CN103063189B - 基于光杠杆的测角器件检定方法 - Google Patents

Abstract

基于光杠杆的测角器件检定方法，属于角度误差测量技术领域，为解决现有测角误差的检定器件昂贵、检定精度低的问题，本发明提供一种基于光杠杆的测角器件检定方法，包括以下步骤：步骤1：在检定台上安装下转台、上转台、平面镜、激光器、光电探测器和读数头，控制激光经平面镜反射后入射到光电探测器的靶面上；步骤2：采集起始点光斑图像数据；控制下转台带动上转台和平面镜旋转，反射光线偏转后入射到靶面上，采集被标定角度和角度增量的测量值；控制上转台反向旋转，反射光线反转后入射到靶面；计算角度增量的标准值序列；计算被标定角度的标准值序列。本发明方法检定设备简单，成本较低，提高了测角器件的精度。

Description

基于光杠杆的测角器件检定方法

技术领域

本发明属于角度误差测量技术领域，特别涉及一种测角器件的检定方法。

背景技术

角度测量的方法多种多样，大致可以分为机械法（如多齿分度盘、杠杆法）、电磁法（如圆磁栅、圆感应同步器）和光电法（如光学分度头、度盘、正多面棱体测角、码盘测角、光栅测角、环形激光测角、激光干涉测角）等。

机械法以多齿分度盘为代表，采用高精度齿轮作为分度依据，而且可以通过差动的方式提高分辨率和精度。该方法的优点是精度较稳定，整周测量精度较高；其缺点是精度达到0.1角秒后很难再继续提高，这主要是由于多层差动累加时各层同心误差要求极高难以达到。此外仪器设备笨重，操作要求极高。

电磁法以圆感应同步器为代表，采用电磁感应将角位移转换为电信号的方式进行角度测量，精度可以达到0.5角秒。该方法的优点是对环境要求较低，可用于机床等恶劣条件；缺点是存在漂移，抗干扰较差以及寿命较短。

光电法中类型较多，精度相对较高。

圆光栅利用在玻璃圆盘的圆平面上刻制的径向光栅或切向光栅与指示光栅产生的莫尔条纹进行角度测量。该方法一般可达到约0.2角秒的整周精度，最高可达0.05角秒，但高精度的圆光栅极难制得，价格昂贵。

环光栅是在一个钢环的圆柱面上刻制栅线，以之与指示光栅产生的莫尔条纹进行角度测量。属于光栅式精密测角器件，具有非接触式测量、安装方便、数字化读数等优点。该器件的精度与圆光栅相近。

环形激光测角采用激光陀螺原理测出角速度，进而获得转动角度。该方法可达到0.1角秒的测量精度，但该方法技术难度很大，只有少数国家掌握，而且技术尚未成熟。

激光干涉测角是利用干涉的办法，将小角度转化为干涉条纹的移动从而实现测角。这一方法的精度目前最高，国外有研究报道可达到0.002角秒的灵敏度，但这仅限于小角度的测量，其整周测量的精度一般约为0.1角秒，最高可达0.04角秒，但仪器相当复杂昂贵，仅一台商品化的激光干涉仪就需要上百万元，更遑论高精密测量以及所需的相关设施了。

就目前常用的角度编码器如度盘、码盘、圆感应同步器、圆光栅、环光栅等而言，生产的产品由于工艺的原因都存在刻划误差，比如英国雷尼绍公司生产的350mm环光栅具有约0.8角秒的刻划误差，该公司所提供的最好的环光栅产品存在约0.5角秒的刻划误差。对于高精度测量而言这是难以忍受的，因此必须对测角器件的刻划误差进行改正。

现有技术中还采用光杠杆原理来测量微小线位移和微小角位移的测量。

光杠杆原理基于如下事实：1，根据反射定律，若入射线的方向不变，当反射面旋转某一角度θ时，反射光线的方向将旋转2θ角度；2，反射光的角度改变量、光臂长（即入射点到光斑的距离）以及光斑移动距离三者之间存在准确的换算关系。

