CN102506768B - 激光小角度测量装置动态特性校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光小角度测量装置的动态特性校准方法及装置。该装置为外部触发信号装置，包括一个长方形加长臂，加长臂的一端部连接一块金属栅尺，该栅尺的前方设置一个槽式光电开关，栅尺插于光电开关的凹形槽中间部位。动态特性校准方法包括动态分辨力测试、动态测角误差测试和动态测量重复性三个部分。本发明采用光电开关和栅尺作为外部触发信号源，采用动静态比较法很好实现对动态测角误差的校准，解决了激光小角度测量装置动态校准的难题，保证了激光小角度测量装置动态测量量值的准确性。

Description

激光小角度测量装置动态特性校准方法及装置

技术领域

本发明属于几何量计量技术领域，具体涉及一种针对具有动态测试功能的激光小角度测量装置的动态特性进行校准的方法及装置。

背景技术

激光小角度测量装置是一种采用正弦原理，以迈克尔逊干涉法测量小角度的高精度仪器。该装置主要包括激光干涉仪(主要由激光光源7、相位计4和光电接收器5组成)，在激光干涉仪前方设置的分光镜组(主要由3个平面反射镜3和1个偏振分光棱镜10组成)，在分光镜组前方设置的正弦臂13，正弦臂13单独放置在回转装置2上方，通过微动机构17推动回转装置微转动，从而带动正弦臂13微转动。

正弦臂13相对中心两侧对称安装角隅棱镜1，两角隅棱镜1中心距离构成了正弦臂的臂长D。当正弦臂绕回转中心旋转角度θ时，激光干涉仪测量光程差变化为H，与正弦臂臂长D存在的正弦关系sinθ＝H/D，图1为所示激光小角度测量装置测角原理。

国际上许多计量机构将激光小角度测量装置作为小角度计量的基准，用于光学自准直仪，电子水平仪等高精度小角度测角仪器的校准。

当激光小角度测量装置的数据采集系统(即相位计4和光电接收器5)具有外部触发信号接口，就可以实现激光小角度测量装置在连续运动状态下，触发采集测试数据，或者实现利用触发信号与其他设备同步采集数据的功能，就是激光小角度测量装置的动态测试功能。而激光小角度测量装置及相似的测角装置动态性能校准一直以来是个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光小角度测量装置的动态特性校准方法及装置，其实现激光小角度测量装置的动态指标的校准，所述的动态指标包括动态分辨力、测角误差和测量重复性。

实现本发明目的的技术方案：一种激光小角度测量装置动态特性校准用装置，其为外部触发信号装置，包括一个长方形加长臂，加长臂的一端部连接一块金属栅尺，该栅尺的前方设置一个槽式光电开关，栅尺插于光电开关的凹形槽中间部位。

如上所述的一种激光小角度测量装置动态特性校准用装置，其所述的栅尺采用薄钢板加工而成，大小为30×20mm；该栅尺以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1＝1mm，d2＝1.5mm或d3＝2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和。

如上所述的一种激光小角度测量装置动态特性校准用装置，其所述的加长臂为铝制，长度在200～400mm，其可固定在激光小角度测量装置的回转装置上。所述的光电开关响应时间优于50ns。

本发明所述的一种激光小角度测量装置动态特性校准方法，其所述的激光小角度测量装置的动态分辨力测试方法如下：

该激光小角度测量装置动态分辨力测试采用标准信号发生器产生的连续方波作为外部触发信号源，激光小角度测量装置接收到外部触发信号自动实时采集数据y并进行显示存储；

根据测量分辨力指标d，选取外部触发信号频率f，选择原则为f≥f′，其中f′为测量频率，

v为回转装置的转速，d为测量分辨力指标，

计算相邻两次采集数据的差值即为分辨力测量值，通过与分辨力指标d比较来实现对激光小角度测量装置分辨力的测试，即

y_n+1-y_n≤d，y_n+1为第n+1次采集数据，y_n为第n次采集数据，n为整数。

本发明所述的一种激光小角度测量装置动态特性校准方法，其所述的激光小角度测量装置的动态测角误差测试方法如下：

将加长臂的一端固定在激光小角度测量装置的回转装置上，加长臂的另一端连接一块金属栅尺，该栅尺插入光电开关的凹形槽中间部位；所述的栅尺大小为30×20mm；该栅尺以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1＝1mm，d2＝1.5mm或d3＝2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和；

