CN104154884A - 采用码尺的直读式光电准直测角仪 - Google Patents

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曹奇峰
朱林莉
曹向峰
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Abstract

采用码尺的直读式光电准直测角仪属于光电检测技术领域。现有技术人工读数易造成操作者疲劳，也存在人为误差，另外，1′的测量精度也比较低。在本发明中，光源、半反半透镜、准直透镜依次光学同轴排列，在半反半透镜的像的反射光路上安放屏幕，其特征在于，绝对式码尺位于光源、半反半透镜之间，并且处在准直透镜的焦平面上；所述绝对式码尺上分布若干条彼此平行的码道，第一条码道为精码道，其余为粗码道，各条码道通光和不通光组合形成的编码具有单值函数特征；屏幕上有一个狭缝，在狭缝后面沿狭缝排布一组光敏器件；所述一组光敏器件与A/D转换器相连，A/D转换器再与计算机相连。本发明无需人工读数，用于测量光学面面倾角误差，测量精度0.1″。

Description

采用码尺的直读式光电准直测角仪
技术领域
本发明涉及一种采用码尺的直读式光电准直测角仪，用于测量光学面的面倾角误差，属于光电检测技术领域。
背景技术
光学自准直比较测角仪能够测量反射面倾角，例如楔形平板玻璃的楔角测量、光学镜面角度误差测量等，是一种科研、教学、工业生产等领域常用的光学测角仪器。各种光学自准直比较测角仪的结构及测量过程彼此有所不同，其中一种其结构及测量过程如下，如图1所示，由光源1照明十字分划板2，携带十字丝像3的透射光再透过半反半透镜4，之后由准直透镜5整形成平行光，该平行光照射到被测面6后反射，十字丝像3随之反射，当被测面6与光轴垂直时，十字丝像3就会与十字分划板2中的十字丝7完全重合，当被测面6与光轴不垂直时，也就是出现了面倾角α，反射回的十字丝像3与十字丝7二者十字中心会出现偏离，偏离的量称为角距离ΔS，如图2所示，根据经验公式即可由系列ΔS的值计算出对应的系列面倾角α的值，将这些计算结果作为标尺刻度。在半反半透镜4的十字丝像3的反射光路上安放屏幕8，在屏幕8上有可移动的读数鼓夹丝9以及固定的标尺10，调整读数鼓夹丝9使十字丝像3位于读数鼓夹丝9中间，如图3所示，此时即可直读出十字丝像3对应的标尺10的刻度，该刻度即为测量结果。该光学自准直比较测角仪的测量精度为1′，量程为50′×50′。
然而，所述光学自准直比较测角仪其不足在于，人工读数易造成操作者疲劳，也存在人为误差，另外，1′的测量精度也比较低。
发明内容
为了降低操作者的操作强度，消除人为误差，提高测量精度，我们发明了一种采用码尺的直读式光电准直测角仪。
在本发明之采用码尺的直读式光电准直测角仪中，光源1、半反半透镜4、准直透镜5依次光学同轴排列，在半反半透镜4的像的反射光路上安放屏幕8，其特征在于，如图4所示，绝对式码尺11位于光源1、半反半透镜4之间，并且处在准直透镜5的焦平面上；所述绝对式码尺11上分布若干条彼此平行的码道，第一条码道为精码道，其余为粗码道，各条码道通光和不通光组合形成的编码具有单值函数特征；屏幕8上有一个狭缝12，在狭缝12后面沿狭缝12排布一组光敏器件13；所述一组光敏器件13与A/D转换器相连，A/D转换器再与计算机相连。
本发明其技术效果在于，由光源1照明绝对式码尺11，如图4所示，在测量的过程中绝对式码尺11静止，携带码道图像的透射光再透过半反半透镜4，之后由准直透镜5整形成平行光，该平行光照射到被测面6后反射，码道图像随之反射，之后码道图像由半反半透镜4反射到屏幕8上。在本发明之采用码尺的直读式光电准直测角仪的装调中，调整屏幕8使狭缝12的走向与码道图像中的码道走向垂直，在测量的过程中屏幕8静止。由狭缝12后面的一组光敏器件13获取码道图像中的一窄幅明暗相间图像的电平错落电信号，如图5所示，当被测面6出现一个面倾角α时，也就是被测面6偏离垂直光轴的状态时，码道图像在屏幕8上平移一个角距离ΔS，由狭缝12后面的一组光敏器件13获取码道图像中另一窄幅图像的电信号，如图6所示。以此类推。基于本发明中的绝对式码尺11的结构特征，面倾角α的变化最终引起的所述的电信号的变化具有唯一性。作为几何位移量的角距离ΔS被光敏器件转换电信号，作为模拟量的电信号经A/D转换器转换成数字量，传送给计算机进行数据处理得到面倾角α的值。可见，本发明之采用码尺的直读式光电准直测角仪无需人工读数，降低了操作者的操作强度，消除人为误差。码尺的采用，对码道图像的精细分割，以及计算机技术的应用，使得测量精度得到明显提高，测量精度能够达到0.1″。