光杠杆的原理说明见图1，一光束经平面镜反射后光斑落在接收屏上，当有微小位移δL导致平面镜有微小旋转，出射光即以两倍的角度发生偏转，同时由于平面镜与标尺的距离D较长，使得出射光光斑移动比δL大得多的距离δn。由公式

δL=δn/(2D/b)

即可求出微小位移δL。

2D/b是系统的放大率。

以上是利用光杠杆原理求微位移，事实上，利用该原理还可以求微小角位移，当反射面旋转一角度α，则反射光线旋转2α，α可由下式求出：

α=δL/b=δn/2D

由于D的值很大，所以δn也大，就变得容易测量了。

光杠杆原理的显著特点是：随着光臂的加长测量系统的分辨率和精度几乎呈线性增长，反应灵敏，精度高。大多数时候，光杠杆原理是作为微小线位移测量方法来使用的，比如测量材料的弹性模量、蠕变量等。由于角度与线位移的转化关系，该原理除了用于微小线位移的测量外，也可以用于微小角位移的测量，目前尚没有使用光杠杆原理作为测角器件测量标定的记载。

发明内容

任何测角器件产品都存在不同程度的刻划误差。而由于使用要求、成本、采购限制等原因，往往难以买到适合精度的测角器件。比如对于天体测量等高精度测量应用来说，测角精度需要达到0.01角秒或者更高，这对于测角器件本身的误差提出了非常高的要求，即便是当前最高精度的测角产品也难以满足其要求。因此，对测角误差的检定及改正是十分必要的。

另一方面，目前已有的检定方法存在器件昂贵的缺点，比如用高精度光栅编码器进行比较检定，该光栅就十分昂贵且很难以获得；再如干涉法检定，干涉仪等设备的价格也十分昂贵。

本发明的目的是寻找检定精度较高、价格相对低廉、检定设备易于获取的测角器件检定方法。

本发明所采用的技术方案如下:

基于光杠杆的测角器件检定方法，包括以下顺序步骤：

步骤1：搭建检定装置，安装待检定测角器件，包括以下步骤：

在检定台上安装下转台，下转台由底座和下转盘构成，下转盘上的转轴套装在底座上的滚动轴承上；

在下转盘上用转接法兰安装底部二维手动平移调节平台，在底部二维手动平移调节平台上用转接法兰安装待检定测角器件的安装座；

将待检定测角器件呈水平放置安装在安装座上；

在安装座的顶部中央用转接法兰安装中部二维手动平移调节平台；

在中部二维手动平移调节平台上用转接法兰安装上转台；

通过调节底部二维手动平移调节平台、中部二维手动平移调节平台，使下转台、待检定测角器件、上转台的旋转中心位于同一条竖直线上；

上转台由底座和上转盘构成，上转盘上的转轴套装在底座上的滚动轴承上；

在上转台上用转接法兰安装一维手动平移台；

在一维手动平移台上用转接法兰安装镜架，镜架上沿竖直方向设置有平面镜，通过调节一维手动平移台，使平面镜的反射面与上转台的旋转中心位于同一平面内；

在检定台上安装激光器和光电探测器，使激光器和光电探测器与平面镜位于同一水平面，使光电探测器的靶面平行于上转盘的旋转中心；

所述平面镜、激光器和光电探测器构成光杠杆；

在检定台上安装用于读取待检定测角器件的转角数值的读数头；

读数头和光电探测器均通过数据采集卡与数据处理器连接；

上转台和下转台的控制系统均与数据处理器连接；

控制激光器发出激光，使入射光线入射到平面镜的反射面上，与上转盘的旋转中心正交，使激光的反射光线垂直入射到光电探测器的靶面上；

步骤2：控制下转台按相等的转角步长θ旋转，对待检定测角器件进行多步采样测量，采集被标定角度序列β_i和角度增量的测量值序列α_i，包括以下步骤：

步骤2.1：采集光电探测器的靶面上的光斑图像数据，作为起始点光斑图像数据；

步骤2.2：采集被标定角度的读数值β，以及角度增量的测量值α，包括以下步骤：

通过数据处理器控制下转台的转轴按设定的转角步长θ旋转，其中θ＝360°/n，n≥21600，下转台带动上转台和平面镜旋转，平面镜的反射光线偏转角度2θ后入射到同一光电探测器的靶面上，得到终点光斑图像；