通过栅尺作为光电开关的电平变化的产生装置；通过栅尺上带有的暗栅线，可将光电开关的发射端与接收端间遮挡，此时光电开关产生低电平向高电平的跳变，即上升沿；将光电开关的上升沿电平变化作为外部触发信号，触发激光小角度测量装置进行采集数据并实时存储这一时刻的数据；

先进行动态标定，将回转装置以小于100″/s的低转速旋转，带动加长臂上的栅尺也以低转速旋转，栅尺的两个相邻暗栅线将光电开关的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，动态标定起始时刻触发采集的数据与动态标定终止时刻触发采集的数据的差值为动态角度的名义值y_s；

然后回转轴系以需要测试的转速进行旋转，测得栅尺的相同两个相邻暗栅线将光电开关的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，测试转速测量起始时刻触发采集的数据与测试转速测量终止时刻触发采集的数据的差值为测试转速测量角度值y_m，测试转速测量角度值y_m与动态角度名义值y_s的差值即为该转速下动态测角偏差Δ，具体公式如下：

动态角名义值：y_s＝y_sa-y_sb

测试转速测量角度值：y_m＝y_ma-y_mb

该转速下动态测角偏差：Δ＝y_m-y_s

式中：y_s——动态角度名义值，y_sa——动态定标起始时刻触发采集数据，y_sb——动态标定终止时刻触发采集数据；y_m——测试转速测量角度值，y_ma——测试转速测量起始时刻触发采集数据，y_mb——测试转速测量时终止时刻触发采集数据；Δ——测试转速下测角偏差；

激光小角度测量装置的动态测角误差验证采用公式

Δ＜U

其中：U——测试转速动态测量不确定度。

本发明所述的一种激光小角度测量装置动态特性校准方法，其所述的激光小角度测量装置的动态特性校准方法包括动态分辨力测试、动态测角误差测试和动态测量重复性三个部分；

(a)动态分辨力测试、

该激光小角度测量装置动态分辨力测试采用标准信号发生器产生的连续方波作为外部触发信号源，激光小角度测量装置接收到外部触发信号自动实时采集数据y并进行显示存储；

根据测量分辨力指标d，选取外部触发信号频率f，选择原则为f≥f′，其中f′为测量频率，

v为回转装置的转速，d为测量分辨力指标，

计算相邻两次采集数据的差值即为分辨力测量值，通过与分辨力指标d比较来实现对激光小角度测量装置分辨力的测试，即

y_n+1-y_n≤d，y_n+1为第n+1次采集数据，y_n为第n次采集数据，n为整数；

(b)动态测角误差测试

将加长臂的一端固定在激光小角度测量装置的回转装置上，加长臂的另一端连接一块金属栅尺，该栅尺插入光电开关的凹形槽中间部位；所述的栅尺大小为30×20mm；该栅尺以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1＝1mm，d2＝1.5mm或d3＝2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和；

通过栅尺作为光电开关的电平变化的产生装置；通过栅尺上带有的暗栅线，可将光电开关的发射端与接收端间遮挡，此时光电开关产生低电平向高电平的跳变，即上升沿；将光电开关的上升沿电平变化作为外部触发信号，触发激光小角度测量装置进行采集数据并实时存储这一时刻的数据；

先进行动态标定，将回转装置以小于100″/s的低转速旋转，带动加长臂上的栅尺也以低转速旋转，栅尺的两个相邻暗栅线将光电开关的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，动态标定起始时刻触发采集的数据与动态标定终止时刻触发采集的数据的差值为动态角度的名义值y_s；

然后回转轴系以需要测试的转速进行旋转，测得栅尺的相同两个相邻暗栅线将光电开关的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，测试转速测量起始时刻触发采集的数据与测试转速测量终止时刻触发采集的数据的差值为测试转速测量角度值y_m，测试转速测量角度值y_m与动态角度名义值y_s的差值即为该转速下动态测角偏差Δ，具体公式如下：

动态角名义值：y_s＝y_sa-y_sb

测试转速测量角度值：y_m＝y_ma-y_mb

该转速下动态测角偏差：Δ＝y_m-y_s

式中：y_s——动态角度名义值，y_sa——动态定标起始时刻触发采集数据，y_sb——动态标定终止时刻触发采集数据；y_m——测试转速测量角度值，y_ma——测试转速测量起始时刻触发采集数据，y_mb——测试转速测量时终止时刻触发采集数据；Δ——测试转速下测角偏差；