附图说明
图1是现有光学自准直比较测角仪的结构及测量过程示意图。图2是现有技术以十字丝像与十字丝二者十字中心偏离量作为角距离ΔS的示意图。图3是现有技术通过调整读数鼓夹丝得到测量结果示意图。图4是本发明结构及测量过程示意图，该图同时作为摘要附图。图5、图6是采用本发明通过屏幕上的狭缝后方的光敏器件先后获取码道图像中的一窄幅图像示意图。图7是本发明中的绝对式码尺上的格雷码图案示意图，鉴于该图的狭长特点，采取两处断开处理。图8是采用本发明由在狭缝的宽度方向上一字排布的四个光敏器件将码道图像中的精码道部分转换为四路相位依次相差90°的正弦信号示意图。图9是采用本发明将四路正弦信号先由差分放大器处理成两路相位差为90°的正余弦信号示意图。图10是采用本发明获得的二进制码图案示意图，鉴于该图的狭长特点，采取两处断开处理，再有，由于与精码道对应的二进制码图案部分分辨率过小而无法画出，故省略，因此，图中只给出与粗码道对应的二进制码图案部分。
具体实施方式
在本发明之采用码尺的直读式光电准直测角仪中，如图5所示，光源1、半反半透镜4、准直透镜5依次光学同轴排列，在半反半透镜4的像的反射光路上安放屏幕8。绝对式码尺11位于光源1、半反半透镜4之间，并且处在准直透镜5的焦平面上。所述绝对式码尺11上分布若干条彼此平行的码道，第一条码道为精码道，其余为粗码道，如粗码道有七条，各条码道通光和不通光组合形成的编码具有单值函数特征，所述编码为格雷码，如图7所示。精码道角周期TΦ＝51.2″。粗码道读数范围为36TΦ。屏幕8上有一个狭缝12，在狭缝12后面沿狭缝12排布一组光敏器件13。该组光敏器件13的具体排布方式为，四个光敏器件13在狭缝12的宽度方向上一字排布，间距符合各自输出的电信号相位依次相差90°的要求；在所述一字排布的四个光敏器件13的一侧，且在狭缝12的长度方向上排布数量与绝对式码尺11上的粗码道数相同、间距也与各条粗码道间距相同的光敏器件13；所述光敏器件13采用光敏三极管。所述一组光敏器件13与A/D转换器相连，其中在狭缝12的宽度方向上一字排布的四个光敏器件13或者先与差分放大器连接，该差分放大器再与A/D转换器连接；A/D转换器再与计算机相连。
在测量过程中，由光源1照明绝对式码尺11，在测量的过程中绝对式码尺11静止，携带码道图像的透射光再透过半反半透镜4，之后由准直透镜5整形成平行光，该平行光照射到被测面6后反射，码道图像随之反射，之后码道图像由半反半透镜4反射到屏幕8上。在本发明之采用码尺的直读式光电准直测角仪的装调中，调整屏幕8使狭缝12的走向也就是狭缝12的长度方向与码道图像中的码道走向垂直，在测量的过程中屏幕8静止。由狭缝12后面的一组光敏器件13获取码道图像中的一窄幅明暗相间图像的电平错落电信号。其中包括，由在狭缝12的宽度方向上一字排布的四个光敏器件13将码道图像中的精码道部分转换为四路相位依次相差90°的正弦信号如图8所示，图中为相位角，U为信号电压，该四路正弦信号先由差分放大器处理成两路相位差为90°的正余弦信号和如图9所示，之后该两路正余弦信号被送入A/D转换器进行插值细分，也就是模数转换，将角周期TΦ分成512份，得到分辨率r＝TΦ/512＝51.2″/512＝0.1″，码道图像横向分度十分精细。所述电信号还包括，由在狭缝12的长度方向上排布的七个光敏器件将码道图像中的粗码道各部分分别转换的电信号，这部分电信号送入A/D转换器进行模数转换，被整形成方波，根据粗码道读数范围为36TΦ的特征，粗码道读数范围具体为36TΦ＝36×51.2″＝1843.2″≈0.5°，因而，本发明量程为30′×30′。当被测面6出现一个面倾角α时，也就是被测面6偏离垂直光轴的状态时，码道图像在屏幕8上平移一个角距离ΔS，由狭缝12后面的一组光敏器件13获取码道图像中另一窄幅图像的电信号。以此类推。基于本发明中的绝对式码尺11的结构特征，面倾角α的变化最终引起的所述的电信号的变化具有唯一性。作为几何位移量的角距离ΔS被光敏器件13转换电信号，作为模拟量的电信号经A/D转换器转换成数字量，也就是由A/D转换器将格雷码译成二进制码，如图10所示，传送给计算机进行数据处理得到面倾角α的值。