采集终点光斑图像数据，按照以下公式计算通过光杠杆测得的待检定测角器件的转角增量值，作为角度增量的测量值α：

α＝arctan(δn/2D)

上式中的δn为起点光斑图像到终点光斑图像的直线距离，D为光臂或光程，代表平面镜与光电探测器的靶面之间的距离；

通过读数头采集待检定测角器件的转角读数值，作为被标定角度β；

步骤2.3：通过数据处理器控制上转台的转轴按设定的转角步长θ反向旋转，使上转台上的平面镜的反射光线反转角度2θ后垂直入射到光电探测器的靶面上，完成一步采样测量，返回到步骤2.1进行下一步采样测量；

步骤3：计算角度增量的标准值序列包括以下步骤：

当数据处理器控制下转台的转轴旋转一周，完成第n步采样测量后，得到被标定角度序列β_i和角度增量的测量值序列α_i，按照以下公式计算角度增量的标准值序列

上式中的α_i为第i个角度增量的测量值，i为从1到n的所有正整数，为所有角度增量的测量值的累加值；

步骤4：按照以下公式计算与被标定角度序列β_i相对应的被标定角度的标准值序列φ_i：

上式中的i为从1到n的所有正整数，为第1至i步采样测量中计算得到的角度增量的标准值序列的累加值。

作为本发明的优选方案，还包括以下步骤：

在密闭、避光的室内搭建所述检定装置；

所述待检定测角器件为角度编码器、感应同步器、度盘、圆光栅或环光栅；

所述用于读取待检定测角器件的转角数值的读数头有两个以上，读数头在检定台上沿待检定测角器件外周呈对径分布设置；

所述数据处理器为单片机或计算机；

所述光电探测器为可编程控制的CCD相机；

所述转角步长θ≤1角分，光臂D≥10m。

本发明方法是将待检测绝对角度编码器安装在一个特别设计的转台上，该转台为双轴设计，上下两个转轴的轴线重合，但可分别控制其转动。将一束激光用该平面镜反射出去，在距离约10m(光程)的位置放置一个CCD相机，当平面镜随上转台一起转动一个小角度时，光斑的位置就会发生变化，CCD相机即可检测出这一变化。因为光臂有10m，所以即便是很小的角度（比如0.1角秒），光斑位置就会有较大的移动（5微米），这一位移量完全可由图像处理精确得到。由于CCD靶面的尺寸限制，平面镜只可随外圈转动一个小角度，比如5角分或0.1角秒，完成这小角度的检测后，上转台相对下转台反向旋转一个小角度，于是光斑又回到起点附近，之后就可以进行下一个小角度的检测，直至完成整周检测。

