光柵形成準(zhǔn)確 度較高的角度定位標(biāo)準(zhǔn)，以比較法檢驗被檢度盤，就可以用于檢定 50㎜ — 160 ㎜的盤度。航空航天部第一測量測試研究所的精密數(shù)顯轉(zhuǎn)臺，是具有高準(zhǔn)確度，高分辨率、多功能的測角儀器，靜態(tài)分辨率為 ′。 英國的 NPL 最近研制了一臺有徑向光柵的測角儀作為角度基準(zhǔn)，該儀器利用兩個32400 條徑向光柵和兩個讀數(shù)頭，其中一個固定，一個隨工作臺轉(zhuǎn)動，采用兩個相同的干涉光路作為光柵的讀數(shù)。該測角儀穩(wěn)定性好、噪音小、可靠性高。法國研制的高分辨率光柵數(shù)字測角裝置，采用光測角原理，其分辨率為 ″，測量裝置的總誤差不超過″ [4]。 3． 光電角編碼器測角 將轉(zhuǎn)角大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字代碼的裝置叫角編碼器。角編碼器有許多類型，其中最常用的是光電角編碼器，光電角編碼器的輸出信號根據(jù)取信號的方法分為兩種：一是絕對測量法，另一種是增量測量法。由于絕對編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，需要運算，應(yīng)而不太普及。在增量式測角裝置上附加了絕對零為信號后，便具備了絕對編碼器的部分優(yōu)點。 目前，日本生產(chǎn)的高準(zhǔn)確角度傳感器幾乎都是增量式的。其分辨率與角度積累誤差都是幾秒級，可用于實現(xiàn)角度基準(zhǔn)。 4． 環(huán)行激光器測角 兩傳播方向相反的光束在閉合環(huán)路中行進時，若閉合 環(huán)路以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，則此反向的光束將產(chǎn)生誤差，且光程差的大小與環(huán)路旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。這就是賽納克效應(yīng)。這一現(xiàn)象為測量角度提供了理論依據(jù)，而高穩(wěn)頻激光的出現(xiàn)又使這一精確的測角方法能應(yīng)用于實際工作。利用這一現(xiàn)象來測量角度的裝置叫環(huán)形激光器。 以環(huán)形激光器組成的測角儀容易實現(xiàn)自校，可以在測量進程中確定環(huán)形激光器的比 例因子，從而大大減少測量誤差，使用方便可靠。在 0176。 360176。范圍內(nèi)，測量角度不必再劃分子范圍，其輸出信號是調(diào)頻信號，容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并可以用計算機作進一步處理。為了進行統(tǒng)計處理，可以在短時間 內(nèi)較容易地累積大量數(shù)據(jù)。而且，由于環(huán)形激光器實際上沒有慣性，這就可能用真實的時間刻度來進行測量。在一個具有 60mm 的等邊三角形共振腔環(huán)形激光器中，不用任何細(xì)分就可達到 個數(shù) /s 的分辨率 [5]。 5． 光波干涉測角 自從 上 世紀(jì) 60 年代激光出現(xiàn)以來，其技術(shù)水平和應(yīng)用都得到了迅速發(fā)展。由于它的亮度高，單色性好，方向性好和相干性好四大優(yōu)點，使它在計量科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。由于角度可以表示成長度之比，而長度的變化又可以激光干涉條紋數(shù)的變化來表示，因而，在長度測量中準(zhǔn)確度最高的激光干涉法在角度測量中的應(yīng)用日益廣 泛，技術(shù)水平也日益成熟，尤其在小角度測量方面 [6]。 角度干涉儀的優(yōu)點是準(zhǔn)確度高，缺點是裝置復(fù)雜，較難使用。這一點隨著激光干涉測量儀器的研制而有所改進。目前，干涉測角儀采用的干涉光路大多為邁克爾遜干涉光路，將光程差變換成角度實現(xiàn)測量。它們普遍存在的缺點是必須經(jīng)過檢定，而且測量范圍在 90176。以內(nèi)。因為光程差與角度不成線形關(guān)系，而且計數(shù)得到的干涉條紋只有與該裝置有關(guān)的一個輔助配合使用時，才能測出角度。當(dāng)干涉儀只用于測量小角度，將非線形保持得很小，而且不需要準(zhǔn)確知道輔助時，才能避免上訴缺點。 除了上述介紹的幾種光學(xué) 方法外，利用偏振光、光纖、雙頻激光測角也有所應(yīng)用。隨著計算機、電子技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為進一步研制高準(zhǔn)確度的光學(xué)測角裝置創(chuàng)造了條件，今后會有更先進的測角技術(shù)出現(xiàn)。 電磁分度 測角技術(shù) 電磁分度技術(shù)是新的測角技術(shù)，主要利用各種參數(shù)進行分度測角，大量應(yīng)用于進一步細(xì)分，使分度和測量范圍擴大，儀器的分辨能力高使用范圍廣泛 [7]。 1． 