激光小角度测量装置的动态测角误差验证采用公式

Δ＜U

其中：U——测试转速动态测量不确定度；

(c)动态测量重复性

激光小角度测量装置的动态测量重复性，通过对同一动态角度进行多次测量，分析测量动态角数据来验证。

本发明的效果在于：本发明针对激光小角度测量装置的动态性能进行校准，特别采用光电开关和栅尺作为外部触发信号源，采用动静态比较法很好实现对动态测角误差的校准，解决了激光小角度测量装置动态校准的难题，保证了激光小角度测量装置动态测量量值的准确性，该方法同样可以扩展应用到其他角度测量装置动态性能测试领域。

附图说明

图1为激光小角度测量装置测角原理图；

图2为激光小角度测量装置的动态特性校准示意图；

图3为栅尺结构示意图。

图中：1-角隅棱镜；2-回转装置；3-平面反射镜，4-相位计；5-光电接收器；6-栅尺；7-激光光源；8-光电开关；9-微动机构；10-偏振分光棱镜；11-花岗岩工作台；12-加长臂；13-正弦臂；14-隔离罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种激光小角度测量装置动态特性校准方法及装置作进一步描述。

实施例1

如图2所示，本发明所述的一种激光小角度测量装置，其主要包括激光干涉仪(主要由激光光源7、相位计4和光电接收器5组成)，在激光干涉仪前方设置的分光镜组(主要由3个平面反射镜3和1个偏振分光棱镜10组成)，在分光镜组前方设置的回转装置2，固定在回转装置2上的正弦臂13，推动回转装置微转动的微动机构9，放置上述系统的花岗岩工作台19，以及放置分光镜组和回转装置的隔离罩14。其中，激光干涉仪、分光镜组、微动机构9、正弦臂13、回转装置2均采用现有技术连接设置。

为了进行上述激光小角度测量装置动态特性校准，采用了一种作为外部触发信号源的装置。如图2所示，该装置包括一个铝制200～400mm的长方形加长臂12，加长臂12的一端固定在回转装置2的顶端，加长臂12的另一端延伸出隔离罩16并且端部连接一块金属栅尺6，该栅尺6的前方设置一个槽式光电开关8，栅尺6插于光电开关8的凹形槽中间部位。光电开关8响应时间为40ns。

所述的栅尺6采用薄钢板加工而成，大小为30×20mm；该栅尺6以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1＝1mm，d2＝1.5mm或d3＝2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和。两条暗栅线的边缘作为触发沿对应回转装置不同中心角。

实施例2

本发明所述的激光小角度测量装置的动态特性校准方法主要包括动态分辨力测试、动态测角误差测试和动态测量重复性三个部分。

(a)动态分辨力测试

该激光小角度测量装置动态分辨力测试采用标准信号发生器产生的连续方波作为外部触发信号源，激光小角度测量装置接收到外部触发信号自动实时采集数据y并进行显示存储；

根据测量分辨力指标d，选取外部触发信号频率f，选择原则为f≥f′，其中f′为测量频率，

v为回转装置的转速，d为测量分辨力指标，

计算相邻两次采集数据的差值即为分辨力测量值，通过与分辨力指标d比较来实现对激光小角度测量装置分辨力的测试，即

y_n+1-y_n≤d，y_n+1为第n+1次采集数据，y_n为第n次采集数据，n为整数。

(b)动态测角误差测试

动态测角误差测试目的是验证校准激光小角度测量装置在不同的转速下角度测量的准确度。动态测量角度需要外部触发信号来告知测量的起始和终止状态，激光小角度测量装置接收到外部触发信号进行采集数据。

将加长臂12的一端固定在激光小角度测量装置的回转装置上，加长臂12的另一端连接一块金属栅尺6，该栅尺6插入光电开关8的凹形槽中间部位；所述的栅尺6大小为30×20mm；该栅尺6以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1＝1mm，d2＝1.5mm或d3＝2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和；两条暗栅线的边缘作为触发沿对应回转装置不同中心角。

通过栅尺6作为光电开关8的电平变化的产生装置；通过栅尺6上带有的暗栅线，可将光电开关8的发射端与接收端间遮挡，此时光电开关8产生低电平向高电平的跳变，即上升沿(反之，则产生一个下降沿)；将光电开关8的上升沿电平变化作为外部触发信号，触发激光小角度测量装置进行采集数据并实时存储这一时刻的数据；

