角度测量的光学方法（一）

摘要：光学测角法是高精度动态角度测量的一种有效的解决途径。对目前发展较快的几种角度测量的光学方法----圆光栅测角法、光学内反射小角度测量法、激光干涉测角法和环形激光测角法进行了详细的介绍，并且分别给出了每种方法的测量原理和发展现状，比较了各种方法的优缺点，给出了每种方法的应用场合和发展前景。
关 键 词：角度测量；光学方法；转角；整周
中图分类号：TH741.2 文献标识码：A
Angle measurement with optical methods
Abstract: Optical methods are one of the most effective way of dynamic angle measurement with high accuracy .Several well developed optical methods of angle measurement with radical gratings, angle measurement based on internal-reflection effect, laser interference angle measurement system and ring laser goniomcters, are described in detail. The principle, present status and application situation of each method is displayed .The superiority and defects of these methods are lined out. The development future of each method is given at last.
Keyword : angle measurement; optical methods; optical methods ; rotation angle ; whole round.
1.引言
角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，发展较为完备，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种。对于静态测量技术来说，目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力[1~3]上。随着工业的发展，对回转量的测量要求也越来越多，因此人们在静态测角的基础上，对旋转物体的转角测量问题进行了大量的研究，产生了许多新的测角方法。
测角技术中研究最早的是机械式和电磁式测角技术，如多齿分度台和圆磁栅等，这些方法的主要缺点大多为手工测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制[1~5]。光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视，尤其是稳定的激光光源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光学测角法的应用越来越广泛，各种新的光学测角方法也应运而生。目前，光学测角法除众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法[6]、衍射法[7，8]、自准直法，[9，10]、光纤法[11]、声光调制法[12，13]、圆光栅法[14~17]、光学内反射法[18~23]、激光干涉法[24~28]、平行干涉图法[29，30]以及环形激光法[31~33]等。这些方法中的很多方法在小角度的精密测量中已经得到了成功的应用，并得到了较高的测量精度和测量灵敏度，通过适当的改进还可对360度整周角度进行测量对于众所周知的光学分度盘、轴角编码器、光电光楔测角法等来说，由于应用较多，技术比较成熟，本文不作具体介绍。下面主要介绍几种近几年来发展起来的小角度测量方法和可用于整周角测量的方法。
2.圆光栅测角法
圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。作为角度测量基准的光栅可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。但在动态测量时，在10r/s 的转速下，要想达到1'的分辨率都非常困难。目前我国的国家线角度基准采用64800线/周的圆光栅系统，分辨率为0.001''，总的测量不确定度为0.05''。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量。英国国家物理实验室（NPL）的E W Palmer 介绍了一台作为角度基准的径向光栅测角仪，如图1所示，既可用于测角，又可用于标定。其原理是利用两块32400线的径向光栅安装在0.5r/s 的同一个轴套上，两个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比。仪器中用一个自准直仪作为基准指示器，可以测得绝对角度，利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。用干涉仪作为读数头，可进行高精度测量。按95%置信度水平确定其系统误差的不确定度为0.05''[15]。