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角度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展
角度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展
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提要：角度測(cè)量是幾何量計(jì)量技術(shù)的重要組成部分。本文對(duì)近年來(lái)常用的幾種角度測(cè)量方法及其發(fā)展進(jìn)｛ｊＩ’介紹，主要介紹了其中最具有發(fā)展前途的光學(xué)測(cè)角技術(shù)。對(duì)圓光柵測(cè)角弦、激光ｆ涉測(cè)角法和環(huán)形激光鍘角法分別避行了詳細(xì)的介紹．給出丁每種方法的測(cè)量原琿和麻用場(chǎng)臺(tái)，并指出ｒ各種方｛擊的優(yōu)蛺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：角度測(cè)量，光學(xué)力法，激光干涉，環(huán)形激光
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器測(cè)角兩種。圓磁柵測(cè)角法是將圓磁柵和被測(cè)件一起旋轉(zhuǎn)，利用放磁頭將磁柵上的記錄信號(hào)拾取出米進(jìn)行
角度測(cè)最是計(jì)量科學(xué)中發(fā)展較為完備的一個(gè)分www.oriental01.com支，各種測(cè)量手段的綜合運(yùn)用使測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了很高的水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，角度測(cè)量方法大致可以按測(cè)量原理分為１６大類(lèi)【１Ｊ。在過(guò)去的２０年中，角度測(cè)量的準(zhǔn)確度也達(dá)到了這之前的１０倍以上”Ｊ。角度測(cè)量技術(shù)可以分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N，由于某些靜態(tài)測(cè)量技術(shù)仍然是動(dòng)態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)，且大多數(shù)動(dòng)態(tài)測(cè)角技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)測(cè)量，因此有必要對(duì)幾種主要的測(cè)量方法做一全面闡述。
處理。按信號(hào)拾取方式不同，放磁頭可分為靜態(tài)磁頭和動(dòng)態(tài)磁頭兩種。靜態(tài)時(shí)準(zhǔn)確度往往難以提高。動(dòng)態(tài)時(shí)降低了對(duì)錄磁準(zhǔn)確度的要求，可以獲得較高的分度準(zhǔn)確度。日本電子通訊大學(xué)研制的多面棱體自動(dòng)榆定系統(tǒng)，在９５％的置信區(qū)問(wèn)內(nèi)，系統(tǒng)檢定誤差＜０．０７”，
感應(yīng)同步器工作原理是根據(jù)正弦、余弦兩繞組的電壓和相位進(jìn)行比較測(cè)量，耦合度主要決定于磁通的變化率，基本上不受電源波動(dòng)的影響．抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)使用環(huán)境的要求低；工作時(shí)許多節(jié)距同時(shí)起作用，有平均效應(yīng)，可以獲得較高的分度準(zhǔn)確度，在轉(zhuǎn)速＜６０’／Ｓ時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到ｒ的數(shù)量級(jí)。
機(jī)械式和電磁式測(cè)角法的主要缺點(diǎn)是大多為手工
測(cè)角技術(shù)中研究晟早的是機(jī)械式和電磁分度式測(cè)角技術(shù)。機(jī)械式測(cè)角技術(shù)主要以多尺分度盤(pán)為代表。多齒分度盤(pán)的雛形出現(xiàn)在本世紀(jì)３０年代，作為一個(gè)完整的圓分度器件，是由美國(guó)Ｇａｇｅ公司研制并于１９６０年獲得專(zhuān)利，當(dāng)時(shí)其分度達(dá)±０．２５”。由于多齒分度盤(pán)的齒數(shù)不能無(wú)限增加，因此細(xì)分受到限制。解決辦法是采用兩組或多組多齒分度盤(pán)疊放在一起，利用差動(dòng)法進(jìn)行細(xì)分。從朦琿上講，完全有可能設(shè)計(jì)四層或更多層的多齒分度臺(tái)，ｆＨ由千各層之問(wèn)的同軸度難以保證．齒盤(pán)起落結(jié)構(gòu)復(fù)雜等啄因而難以實(shí)現(xiàn)。，為進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍和減小定位不確定性，可以采用細(xì)分結(jié)構(gòu)前蘇聯(lián)考納斯機(jī)床廠的ｖ叩一０５型角度測(cè)量?jī)x最