先进行动态标定，将回转装置2以小于1″/s的低转速旋转，带动加长臂上的栅尺6也以1″/s的低转速旋转，栅尺6的两个相邻暗栅线将光电开关8的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，动态标定起始时刻触发采集的数据与动态标定终止时刻触发采集的数据的差值为动态角度的名义值y_s；由于动态角名义值是在回转轴系以很低的速度旋转时得到的，该测量结果可以看作近似于静态方法测得栅尺6的两个暗栅线所夹的角度。

然后回转轴系2以需要测试的转速进行旋转，测得栅尺6的相同两个相邻暗栅线将光电开关8的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，测试转速测量起始时刻触发采集的数据与测试转速测量终止时刻触发采集的数据的差值为测试转速测量角度值y_m，测试转速测量角度值y_m与动态角度名义值y_s的差值即为该转速下动态测角偏差Δ，具体公式如下：

动态角名义值：y_s＝y_sa-y_sb

测试转速测量角度值：y_m＝y_ma-y_mb

该转速下动态测角偏差：Δ＝y_m-y_s

式中：y_s——动态角度名义值，y_sa——动态定标起始时刻触发采集数据，y_sb——动态标定终止时刻触发采集数据；y_m——测试转速测量角度值，y_ma——测试转速测量起始时刻触发采集数据，y_mb——测试转速测量时终止时刻触发采集数据；Δ——测试转速下测角偏差；

激光小角度测量装置的动态测角误差验证采用公式

Δ＜U

其中：U——测试转速动态测量不确定度。

(c)动态测量重复性

激光小角度测量装置的动态测量重复性，可以对同一动态角度进行多次测量，分析测量动态角数据来验证。

选定栅尺6的两个边缘作为动态角采集的触发边缘，在安装及测试状态不变的情况下，以相同的转速对相同的动态角测量10次，按公式计算10次测量平均值

$\stackrel{\‾}{y}=\frac{1}{10}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}(y_{\mathrm{ia}}-y_{\mathrm{ib}})$

式中：y_ia——第i次测量起始时刻触发采集数据，y_ib——第i次测量终止时刻触发采集数据；

由贝塞尔公式得光学角规偏转角测量标准偏差s_y：

$s_y=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}{10-1}}$

实验标准偏差即定量表征测量重复性，其中y_i——第i次测量角度值。

Claims (3)

1.一种激光小角度测量装置动态特性校准方法，其特征在于：所述的激光小角度测量装置的动态分辨力测试方法如下：

该激光小角度测量装置动态分辨力测试采用标准信号发生器产生的连续方波作为外部触发信号源，激光小角度测量装置接收到外部触发信号自动实时采集数据y并进行显示存储；

根据测量分辨力指标d，选取外部触发信号频率f，选择原则为f≥f′，

其中f′为测量频率，

，v为回转装置的转速，d为测量分辨力指标，

计算相邻两次采集数据的差值即为分辨力测量值，通过与分辨力指标d比较来实现对激光小角度测量装置分辨力的测试，即

y_n+1-y_n≤d，y_n+1为第n+1次采集数据，y_n为第n次采集数据，n为整数。

2.一种激光小角度测量装置动态特性校准方法，其特征在于：所述的激光小角度测量装置的动态测角误差测试方法如下：

将加长臂（12）的一端固定在激光小角度测量装置的回转装置上，加长臂（12）的另一端连接一块金属栅尺（6），该栅尺（6）插入光电开关（8）的凹形槽中间部位；所述的栅尺（6）大小为30×20mm；该栅尺（6）以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1=1mm，d2=1.5mm或d3=2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和；

通过栅尺（6）作为光电开关（8）的电平变化的产生装置；通过栅尺（6）上带有的暗栅线，可将光电开关（8）的发射端与接收端间遮挡，此时光电开关（8）产生低电平向高电平的跳变，即上升沿；将光电开关（8）的上升沿电平变化作为外部触发信号，触发激光小角度测量装置进行采集数据并实时存储这一时刻的数据；

先进行动态标定，将回转装置（2）以小于100″/s的低转速旋转，带动加长臂上的栅尺（6）也以低转速旋转，栅尺（6）的两个相邻暗栅线将光电开关（8）的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，动态标定起始时刻触发采集的数据与动态标定终止时刻触发采集的数据的差值为动态角度的名义值y_s；