在整个检测过程中，角度编码器配套的多头读数系统将读出角度变化。完成整周检测后，对CCD检测图像进行处理后即可得到各步的角位移，求和后进行闭合平差。由于整个圆周的角度是360°，这是个已知量，因此当完成整周测量后，将每一步的测量值累加后本应等于360°，但由于测量存在误差，使得累加值不等于360°，这一差值<360°-累加值>即闭合差。将这一差值除以测量次数n，得到改正数v，将每个测量值加上改正数，即得到测量量的平差值，这个方法就是测量学中常用的闭合平差法。利用这一方法即可得到每一步的角位移检测值，即每一步的测量量经闭合平差得到的平差值。由这一检测值即可对角度编码器的读数进行补偿校正：对每一步测量，都有角编码器读数和光杠杆测量值两套对应的检测值，这里采用的补偿方法是，将光杠杆测量值当作标准，将光杠杆测量值减去角编码器的读数值，再将这个值与角编码器的测量值一一对应起来，就构成一个数表。当再用角编码器读数头进行了一次角度测量读数后，即可利用上述的数表进行差值得到测量的改正数，将角编码器读数加上其改正数即得到改正后的测量结果，这就是补偿矫正。利用本案所提的方法，获得了一系列小的转动角度示数对应的改正值。接下来将这些小的转动角的示值依次累加（依次累加的意思是：比如有5步，每一步的步长是5′，那么就可以得到下列数值列：“0、5、10、15、20、25”。更多的步数类推，而且每一步的步长不必绝对相等。），获得一系列的递增的角度示数，同时也将经过改正后数值依次累加，得到一系列的递增的改正后的数值。这两列数值可以形成一个改正表（改正表的内容是两列数据：第一列是固定角度数值，一般对应测角器件的示数，第二列是当测角器件的示数为对应第一行的数值时对应的改正值后的数值，即真值），根据实际测量中获得的测量示数作为引数进行插值计算即可得到改正后的测量结果。

本发明整个检测过程由计算机程序控制，实现自动静态检测；码盘读数与CCD采集均由同一套控制、采集软件系统管理，实现自动化检测，整周检测后处理分析所得数据；整个系统应置于密闭、避光的实验室内。

本发明检定方法将两种数据根据时间序列对应起来，即可将光杠杆检测系统的结果用来修正角度编码器的刻划误差。实验中有两组数据，一组是角度编码器读数头得到的数据，一组是光杠杆检测系统的相机数据，这两组数据应可相互对应同时采集，才可用来对结果进行分析处理。因此，整个系统的控制、数据采集需要有统一的协调控制。验证实验计划进行静态检测，只需在每一步开始之前和转动之后转台静止的情况下进行采集即可。正式检测时，光杠杆检测实验系统已经进行了充分必要的设计和调试。

本发明可实现较高精度的角度测量器件的检定，而且检定精度可随光杠杆的光臂长度增加而提高，另一方面，实现了整周测量后，通过闭合平差可实现自然标定从而大大提高测量的精度。本发明所用设备相对简单易得，检定方法简便易行，成本较低，可为高精度测角提供改正数，提高了测角器件的精度。

附图说明

图1为现有技术中的光杠杆原理示意图；

图2为本发明方法所搭建的检定装置的剖视图；

图3为本发明中的光杠杆的光路示意图；

图4为图2中的下转台的剖视图；

图5为图2中的上转台的剖视图；

图6为图2中的检定装置的立体示意图。

具体实施方式

基于光杠杆的测角器件检定方法，包括以下顺序步骤：

步骤1：在密闭、避光的室内搭建检定装置，安装待检定测角器件，包括以下步骤：

如图2所示，在检定台1上安装下转台2，如图4所示，下转台2由底座22和下转盘23构成，下转盘23上的转轴24套装在底座22上的滚动轴承25上；

在下转盘23上用转接法兰3安装底部二维手动平移调节平台4，在底部二维手动平移调节平台4上用转接法兰5安装待检定测角器件7的安装座6；

所述待检定测角器件7为圆环状的角度编码器；

将待检定测角器件7呈水平放置套装在安装座6的顶部外周上；

在安装座6的顶部中央用转接法兰8安装中部二维手动平移调节平台16；

在中部二维手动平移调节平台16上用转接法兰9安装上转台10；

通过调节底部二维手动平移调节平台4、中部二维手动平移调节平台16，使下转台2、待检定测角器件7和上转台10的旋转中心位于同一条竖直线上；

如图5所示，上转台10由底座26和上转盘27构成，上转盘27上的转轴28套装在底座26上的滚动轴承29上；

在上转台10上用转接法兰11安装一维手动平移台12；

在一维手动平移台12上用转接法兰13安装镜架14，镜架14上沿竖直方向设置有平面镜15，通过调节一维手动平移台12，使平面镜15的反射面与上转台10的旋转中心位于同一平面内；

