光學(xué)角度測量是高精度動態(tài)角度測量的一種有效的解決途徑。對目前�(fā)展較快的幾種角度測量的光�(xué)方法----�光柵測角�、光�(xué)�(nèi)反射小角度測量法、激光干涉測角法和環(huán)形激光測角法�(jìn)行了詳細(xì)的介紹,并且分別給出了每種方法的測量原理和發(fā)展現(xiàn)狀,比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn),給出了每種方法的應(yīng)用場合和�(fā)展前��
角度測量是幾何量計量技�(shù)的重要組成部分,�(fā)展較為完�,各種測量手段的綜合�(yùn)用使測量�(zhǔn)確度�(dá)到了很高的水�。角度測量技�(shù)可以分為靜態(tài)測量和動�(tài)測量兩種。對于靜�(tài)測量技�(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上。隨著工�(yè)的發(fā)�,對回轉(zhuǎn)量的測量要求也越來越�,因此人們在靜態(tài)測角的基�(chǔ)�,對旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角測量問題�(jìn)行了大量的研�,產(chǎn)生了許多新的測角方法�
圓光柵是角度測量中最常用的器件之一。作為角度測量基�(zhǔn)的光柵可以用平均讀�(shù)原理來減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀�(shù)誤差,因此其�(zhǔn)確度�、穩(wěn)定可靠。但在動�(tài)測量�,在10r/s 的轉(zhuǎn)速下,要想達(dá)�1'的分辨率都非常困�。目前我國的國家線角度基�(zhǔn)采用64800�/周的圓光柵系�(tǒng),分辨率�0.001'',總的測量不確定度為0.05''。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)�(yàn)室(NPL)的E W Palmer 介紹了一臺作為角度基�(zhǔn)的徑向光柵測角儀,如�1所�,既可用于測�,又可用于標(biāo)定。其原理是利用兩�32400線的徑向光柵安裝�0.5r/s 的同一個軸套上,兩個讀�(shù)頭一個固�,一個裝在轉(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。儀器中用一個自�(zhǔn)直儀作為基準(zhǔn)指示器,可以測得角度,利用光柵細(xì)分原理可�360度范圍內(nèi)的任意角�,附加零伺服�(jī)�(gòu)可以對轉(zhuǎn)臺�(jìn)行實(shí)時調(diào)�,限制零漂。用干涉儀作為讀�(shù)�,可�(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0.05''.
光從光密介質(zhì)傳到光疏介質(zhì)�,當(dāng)入射角大于臨界角時發(fā)生全反射�(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反射光�(qiáng)的變化關(guān)�,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�,隨著入射角的微小變�,反射光的強(qiáng)度發(fā)生急劇變化,因此測量時通常定義一個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),�(jìn)行小角度的高精度測量。該測量方法存在的一個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�(shù)非線性對測量�(jié)果的影響,采用差分式測量,其原理如圖3所�,首先分別測出�0+Δθ和�0 -Δθ的反射光�(qiáng)的變�,然后用線性化公式�(jìn)行處�,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�(jié)�(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�(shù)可以提高靈敏�,提高分辨力,但測量范圍就相�(yīng)變小。因此P S Huang等人又在此基�(chǔ)上制成了多次反射型臨界角角度傳感�,用加長的臨界角棱鏡代替�3的直角棱鏡以增加反射次數(shù),如�4所�。該儀器可用于表面形貌、直線度、振動等方面的測量。在測量角度方面,以3弧分范圍�(nèi)的分辨力�0.02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0.04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Ming-Hong chin等人在此原理基礎(chǔ)�,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�,將傳感器的測角范圍�(kuò)大到10�,分辨力隨入射角的大小變�,分辨力可達(dá)8×1 0�5度[21]。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dong Zhou等人采用差動共光路結(jié)�(gòu),大大提高了系統(tǒng)的線�,并獲得�0�3角秒的分辨力�22�。天津大�(xué)和日本東北大�(xué)在這方面也�(jìn)行了一些研究[23]�
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)�。干涉測角法不僅可以測量小角�,而且也可以測量整周角��4.1 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�,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�(yīng)的移�,測得條紋的移動�,就可測得轉(zhuǎn)臺的�(zhuǎn)角[24]。在此原理基�(chǔ)只上�(fā)展起來的角度測量系統(tǒng)都致力于光路�(jié)�(gòu)的改�(jìn)和消除各種誤差因素的影響。經(jīng)過改�(jìn)后可以測量大�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�(nèi),在此范圍內(nèi)具有極高的測量準(zhǔn)確度。這種技�(shù)已經(jīng)�(fā)展得非常成熟,美國、日�、德�、俄羅斯等國家早已將激光干涉小角度測量技�(shù)作為小角度測量的國家基準(zhǔn)[25]。為了消除轉(zhuǎn)盤徑向移動對角度測量的影�,采用如�6所示的測量光路,用兩個角錐棱鏡形成差動測�,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�。用這種方法測量平面角,靈敏度可�(dá)0.002''[26]�
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