光學(xué)角度測量方法概述

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(gòu)成的光學(xué)組件即為定值角，用標(biāo)準(zhǔn)定值角取代邁克爾遜干涉儀中的測量干涉經(jīng)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)的一個雙定值角型測角系統(tǒng)光路如圖8所示。由激光器1初涉的光束經(jīng)擴(kuò)大鏡組2、針孔濾波器3、準(zhǔn)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)入由長平面鏡9和被檢多面棱鏡12構(gòu)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。這一路光稱為多面棱體檢定光路，與其對稱的右半部分稱為雙定值角測量－跟蹤干涉儀，工作原理與其完全相同。該系統(tǒng)能在0～360度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意角度的高準(zhǔn)確度測量，測量不確定度優(yōu)于0.3''[27]。該方法的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)定值角的加工及安裝精度比較難保證，而且測量過程中需要一套雙定值跟蹤系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
4.2.3 雙頻激光楔形平板干設(shè)法測量任意轉(zhuǎn)角
利用雙光線經(jīng)過楔形平板時光程差變化與平板轉(zhuǎn)角的關(guān)系，測得光程差的變化，從而得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角變化。系統(tǒng)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)過偏振偏光鏡將偏振方向相互垂直的兩路光分開，頻率分別為f1和f2，兩路光分別經(jīng)過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，即隨平板移動而變化，因此可以得到楔形平板轉(zhuǎn)角的信息。系統(tǒng)中光線4次通過楔形平板，采用了差動結(jié)構(gòu)，可以消除楔形平板的平移和擺動誤差產(chǎn)生的影響。該系統(tǒng)可以自動判別轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動方向，可測量360度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角，動態(tài)相應(yīng)范圍為4r/s。但是，系統(tǒng)靈敏度在整個測量方位內(nèi)不是常數(shù)，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度兩個死點(diǎn)，這樣就使系統(tǒng)的體積非常龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，由于使用多個角錐反射鏡，使光路裝調(diào)比較困難，很難在實(shí)際中應(yīng)用。

為了解決以上問題，本文作者在此原理的基礎(chǔ)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，可以簡化測量裝置，相應(yīng)的提高系統(tǒng)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(zhǔn)確度高、信號均勻性好、信噪比高，有希望達(dá)到通常方法達(dá)不到的準(zhǔn)確度，因此在高精度角度測量中得到了大量的運(yùn)用。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難在現(xiàn)場使用。隨著激光干涉測量儀器的改進(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(nèi)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(dǎo)航和角速度定位方面有重要的用途。環(huán)形激光是轉(zhuǎn)速測量準(zhǔn)確度最高的方法，轉(zhuǎn)速測量相對準(zhǔn)確度可達(dá)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(xiàn)自校，可以在測量過程中確定環(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(xiàn)高速轉(zhuǎn)角測量，動態(tài)響應(yīng)范圍寬。
（3）可以在轉(zhuǎn)速測量的同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角測量，還可以測量瞬態(tài)轉(zhuǎn)速。
缺點(diǎn)是加工工藝難以保證，成本高，對環(huán)境要求嚴(yán)格，這是環(huán)形激光器沒有得到大量應(yīng)用的最主要原因。主要誤差來源是頻鎖、零飄、頻率牽引和地球自轉(zhuǎn)的影響。
環(huán)形激光測角的基本原理如圖10所示。當(dāng)被檢量具和環(huán)形激光器相對于靜止的光電自準(zhǔn)直儀同步轉(zhuǎn)動時，在瞄準(zhǔn)軸與量具棱面發(fā)現(xiàn)相重合的瞬間，被測角度轉(zhuǎn)換成由光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時間間隔，接口裝置在此間隔內(nèi)對環(huán)形激光脈沖讀數(shù)[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(jì)可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)物體的外部角度測量和測角儀本身的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)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(shù)絕對值長時間波動引起的測量誤差，與測量過程同時進(jìn)行激光器校準(zhǔn)，即用2π角度（整轉(zhuǎn)）內(nèi)的周期數(shù)相加的方法確定環(huán)形激光器差頻周期角值。與標(biāo)準(zhǔn)角度測量方法相比，該裝置在1r/s的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測量準(zhǔn)確度達(dá)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(nèi)測量誤差大約為0.05弧秒[33]。 --Content End-->

6 結(jié)論
通過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(yīng)用，并且達(dá)到了很高的測量精度。圓光柵在角度測量中的應(yīng)用非常廣泛，在整周任意角度的測量中也達(dá)到了極高的準(zhǔn)確度。其缺點(diǎn)是對光柵與轉(zhuǎn)臺的對心準(zhǔn)確度要求較高，高準(zhǔn)確度光柵的制作加工困難。光學(xué)內(nèi)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(dá)到了極高的準(zhǔn)確度，各種不同的測量儀器在靜態(tài)和動態(tài)測量的條件下也具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、儀器只能化等許多優(yōu)點(diǎn)。作適當(dāng)?shù)母倪M(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(xiàn)場使用，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(rèn)為優(yōu)于目前其他技術(shù)。該方法的缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，對測量條件要求很高，但該方法在動態(tài)整周角度測量方面是一個非常有前途的發(fā)展方向。