在检定台1上安装激光器17和光电探测器18，使激光器17和光电探测器18与平面镜15位于同一水平面，使光电探测器18的靶面平行于上转盘10的旋转中心；

所述平面镜15、激光器17和光电探测器18构成光杠杆；

在检定台1上安装用于读取待检定测角器件7的转角数值的读数头；

读数头和光电探测器18均通过数据采集卡与数据处理器连接；

上转台10和下转台2的控制系统均与数据处理器连接；

如图3所示，控制激光器17发出激光，使入射光线19入射到平面镜15的反射面M上，与上转盘10的旋转中心正交，使激光的反射光线20垂直入射到光电探测器18的靶面上，图3中的M代表平面镜15位于初始位置时的状态，N为平面镜15位于初始位置时反射面M的法线；

步骤2：控制下转台2按相等的转角步长θ旋转，对待检定测角器件7进行多步采样测量，采集被标定角度序列β_i和角度增量的测量值序列α_i，包括以下步骤：

步骤2.1：采集光电探测器18的靶面上的光斑图像数据，作为起始点光斑图像数据；

步骤2.2：采集被标定角度β和角度增量的测量值α，包括以下步骤：

通过数据处理器控制下转台2的转轴24按设定的转角步长θ旋转，其中θ＝360°/n，n≥21600，下转台2带动上转台10和平面镜15旋转，如图3所示，平面镜15的反射光线20偏转角度2θ后，得到的反射光线21入射到光电探测器18的靶面上，得到终点光斑图像，图3中的M＇代表平面镜15位于终点位置时的状态，N＇为平面镜15位于终点位置时反射面M＇的法线；

采集终点光斑图像数据，按照以下公式计算通过光杠杆测得的待检定测角器件的转角增量值，作为角度增量的测量值α：

α＝arctan(δn/2D)

上式中的δn为起点光斑图像到终点光斑图像的直线距离，D为光臂或光程，代表平面镜15与光电探测器18的靶面之间的距离；

通过读数头采集待检定测角器件7的转角读数值，作为被标定角度β；

步骤2.3：通过数据处理器控制上转台10的转轴28按设定的转角步长θ反向旋转，使上转台10上的平面镜15的反射光线21反转角度2θ后，得到的反射光线20垂直入射到光电探测器18的靶面上，完成一步采样测量，返回到步骤2.1进行下一步采样测量；

步骤3：计算角度增量的标准值序列包括以下步骤：

当数据处理器控制下转台2的转轴24旋转一周，完成第n步采样测量后，得到被标定角度序列β_i和角度增量的测量值序列α_i，按照以下公式计算角度增量的标准值序列

上式中的α_i为第i个角度增量的测量值，i为从1到n的所有正整数，为所有角度增量的测量值的累加值；

步骤4：按照以下公式计算与被标定角度序列β_i相对应的被标定角度的标准值序列

上式中的i为从1到n的所有正整数，为第1至i步采样测量中计算得到的角度增量的标准值序列的累加值。

所述用于读取待检定测角器件7的转角数值的读数头有四个，四个读数头在检定台1上沿待检定测角器件7外周呈对径分布设置；

所述数据处理器为计算机；

所述光电探测器18为长边为30mm的可编程控制的CCD相机；

所述转角步长θ≤1角分，光臂D≥10m。

Claims (2)

