CN1011821B

CN1011821B - 长光栅付相对转动测角的方法

Info

Publication number: CN1011821B
Application number: CN 88108061
Authority: CN
Inventors: 景芳盛; 林玉池; 周雅夫
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 1988-11-26
Filing date: 1988-11-26
Publication date: 1991-02-27
Also published as: CN1032976A

Abstract

本发明是精密计量测试领域中的一新的测角方法。其特征是用一对长光栅付的相对转动测角，其运动光栅是装在一个绕固定轴转动的旋转臂上，当旋转臂转动时在固定的指示光栅窗口上产生莫尔条纹信息输入计算机中，按固定程度运算，然后给出一个高精度。稳定可靠的小角度值。本发明可制成小角度发生器，用来检测精密自准直仪与水平仪；或用在多齿分度台上作为小角度细分读数装置；或把运动光栅垂直安装在旋转臂上，制成杠杆式测微仪表，便于实现数字化和自动化。对使用环境没特殊要求，造价低便于推广。

Description

本发明属于计量测试技术领域中一项新的测试测角方法。其特征是用长光栅付的相对转动，来实现对小角度的计量与测试。本发明包括测试与计算机的运算两部分。

目前国内外对小角度的精密测试方法主要有以下几种：一、利用正弦原理测角：在一水平刚体梁的旁边安放两个精密测微仪。通常用鸟式干涉仪或立式光学计，其中之一用来指零，保持梁在绕水平轴上下摆动时其摆动中心不动，另一个则用来指示摆动的弦长，根据弦长与臂长之比便可得到摆动的角度值。这种方法的测角范围受测微仪的量程所限，为扩大测角范围，在测微仪的量杆下面仍需垫以不同尺寸的精密量块以弥补测微仪量程之不足。这种仪器虽精度较高，但结构较复杂，造价高，且读数不直观，不便与计算机联机，操作过程繁琐。二、利用激光干涉法测角：这种方法测试精度高，测量范围也较大，也便于实现与计算机联机，但结构更复杂，造价更高，对测试环境要求也很苛刻。三、利用园光栅测角其造价更加昂贵，一般用来测全周（360°）角内任意角的测试。

本发明的目的在于提供一种测量小角度的新方法-长光栅付相对转动测角法。这种方法结构简单，测量元件只有两片长光栅。因而造价低。由于其测量链极短，且在测量链中无接触和摩擦，因而测量精度高，稳定可靠。本发明的测角范围取决于所用光栅的光栅常数，一般为1°左右。

目前对长光栅付的应用只限于测量长度位移;用长光栅付相对转动测角尚未被人们研究或应用。这种测角方法的原理如附图-（a）所示。旋转臂1绕固定轴2转动，并带动与转臂垂直安置的运动光栅G2一起转动，固定的四窗口裂相指示光栅C1相对于运动光栅C2有小间隙而平行安置。

由光源3通过透镜4所射出的平行光垂直照射于长光栅付G₁，G₂的刻划面。光线通过长光栅付G₁，G₂之后形成的莫尔条纹变化信息由一组相应的光电元件5所接收（对应指示光栅G₁的每一窗口有一光电元件）。指示光栅G₁的四个窗口是按光栅长度方向直线排列的，即与光栅的刻划方向垂直。四窗口内指示光栅G₁刻划的相位依次为π/2，0，π与3π/2。当光栅付G₁与G₂相对转动时，由光电元件5接收四个变化的莫尔条纹信息。通过付立叶光学理论分析（理论推导部分见附件），在0与π相位窗口上所获得的信息通过差分后为：

Vs₁＝λFs（θ）·Sin（ (2πRQ)/(d) ）……（1）

π/2与3π/2窗口上的信息通过差分后为：

Vc＝λFc（θ）·Cos（ (2πRθ)/(d) ）……（2）

式中A为与特定装置有关的常数;

R为窗口中心线到转动中心的垂直距离;