小廿壁間隔ｌ５．測(cè)量準(zhǔn)確度為０．１”�！�
２機(jī)械武和電磁武測(cè)角技術(shù)
測(cè)量，不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，測(cè)量精度受到限制．．
３光學(xué)測(cè)角技術(shù)
光學(xué)測(cè)角方法歷來(lái)以其極高的測(cè)量準(zhǔn)確度受到人們的重視，光學(xué)測(cè)角法的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。日前，光學(xué)測(cè)角方法蹤眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法、自準(zhǔn)直法、莫爾條紋法、平行干涉圖法、圓光柵法、光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法ｕ及環(huán)形激光法等，這嶼方法大多都已成功應(yīng)用于小角度的精密測(cè)量中，并達(dá)到ｒ很高的洲量精度．用十３６０。整周角度測(cè)量還需作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)．下面分別介紹其
中常用的ＪＬ種
電磁分度測(cè)角技術(shù)主要有圓磁柵測(cè)角和感應(yīng)同步
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３．１圓光柵測(cè)角
圓光柵是角度測(cè)量中最常用的器件之一，其測(cè)量原理是將圓光柵與轉(zhuǎn)臺(tái)同軸安裝，二者同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)得光柵轉(zhuǎn)過(guò)的柵距數(shù)就可測(cè)得轉(zhuǎn)角。目前我國(guó)的圓光柵國(guó)家線(xiàn)角度基準(zhǔn)采用６４８００對(duì)線(xiàn)的圓光柵。分辨力為０．００１。．總的測(cè)量不確定度為００５１引。該測(cè)量方法主要是在靜態(tài)下的相對(duì)角度測(cè)量，兩個(gè)讀數(shù)頭之間的角度是固定的，而且必須對(duì)圓光播進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定。圓光柵測(cè)角法的優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定可靠．缺點(diǎn)是對(duì)光柵與轉(zhuǎn)臺(tái)的對(duì)心準(zhǔn)確度要求較高，高準(zhǔn)確度光柵的制作加工困難，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)分辨力很難保證。３．２激光測(cè)角技術(shù)
根據(jù)所測(cè)角度的太小，激光測(cè)角技術(shù)叉可以分為小角度測(cè)量和任意角度測(cè)量。
３
速測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確度可達(dá)１０～。目前還只是少數(shù)國(guó)家掌握這種技術(shù)，研究最多的國(guó)家是德國(guó)和前蘇聯(lián)．我國(guó)目前正致力于這項(xiàng)技術(shù)的研究【９Ｊ。該技術(shù)測(cè)角的攝太優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)自校．缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，加工工藝難以保證．成本高，這是環(huán)形激光器沒(méi)有得到大量應(yīng)用的最主要的原因。
環(huán)形激光測(cè)角的基本原理如圖６所示，當(dāng)被檢量具和環(huán)形激光器相對(duì)于靜止的光電自準(zhǔn)直儀同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)．在瞄準(zhǔn)軸與量具棱面法線(xiàn)相重合的瞬間，被測(cè)角度轉(zhuǎn)換成由光電自準(zhǔn)直儀產(chǎn)生的光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時(shí)間間隔．接口裝置在此間隔內(nèi)對(duì)環(huán)形激光脈沖讀數(shù)。圣彼德堡電子大學(xué)和ＰＴＢ合作研制的精密環(huán)形激光測(cè)角計(jì)，可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)物體的外部角度測(cè)量和測(cè)角計(jì)本身的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)角測(cè)量。該裝置在１轉(zhuǎn)／秒的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了０１”Ｌ…。
３．２．２．２雙定值角干涉儀測(cè)量任意角度