1.基于光杠杆的测角器件检定方法，其特征在于，包括以下顺序步骤：

步骤1：搭建检定装置，安装待检定测角器件，包括以下步骤：

在检定台上安装下转台，下转台由底座和下转盘构成，下转盘上的转轴套装在底座上的滚动轴承上；

在下转盘上用转接法兰安装底部二维手动平移调节平台，在底部二维手动平移调节平台上用转接法兰安装待检定测角器件的安装座；

将待检定测角器件呈水平放置安装在安装座上；

在安装座的顶部中央用转接法兰安装中部二维手动平移调节平台；

在中部二维手动平移调节平台上用转接法兰安装上转台；

通过调节底部二维手动平移调节平台、中部二维手动平移调节平台，使下转台、待检定测角器件、上转台的旋转中心位于同一条竖直线上；

上转台由底座和上转盘构成，上转盘上的转轴套装在底座上的滚动轴承上；

在上转台上用转接法兰安装一维手动平移台；

在一维手动平移台上用转接法兰安装镜架，镜架上沿竖直方向设置有平面镜，通过调节一维手动平移台，使平面镜的反射面与上转台的旋转中心位于同一平面内；

在检定台上安装激光器和光电探测器，使激光器和光电探测器与平面镜位于同一水平面，使光电探测器的靶面平行于上转盘的旋转中心；

所述平面镜、激光器和光电探测器构成光杠杆；

在检定台上安装用于读取待检定测角器件的转角数值的读数头；

读数头和光电探测器均通过数据采集卡与数据处理器连接；

上转台和下转台的控制系统均与数据处理器连接；

控制激光器发出激光，使入射光线入射到平面镜的反射面上，与上转盘的旋转中心正交，使激光的反射光线垂直入射到光电探测器的靶面上；

步骤2：控制下转台按相等的转角步长θ旋转，对待检定测角器件进行多步采样测量，采集被标定角度序列β_i和角度增量的测量值序列α_i，包括以下步骤：

步骤2.1：采集光电探测器的靶面上的光斑图像数据，作为起始点光斑图像数据；

步骤2.2：采集被标定角度的读数值β，以及角度增量的测量值α，包括以下步骤：

通过数据处理器控制下转台的转轴按设定的转角步长θ旋转，其中θ＝360°/n，n≥21600，下转台带动上转台和平面镜旋转，平面镜的反射光线偏转角度2θ后入射到同一光电探测器的靶面上，得到终点光斑图像；

采集终点光斑图像数据，按照以下公式计算通过光杠杆测得的待检定测角器件的转角增量值，作为角度增量的测量值α：

α＝arctan(δn/2D)

上式中的δn为起始点光斑图像到终点光斑图像的直线距离，D为光臂或光程，代表平面镜与光电探测器的靶面之间的距离；

通过读数头采集待检定测角器件的转角读数值，作为被标定角度β；

步骤2.3：通过数据处理器控制上转台的转轴按设定的转角步长θ反向旋转，使上转台上的平面镜的反射光线反转角度2θ后垂直入射到光电探测器的靶面上，完成一步采样测量，返回到步骤2.1进行下一步采样测量；

步骤3：计算角度增量的标准值序列包括以下步骤：

当数据处理器控制下转台的转轴旋转一周，完成第n步采样测量后，得到被标定角度序列β_i和角度增量的测量值序列α_i，按照以下公式计算角度增量的标准值序列：

上式中的α_i为第i个角度增量的测量值，i为从1到n的所有正整数，为所有角度增量的测量值的累加值；

步骤4：按照以下公式计算与被标定角度序列β_i相对应的被标定角度的标准值序列φ_i：

上式中的i为从1到n的所有正整数，为第1至i步采样测量中计算得到的角度增量的标准值序列的累加值。

2.根据权利要求1所述的基于光杠杆的测角器件检定方法，其特征在于：

在密闭、避光的室内搭建所述检定装置；

所述待检定测角器件为角度编码器、感应同步器、度盘、圆光栅或环光栅；

所述用于读取待检定测角器件的转角数值的读数头有两个以上，读数头在检定台上沿待检定测角器件外周呈对径分布设置；

所述数据处理器为单片机或计算机；

所述光电探测器为可编程控制的CCD相机；

所述转角步长θ≤1角分，光臂D≥10m。