θ为长光栅付G₁，G₂的相对转角（即两光栅的栅线夹角）;

Fe（θ），Fc（θ）分别为式（1）与式（2）中正弦函数与余弦函数的幅值调制因子。它们与窗口尺寸h，b及其位置e₁或e₂，光栅常数d，以及光栅付的相对转角θ有关。当光栅付的结构确定后，它们只是转角θ的函数（见附件中公式（14）或（16）。其h，b，e₁和e₂见附图1（a）和（b）所示。

理论和实践证明，调制函数Fe（θ）与fc（θ）在测角范围内的变化相当平缓，在测角过程中用前一个周期正弦（或余弦）函数的幅值即AFs（θ）[或AFc（θ）]，来代替其后一周期的幅值所产生的误差是可以忽略不计的。附图2为在记忆示波器上获得的Vs与Vc是随转角θ变化的波形图，附图2（a）为测量全量程波形图，（b）是局部展开波形图。它们与理论分析，即与式（1）与式（2）相符合。

在这种测角方法中使用一单片计算机作光电信号的信息处理。在单片机上求解转角θ的过程主要包括以下步骤：

1.对两路信号Vs及Vc连续采样，取其极值即为当前AFs（θ）与AFc（θ）值。在测量前的试运行可以保证这一步骤超前于其它步骤。

2.经运算程序后获得Vs/AFs（θ）与Vc/AFc（θ）值。

3.由上述值，经查反正弦函数或反余弦函数表的程度得到2π (R)/(d) θ的值。

4.由进一步的运算程序便可获得θ值。

单片机的处理速度完全能满足一般测试要求，同时可给出高分辨率的数字显示，便于与其它计算机联机。另外利用本发明技术测角造价低，对使用环境没特殊要求。

利用这种方法测角，其精度取决于R（如附图1（a）和（b）的所示）值及光栅的刻划精度，测量范围取决于所用的光栅的刻线密度及窗口的高度。如光栅的刻线密度为50条/mm，h＝2mm时，测量范围为40′（如h减小则测量范围可进一步扩大），这时R取200mm时，可以获得为0.3秒的精度;R如取400mm时可获得0.15秒的精度。在机械结构允许的条件下R值尽可能取较大的值，但光栅的刻线密度一般取50条/mm或100条/mm。

利用本发明的测角技术可以制成小角度发生器，作为小角度的传递基准;用来检定精密自准直仪与水平仪;或作为多齿分度台的一个部件，给出小角度的细分读数;同时也可以利用这种方法的原理制成杠杆式比较仪，这时则将光栅付中的运动光栅垂直安置在旋转杠杆臂上，制成杠杆式测微仪表，用其简单的结构实现对微小长度尺寸的精密计量。

Claims

1、一种长光栅付相对转动测角的方法，其特征在于具有以下步骤：

(1).把运动光栅安置在绕固定轴旋转的旋转臂的一端，当旋转臂运动，使得运动光栅和与其平行且有小间隙、固定安置的四裂相指示光栅相对转动时，在四裂相指示光栅对称窗口上的莫尔条纹信号，经光电转换与差分后获得两个近似正交信号：

V_s=A·Fs(θ)·sin( (2πRθ)/(d) )

Vc=A·Fc(θ)·cos( (2πRθ)/(d) )

式中θ是光栅的相对转角；

A是常数；

R为窗口中心线到转动中心的垂直距离；

d是光栅常数；

Fe(θ)，Fc(θ)分别为正、余弦信号的幅值调制函数；

(2).通过计算机对信号Vs、Vc的峰值采样，得到当时的

A·Fe(θ)和A·Fe(θ)值，又随时采样得到Vs、Vc值。

经Vs/A·Fe(θ)和Vc/A·Fc(θ)的运算，得到Sin( (2πRθ)/(d) )和cos( (2πRθ)/(d) )的值，经反三角函数处理获得Q角值；

(3).由显示器显示或打印输出角度值。