光學(xué)角度測量方法綜述
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4.2.2 定值角型任意角干涉測量技術(shù)
兩塊平面鏡以一定的夾角排列而構成的光學(xué)組件即為定值角，用標準定值角取代邁克爾遜干涉儀中的測量干涉經(jīng)就構成定值角干涉儀。天津大學(xué)根據該原理設計的一個(gè)雙定值角型測角系統光路如圖8所示。由激光器1初涉的光束經(jīng)擴大鏡組2、針孔濾波器3、準直透鏡5、限束光闌6、平面反射鏡7、分光鏡8后分成兩束，分別進(jìn)入由長(cháng)平面鏡9和被檢多面棱鏡12構成的雙定值角，經(jīng)反射后在分光鏡8上產(chǎn)生干涉，干涉信號由CCD元件4接收。這一路光稱(chēng)為多面棱體檢定光路，與其對稱(chēng)的右半部分稱(chēng)為雙定值角測量－跟蹤干涉儀，工作原理與其完全相同。該系統能在0～360度范圍內實(shí)現任意角度的高準確度測量，測量不確定度優(yōu)于0.3''[27]。該方法的主要問(wèn)題是標準定值角的加工及安裝精度比較難保證，而且測量過(guò)程中需要一套雙定值跟蹤系統，結構比較復雜。
4.2.3 雙頻激光楔形平板干設法測量任意轉角
利用雙光線(xiàn)經(jīng)過(guò)楔形平板時(shí)光程差變化與平板轉角的關(guān)系，測得光程差的變化，從而得出相應的轉角變化。系統基本原理如圖9所示。由雙頻激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)分光鏡分為兩束，反射光經(jīng)檢偏器1后由光電接收器接收，形成參考信號。投射的一束光是測量光路，經(jīng)過(guò)偏振偏光鏡將偏振方向相互垂直的兩路光分開(kāi)，頻率分別為f1和f2，兩路光分別經(jīng)過(guò)λ/4波片和楔形平板后由角錐鏡反射回偏振分光鏡鏟射產(chǎn)生干涉信號，經(jīng)檢偏器后由光電接收器2吸收，將光電接收器1、2的信號送入信號處理電路，可得到多普勒頻差，該頻差值隨光程差而變，即隨平板移動(dòng)而變化，因此可以得到楔形平板轉角的信息。系統中光線(xiàn)4次通過(guò)楔形平板，采用了差動(dòng)結構，可以消除楔形平板的平移和擺動(dòng)誤差產(chǎn)生的影響。該系統可以自動(dòng)判別轉臺的轉動(dòng)方向，可測量360度范圍內的轉角，動(dòng)態(tài)相應范圍為4r/s。但是，系統靈敏度在整個(gè)測量方位內不是常數，為了克服這以缺點(diǎn)，使用在空間相互垂直的兩套測量光路以消除90度和270度兩個(gè)死點(diǎn)，這樣就使系統的體積非常龐大，結構復雜。另外，由于使用多個(gè)角錐反射鏡，使光路裝調比較困難，很難在實(shí)際中應用。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/168598.htm
為了解決以上問(wèn)題，本文作者在此原理的基礎上提出了一種基丁光柵楔形平板的雙頻激光干涉角度測量的新方法，可以簡(jiǎn)化測量裝置，相應的提高系統靈敏度和測量精度。
由上所述可以看出激光干涉測角法的最大優(yōu)點(diǎn)是準確度高、信號均勻性好、信噪比高，有希望達到通常方法達不到的準確度，因此在高精度角度測量中得到了大量的運用。其缺點(diǎn)是結構復雜，較難在現場(chǎng)使用。隨著(zhù)激光干涉測量?jì)x器的改進(jìn)及新型激光光源的誕生和改進(jìn)，可以得到進(jìn)一步發(fā)展。
5 環(huán)形激光測教法
環(huán)形激光器已發(fā)展成為在360度整周角度范圍內的高測量精度和高測量分辨力的角度和角速度傳感器，在慣性導航和角速度定位方面有重要的用途。環(huán)形激光是轉速測量準確度最高的方法，轉速測量相對準確度可達到10－6。研究環(huán)形激光器最多的國家是德國和俄羅斯。用該技術(shù)測角有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 易實(shí)現自校，可以在測量過(guò)程中確定環(huán)形激光器的比例因子，從而大大減少了測量誤差。
（2） 可以實(shí)現高速轉角測量，動(dòng)態(tài)響應范圍寬。
（3）可以在轉速測量的同時(shí)實(shí)現轉角測量，還可以測量瞬態(tài)轉速。
缺點(diǎn)是加工工藝難以保證，成本高，對環(huán)境要求嚴格，這是環(huán)形激光器沒(méi)有得到大量應用的最主要原因。主要誤差來(lái)源是頻鎖、零飄、頻率牽引和地球自轉的影響。
環(huán)形激光測角的基本原理如圖10所示。當被檢量具和環(huán)形激光器相對于靜止的光電自準直儀同步轉動(dòng)時(shí)，在瞄準軸與量具棱面發(fā)現相重合的瞬間，被測角度轉換成由光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時(shí)間間隔，接口裝置在此間隔內對環(huán)形激光脈沖讀數[31]。圣彼得堡電子大學(xué)和PTB合作研制的精密環(huán)形激光測角計可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準、旋轉物體的外部角度測量和測角儀本身的內部旋轉角測量。該裝置的原理和上面介紹的基本相同。為了消除環(huán)形激光器比例系數絕對值長(cháng)時(shí)間波動(dòng)引起的測量誤差，與測量過(guò)程同時(shí)進(jìn)行激光器校準，即用2π角度（整轉）內的周期數相加的方法確定環(huán)形激光器差頻周期角值。與標準角度測量方法相比，該裝置在1r/s的轉速范圍內，測量準確度達到0.5μrad(0.1'')[32]。他們還將環(huán)形激光用于衍射光譜儀衍射角的測量，在0度到360度范圍內測量誤差大約為0.05弧秒[33]。 --Content End-->
6 結論
通過(guò)對目前常用的幾種光學(xué)測角的方法的介紹可以看出，光學(xué)測角法在角度測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，并且達到了很高的測量精度。圓光柵在角度測量中的應用非常廣泛，在整周任意角度的測量中也達到了極高的準確度。其缺點(diǎn)是對光柵與轉臺的對心準確度要求較高，高準確度光柵的制作加工困難。光學(xué)內反射法小角度測量的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，可以做成袖珍式測角儀，但其測量范圍也很小，因此只能用于小角度測量。激光干涉測角技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測量精度高，小角度測量已經(jīng)達到了極高的準確度，各種不同的測量?jì)x器在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量的條件下也具有結構簡(jiǎn)單、穩定性好、儀器只能化等許多優(yōu)點(diǎn)。作適當的改進(jìn)，消除誤差因素可進(jìn)行整周角度測量。但目前的效果不很理想，測量精度不是很高，而且體積龐大，不適合在現場(chǎng)使用，因此還需要作進(jìn)一步研究。在整周角度測量中，環(huán)形激光器被認為優(yōu)于目前其他技術(shù)。該方法的缺點(diǎn)是只能實(shí)現動(dòng)態(tài)測量，對測量條件要求很高，但該方法在動(dòng)態(tài)整周角度測量方面是一個(gè)非常有前途的發(fā)展方向。
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