用標(biāo)準(zhǔn)定值角取代邁克爾遜干涉儀中的測(cè)量反射鏡就構(gòu)成定值角干涉儀。天津大學(xué)根據(jù)該原理設(shè)計(jì)的一個(gè)雙定值角型任意角度測(cè)量系統(tǒng)，光路如圖４所示。左邊的一路光稱(chēng)為多面棱體檢定光路．與其對(duì)稱(chēng)的右半部分稱(chēng)為雙定值角測(cè)量一跟蹤干涉儀。該系統(tǒng)能在０—３６０’范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意角度的高準(zhǔn)確度測(cè)量，測(cè)量不確定度優(yōu)于０．３１１ｉ）ｏ該方法的主要問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)定值角的加工及安裝精度比較難保證，而且測(cè)量過(guò)程中需要一套雙定值跟蹤系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
３．２．２，３雙頻激光楔形平板干涉法任意角測(cè)量技術(shù)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(zhuǎn)角的關(guān)系設(shè)計(jì)了～套雙頻激光楔形平板干涉任意轉(zhuǎn)角鍘量系統(tǒng)．其基本原理如圖５所示，由雙頻激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡分成兩束，反射光經(jīng)檢偏器１后由光電接收器ｌ接收，形成參考信號(hào)。透射的一柬光是測(cè)量光路，經(jīng)過(guò)偏振分光鏡后變成偏振方向相互垂直的兩路不同頻率的光，頻率分別為ｆ１和丘，兩路光分別經(jīng)過(guò)ｘ／４波片和楔形平板后，由角錐棱鏡反射回到偏振分光鏡產(chǎn)生干涉信號(hào)．經(jīng)檢偏器后由光電接受器２接收．將光電接收器１和２的信號(hào)送入信號(hào)處理電路，可得到多瞢勒頻差．該頻差值隨光程整而變．郎隨平板轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，因此可以得到楔形平板轉(zhuǎn)角的信息。該系統(tǒng)可以自動(dòng)判別轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可測(cè)量３６０。范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍為４轉(zhuǎn)／秒‘１２］。但是，系統(tǒng)體積非常龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外．由于使用了多個(gè)角錐反射鏡，使光路裝調(diào)比較困難，很難在實(shí)際中應(yīng)用，本文作者在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下．針對(duì)這些問(wèn)題提出ｒ改進(jìn)方法…Ｊ．目前這一工作仍在進(jìn)行中
２．１激光小角度測(cè)量技術(shù)
１利用光學(xué)內(nèi)反射原理進(jìn)行小角度測(cè)量
３２．１
內(nèi)反射法小寅度測(cè)量技術(shù)就是利用全反射條件下人射光變化時(shí)反射率的變化關(guān)系，通過(guò)反射率的變化來(lái)測(cè)量入射角的變化的。內(nèi)反射法是由Ｐ．Ｓ．Ｈｕａｎｇ等人提出來(lái)的”】，原理如圖１所示。用該方法制成的測(cè)角儀體積可以做得很小，因此特別適用于較小空間中小角度的在線(xiàn)測(cè)量，可以做成抽珍虱測(cè)角儀，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單．成本低。但其測(cè)量范圍也很小，因此只能用于小角度測(cè)量，３弧分范圍內(nèi)分辨力為０．０２弧秒。Ｃｈｉｕ等在此原理的基礎(chǔ)上，提出一種全內(nèi)反射外差干涉測(cè)角法，將傳感器的測(cè)角范圍擴(kuò)大到１０’，最佳分辨力可達(dá)８
×１０
５度ｒ６】。
３．２．１．２激光干涉法小角度測(cè)量技術(shù)
激光干涉測(cè)角大多是以邁克爾遜干涉儀作為基本原理．將角度的變化轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量，如圖２所示。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)生相應(yīng)的移動(dòng)．測(cè)得條紋的移動(dòng)量，就可測(cè)得轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角訂】。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家早已將激光干涉小角度測(cè)量技術(shù)作為小角度測(cè)量的國(guó)家基準(zhǔn)。為了消除轉(zhuǎn)盤(pán)徑向移動(dòng)對(duì)角度測(cè)量的影響，采用如圖３所示的測(cè)量光路，用兩個(gè)角惟棱鏡形成差動(dòng)測(cè)量．大大提高了系統(tǒng)的線(xiàn)性和靈敏度，在一５‘一＋５。的線(xiàn)性區(qū)間內(nèi)，分辨力達(dá)到了１０－４度。為了增強(qiáng)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(cè)量法，用雙頻激光代替普通光源。用這種方法測(cè)量平面角，靈敏度可達(dá)０．００２”１８Ｊ，