圓磁測角 在一個圓盤基體的表面鍍上一層磁膜，當(dāng)圓盤均勻旋轉(zhuǎn)時，把由一標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器發(fā)出的頻率極為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的正弦波電壓信號記錄在磁膜上，磁膜經(jīng)交流反復(fù)磁化，就形成與 磁極對應(yīng)的磁格，被記錄磁盤就是以磁波為分度標(biāo)準(zhǔn)的圓磁柵。 利用圓磁柵測角時，磁柵和被測試件同軸旋轉(zhuǎn)，再利用放磁頭將磁柵上的標(biāo)準(zhǔn)錄磁信號釋放出來進行處理。按拾起信號方式的不同，放磁頭分為靜態(tài)磁頭和動態(tài)磁頭兩種。 利用靜態(tài)放磁頭在理論上可以獲得秒級的分度準(zhǔn)確度，但由于磁柵強度分度、主軸回轉(zhuǎn)跳動和電路系統(tǒng)的不穩(wěn)定等因素的影響，往往影響準(zhǔn)確度的提高；而利用動態(tài)放磁頭可以提高分度準(zhǔn)確度。由于旋轉(zhuǎn)柵盤在使用中不停的旋轉(zhuǎn)，因此動態(tài)放磁頭降低了對磁柵盤錄磁的準(zhǔn)確度要求，可獲得較高的分度準(zhǔn)確度。磁柵的分度測量準(zhǔn)確度略低于光柵、同步感應(yīng)器。但由于錄制方便、時間短、價格低廉、可方便地錄制任意節(jié)距的磁柵、避免安裝誤差等獨特優(yōu)點而倍受青睞。 2． 感應(yīng)同步器測角 感應(yīng)同步器是利用電磁感應(yīng)原理將位移量轉(zhuǎn)換為電信號，并以數(shù)字脈沖形式輸出的基準(zhǔn)量，它日益廣泛的用于角度測量領(lǐng)域。 感應(yīng)同步器的一個節(jié)距為一個對極，根據(jù)使用要求的不同，感應(yīng)同步器的對極有很多種，如 180對極、 360 對極、 540 對極和 720 對極等，其相應(yīng)的切距分別為 2176。 ,1176。，40′和 30′。工作時許多節(jié)距同時起作用，故和多齒盤相似，有平均作用，也可獲得較高的分度準(zhǔn)確度 [8]。 總之， 隨著各種新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，角度測量的方法和準(zhǔn)確度也不斷完善和提高，國民經(jīng)濟發(fā)展的各個部門需要各種測角儀器，而各種測角儀器又都需要更高級的角度基準(zhǔn)或檢定方法來檢定。為此，就需要建立高準(zhǔn)確度的角度基準(zhǔn)和測角方法，角度測量也正是在不斷滿足這種需要的過程中不斷完善和發(fā)展的。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)的進步，角度測量也將向著更高準(zhǔn)確度、更高分辨率、更高測量速度的方向發(fā)展，測角儀器將趨向于小型化、智能化。 1． 2 本設(shè)計要研究的內(nèi)容和意義 以基本光電原理為依據(jù)的測試技術(shù)，早已證明是行之有效的，特別是在非接觸測量和測試精度 兩方面的優(yōu)越性更是其它方法所不及。隨著半導(dǎo)體激光器和各種新型光電探測器的發(fā)展，光電檢測法的優(yōu)越性更加明顯。光電測角就是以激光為光源，以光電轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)的測角系統(tǒng)。 本課題是要測量空間大型構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)角度問題，根據(jù)當(dāng)前的傳感器技術(shù)，自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，選擇光電測角法。因為光電測量的響應(yīng)速度快，利用光電信號作為步進電機轉(zhuǎn)動的起止控制信號，而電機的轉(zhuǎn)角可以從控制面板上直接讀出。對于這樣一個系統(tǒng)，需要研究的內(nèi)容有以下幾個部分： 1．探測器：在此設(shè)計中選擇的是四象限光電探測器，它具有較高的準(zhǔn)確度和測量分 辨 率。所以首先要對四象限探測器的原理和功能有很好的理解。由于探測器的信號還要作為步進電機的起停信號，因此還要對探測器輸出的信號要進行電流電壓轉(zhuǎn)換和放大。 2．精密轉(zhuǎn)臺：此設(shè)計是采用旋轉(zhuǎn)測量，因此要把激光器和精密轉(zhuǎn)臺連接，可以把二維精密位移臺和步進電機組合在一起共同調(diào)節(jié)激光束的方向。 3．?dāng)?shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集是數(shù)字信號處理的系統(tǒng)的前端部分，最基本的功能就是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，即通常所說的 A/D轉(zhuǎn)換功能?？梢园烟綔y器的輸出通過數(shù)據(jù)采集卡和計算機連接而顯示出來。 上述這些內(nèi)容就是本設(shè)計所要研究的方向，詳細(xì)的討論 將在后面的具體方案設(shè)計中展開說明和闡述其實現(xiàn)的功能。 做本設(shè)計的意義在于：通