基本光学测量技术剖析.ppt

第三章 基本光学测量技术 第一节 光电测量用的精密测角仪 第一节 光电测量用的精密测角仪 角度计量是计量科学的重要组成部分，随着生产和高科技 的发展，对角度计量的要求日益增多，测角技术及其测量准 确度因为在不断提高。光学测量所涉及的许多量是可以通过 测量角度后间接得到的，例如棱镜角度的偏差、反射棱镜角 度的光学平行差、玻璃材料的折射率、光学系统的焦距、自 聚焦透镜的数值孔径等。 角度测量的方法和仪器很多，例如光学角度规、水平仪、 测角仪、光学分度头、分度台、经纬仪、罗盘、体视望远镜、 周视瞄准镜等。精密测角仪是实现任意角高精度测量的重要 仪器之一，也是光学测量实验室的基本仪器。 测角仪的关键部件是圆分度器件，圆分度是指对圆周的分 度，角度测量就是使被测的角度量与圆分度进行比较。 实现圆分度的器件有很多种，常用的是度盘，其它还有多 面体、圆光栅、光学轴角编码器、同步感应器等。 §1精密测角仪 一、精密测角仪概述 近年来，利用计量光栅的测角技术发展迅速，精度越来越 高，应为圆周误差是封闭的，很容易采用全积分或多头读数 法将圆光栅的刻划误差减小，使测角系统具有较高的测角准 确度；同时随着微电子技术的发展，将光栅的一个刻线周期 等分成百份甚至上千份都是能够办到的，因此可以获得很高 的角分辨率；计量光栅还具有信号强、反差高非接触、响应 速度快和便于控制等特点，因此它广泛应用于角度的计量中。 国内外著名的精密测角仪，其角度基准器几乎都是利用计 量光栅制成的。 §1精密测角仪 一、精密测角仪概述 第一代测角仪----用光学度盘作基准器的测角仪（测量不 确定度多数为秒级，如英国60年代生产的C-20型测角仪，不 确定度1″，分辨率0.1″； 第二代测角仪----利用光栅做成的数显转台，不确定度达 十分之一秒级，如我国航天航空工业部与1985年研制成功的 精密数显转台，角分辨率为0.01 ″,不确定度为0.22 ″； 西德70年代末研制的210转台，分辨率为0.02 ″ ，不确定 度为0.15 ″ 。 第三代测角仪----以电子计算机控制的具有自动测角功能 的精密测角仪，如日本的用于角度编码器的自动校准系统， 可以5转/分的转速动态测角，微机修正误差和数据处理分辨 率为0.0135 ″ ，不确定度优于0.3 ″ §1精密测角仪 二、JC-1型精密测角仪工作原理 JC-1型精密测角仪是我国自行设计。研制成功的新型动态 测角仪。该仪器在设计中采用积木式及结构，可进行多种组 合以满足测角、测量光学材料折射率、测量光栅分度元件的 刻划误差等的需要。该测角仪利用微机控制测角过程、修正 分度误差及进行数据处理；能自动寻找最小偏向角，以最小 偏向角法自动测量光学材料折射率，其功能如图3-1所示。 仪器主要由角度基准器、动态光电自准直仪、传动系统及 电器柜等组成，如图3-2所示。 二、JC-1型精密测角仪工作原理 图3-1 JC-1型精密测角仪功能图解 §1精密测角仪 二、JC-1型精密测角仪工作原理 由CMC-80单板机按预定速度控制无刷力矩电机直驱空气轴 承转台。由测速机信号组成的速度环及光栅信号给出的位置 环控制转台转动，获得了低速下的高稳定性传动。 角度基准器使用了一块刻线数为129600线光栅，由同一光 源发出的光被对称的分成八路，形成平行光后照射在八个光 栅副上，莫尔条纹光信号经硅光电二极管转换成电量，并给 出 四路信号，采用载波调制锁相倍频 技术细分为五百等份后，一度分秒共九位数字显示在面板上 或送计算机采集。 §1精密测角仪 二、JC-1型精密测角仪工作原理 动态光电自准直仪在收到自准信号后，形成对准脉冲，以 此脉冲锁存角度基准器角度值并显示在面板上同时送计算机 采集。 JC-1型精密测角仪之所以能达到不确定度 （峰峰 值），主要是测角仪中有几个关键单元技术达到较高水平。 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 （一）空气静压轴承 空气轴承为计量光栅提供了优良的轴系。用于测角的空气轴 承回转精度高（运动误差小于0.025μm），刚度高。曾在转 台上 处值1.3公斤铅块，在此条件下检验测角仪精 度与加载前物变化。 §1精密测角仪 三、JC-1型精密测角仪的单元技术 （一）空气静压轴承 在结构设计中采用双半球孔节流，背靠背结构形式增大了跨 距，两半球能自立，无干涉，空气轴承的运动和静止部分之间 被一层空气包围，摩擦系数极小，且动、静之间无变化，无低 速爬行。由于靠气膜而不是靠机械变形支撑，因此具有很高的 置中性能，很适合作计量光栅的回转基准。 （二）角度基准器 一块 刻线129600