然后回转装置（2）以需要测试的转速进行旋转，测得栅尺（6）的相同两个相邻暗栅线将光电开关（8）的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，测试转速测量起始时刻触发采集的数据与测试转速测量终止时刻触发采集的数据的差值为测试转速测量角度值y_m，测试转速测量角度值y_m与动态角度名义值y_s的差值即为该转速下动态测角偏差Δ，具体公式如下：

动态角名义值：y_s＝y_sa-y_sb

测试转速测量角度值：y_m＝y_ma-y_mb

该转速下动态测角偏差：Δ＝y_m-y_s

式中：y_s——动态角度名义值，y_sa——动态定标起始时刻触发采集数据，y_sb——动态标定终止时刻触发采集数据；y_m——测试转速测量角度值，y_ma——测试转速测量起始时刻触发采集数据，y_mb——测试转速测量时终止时刻触发采集数据；Δ——测试转速下测角偏差；

激光小角度测量装置的动态测角误差验证采用公式

Δ＜U

其中：U——测试转速动态测量不确定度。

3.一种激光小角度测量装置动态特性校准方法，其特征在于：所述的激光小角度测量装置的动态特性校准方法包括动态分辨力测试、动态测角误差测试和动态测量重复性三个部分；

（a）动态分辨力测试

该激光小角度测量装置动态分辨力测试采用标准信号发生器产生的连续方波作为外部触发信号源，激光小角度测量装置接收到外部触发信号自动实时采集数据y并进行显示存储；

根据测量分辨力指标d，选取外部触发信号频率f，选择原则为f≥f′，

其中f′为测量频率，

，v为回转装置的转速，d为测量分辨力指标，

计算相邻两次采集数据的差值即为分辨力测量值，通过与分辨力指标d比较来实现对激光小角度测量装置分辨力的测试，即

y_n+1-y_n≤d，y_n+1为第n+1次采集数据，y_n为第n次采集数据，n为整数；

（b）动态测角误差测试

将加长臂（12）的一端固定在激光小角度测量装置的回转装置上，加长臂（12）的另一端连接一块金属栅尺（6），该栅尺（6）插入光电开关（8）的凹形槽中间部位；所述的栅尺（6）大小为30×20mm；该栅尺（6）以30mm边为X方向，20mm边为Y方向，沿Y方向加工出若干条栅线，其中包括暗栅线和明栅线，暗栅线的宽度可分别为d1=1mm，d2=1.5mm或d3=2mm，明栅线的宽度均为1mm，栅距为相邻一条暗栅线和一条明栅线的宽度和；

通过栅尺（6）作为光电开关（8）的电平变化的产生装置；通过栅尺（6）上带有的暗栅线，可将光电开关（8）的发射端与接收端间遮挡，此时光电开关（8）产生低电平向高电平的跳变，即上升沿；将光电开关（8）的上升沿电平变化作为外部触发信号，触发激光小角度测量装置进行采集数据并实时存储这一时刻的数据；

先进行动态标定，将回转装置（2）以小于100″/s的低转速旋转，带动加长臂上的栅尺（6）也以低转速旋转，栅尺（6）的两个相邻暗栅线将光电开关（8）的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，动态标定起始时刻触发采集的数据与动态标定终止时刻触发采集的数据的差值为动态角度的名义值y_s；

然后回转装置（2）以需要测试的转速进行旋转，测得栅尺（6）的相同两个相邻暗栅线将光电开关（8）的发射端与接收端间遮挡，产生外部触发信号，激光小角度测量装置采集并实时存储这一时刻的数据，测试转速测量起始时刻触发采集的数据与测试转速测量终止时刻触发采集的数据的差值为测试转速测量角度值y_m，测试转速测量角度值y_m与动态角度名义值y_s的差值即为该转速下动态测角偏差Δ，具体公式如下：

动态角名义值：y_s＝y_sa-y_sb

测试转速测量角度值：y_m＝y_ma-y_mb

该转速下动态测角偏差：Δ＝y_m-y_s

式中：y_s——动态角度名义值，y_sa——动态定标起始时刻触发采集数据，y_sb——动态标定终止时刻触发采集数据；y_m——测试转速测量角度值，y_ma——测试转速测量起始时刻触发采集数据，y_mb——测试转速测量时终止时刻触发采集数据；Δ——测试转速下测角偏差；

激光小角度测量装置的动态测角误差验证采用公式

Δ＜U

其中：U——测试转速动态测量不确定度；

（c）动态测量重复性

激光小角度测量装置的动态测量重复性，通过对同一动态角度进行多次测量，分析测量动态角数据来验证。

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