３
２．２激光任意角度測(cè)量技術(shù)
２
３．２
Ｉ環(huán)形激光任意角度測(cè)量
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圖１內(nèi)反射型角度傳基器原理圖
圖２澈光干涉小角度測(cè)量原理圈
圖３蘭動(dòng)式激光干涉測(cè)角裝置
圖４雙定值角型任
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圖５雙頓激光楔形平板干涉轉(zhuǎn)角鍘量原理圖
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４結(jié)論
通過(guò)對(duì)近年來(lái)常用的測(cè)角方法的介紹可以看出．機(jī)械式和電磁式測(cè)角技術(shù)由于研究較早，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。而光學(xué)測(cè)角法由于具有測(cè)量準(zhǔn)確度高和非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，在角度測(cè)量中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而且在某些場(chǎng)合下正在逐漸取代機(jī)械式和電磁式測(cè)量方法。光學(xué)測(cè)角法中尤其以激光干涉鍘角技術(shù)為主．該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，小角度測(cè)量已經(jīng)達(dá)到了極高的準(zhǔn)確度，作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)還可進(jìn)行整周角度測(cè)量，但目前的測(cè)量精度不是很高，而且體積龐大，因此還需要作進(jìn)一步研究。在整周角度測(cè)量中，環(huán)形激光器被認(rèn)為是目前的最佳選擇，是動(dòng)態(tài)整周角度測(cè)量的一個(gè)非常有前途的發(fā)展方向。
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經(jīng)中華Ｉ：Ｉ腔醫(yī)學(xué)會(huì)批準(zhǔn)．２００２全國(guó)口腔頜面部血管癯
頭頸外科、整形外科、ｄ，ＪＬ，ｂ科、美容外科、激光治療科、挎＃凍治療科廈棱醫(yī)學(xué)科等，歡迎以上相關(guān)專(zhuān)業(yè)的醫(yī)護(hù)人員踴＃
尋治療與研究學(xué)術(shù)研討舍將于２００２年７月１１—１４日在山東
ｊ省臨沂市舉行。會(huì)議由中華１３腔醫(yī)學(xué)會(huì)１：３睦顧面外科專(zhuān)業(yè)膚投稿、參加會(huì)議。投稿要求：論史全文廈４００字以?xún)?nèi)中文Ｆ３委員會(huì)主辦．山東臨沂地區(qū)腫瘤醫(yī)院承辦。會(huì)議將邀請(qǐng)國(guó)４段結(jié)構(gòu)式摘要各１份．擅要分目的、方法、結(jié)果和結(jié)論，輔￡ｊ內(nèi)知名專(zhuān)家作相關(guān)學(xué)術(shù)報(bào)告，采取專(zhuān)題討論與大會(huì)發(fā)言的件請(qǐng)寄：Ｅ海市制造局路６３９號(hào)（郵編２０００１１）卜海第二￡
醫(yī)科大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院口腔頷面外科：交流形勢(shì)．對(duì)血管瘤和血管畸形的基礎(chǔ)研究與臨睞診治的吲同瑜博１。Ｅ
ｊ抒個(gè)方面進(jìn)行廣泛深凡的探討．旨杓：總結(jié)各地治療經(jīng)驗(yàn)，ｊ制訂相應(yīng)診治規(guī)范．促進(jìn)血管宿和（或）血管黯形的治療效ｊ糶與基礎(chǔ)研究全議內(nèi)容涉及Ｌｆ睦領(lǐng)而外科、Ｊ干鼻咽喉科、
收，截稿閂期：２００２年５月３０Ｈ
中華口腔醫(yī)學(xué)會(huì)ｒ＇ｉ腔鍾面外科專(zhuān)委會(huì)
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角度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展
作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：
陶衛(wèi)， 浦昭邦， 孫運(yùn)斌
哈爾濱工業(yè)大學(xué)305信箱,哈爾濱,150001激光雜志
LASER JOURNAL2002,23(2)21次
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