Claims (6)

1.一种采用码尺的直读式光电准直测角仪，光源(1)、半反半透镜(4)、准直透镜(5)依次光学同轴排列，在半反半透镜(4)的像的反射光路上安放屏幕(8)，其特征在于，绝对式码尺(11)位于光源(1)、半反半透镜(4)之间，并且处在准直透镜(5)的焦平面上；所述绝对式码尺(11)上分布若干条彼此平行的码道，第一条码道为精码道，其余为粗码道，各条码道通光和不通光组合形成的编码具有单值函数特征；屏幕(8)上有一个狭缝(12)，在狭缝(12)后面沿狭缝(12)排布一组光敏器件(13)；所述一组光敏器件(13)与A/D转换器相连，A/D转换器再与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的采用码尺的直读式光电准直测角仪，其特征在于，所述编码为格雷码。
3.根据权利要求1所述的采用码尺的直读式光电准直测角仪，其特征在于，精码道角周期TΦ＝51.2″；粗码道有七条，粗码道读数范围为36TΦ。
4.根据权利要求1所述的采用码尺的直读式光电准直测角仪，其特征在于，所述一组光敏器件(13)的具体排布方式为，四个光敏器件(13)在狭缝(12)的宽度方向上一字排布，间距符合各自输出的电信号相位依次相差90°的要求；在所述一字排布的四个光敏器件(13)的一侧，且在狭缝(12)的长度方向上排布数量与绝对式码尺(11)上的粗码道数相同、间距也与各条粗码道间距相同的光敏器件(13)。
5.根据权利要求1所述的采用码尺的直读式光电准直测角仪，其特征在于，所述光敏器件(13)采用光敏三极管。
6.根据权利要求4所述的采用码尺的直读式光电准直测角仪，其特征在于，在狭缝(12)的宽度方向上一字排布的四个光敏器件(13)或者先与差分放大器连接，该差分放大器再与A/D转换器连接。
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