CN107192843B - 一种高精度转台的低速速率精度检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度转台的低速速率精度检测方法，包括如下步骤：(1)检测系统开机，设置零位；(2)粗寻正弦零位基准；(3)精寻正弦零位基准；(4)正弦臂(6)臂长标定；(5)角速率数据采集；(6)角速率解算和显示。与以往采用转台内部角度编码器或外接角度编码器进行速率精度检测的方法相比，本发明实现了对低速运行中转台的高精度动态角速率检测，解决了无法对转台高精度低速率进行有效检测的难题。同时，本发明具有操作简单、自动化测量、抗干扰能力强、检测精度高的优点。

Description

一种高精度转台的低速速率精度检测方法

技术领域

本发明涉及一种高精度转台的低速速率精度检测方法，属于测试技术领域。主要完成对测试转台低速角速率信息的检测。

背景技术

测试转台是惯性产品研发、测试、出厂评定及标定的主要设备，转台的位置及速率精度是影响标定的主要因素，尤其对于速率转台，其速率特性非常重要，需要在转台设备出厂前完成技术指标的检测。对于转速较高的情况(ω≥10°/s)通常利用光电计数器等方式检测，而对于低速(ω＜10°/s)的情况，只能借助其他检测设备和方法。

目前国内对测试转台的高精度低速速率检测方法研究相对较少，传统的外接编码器和内部编码器检测方法无论是在精度方面和自动化程度上都已经无法满足科研生产要求。国军标对上述指标的检测所使用的检测方法对于高精度的低速速率精度检测存在一定困难。因此，需要研制具有操作简单、自动化测量、抗干扰能力强、检测精度高等优点的检测设备和方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种高精度转台的低速速率精度检测方法，解决了无法对转台高精度低速率进行有效检测的难题，具有操作简单、自动化测量、抗干扰能力强、检测精度高等优点。

本发明所采用的技术方案是：一种高精度转台的低速速率精度检测方法，包括如下步骤：

步骤一、开启检测系统中双频激光发生器、光电接收器、数字相位卡，记录转台位置θ₀，将数字相位卡显示的测量结果清零；

步骤二、令转台以设定的固定角度位移δ₁进行运动，记录第i次转台运动后的角位置θ_i及角位置θ_i对应的数字相位卡的测量值将相邻的两个测量值做差，将差值中最大差值对应的两个转台角位置中的任意一个设为正弦零位粗基准θ_k；θ_i＝θ₀+i×δ₁，其中，i为转台运动次数，i＝1,2,3,...,k,k+1,k+2,....，k为正整数；

步骤三、令转台在正弦零位粗基准θ_k±固定角度位移δ₁的范围内，从角位置θ_k-δ₁开始，以设定的固定角度位移δ₂向角位置θ_k+δ₁进行运动，记录第j次运动后转台所在角位置θ_k-δ₁+j×δ₂及对应的数字相位卡的测量值为当转台运动至角位置θ_k-δ₁+j×δ₂处时，令转台以角位置θ_k-δ₁+j×δ₂为中心，正向、反向运动相同角度φ，并分别记录转台在正向、反向运动后数字相位卡的测量值并做差；记录差值中最大差值对应的转台角位置θ_k-δ₁+m×δ₂，作为正弦零位精基准，j＝1,2,3,...,m,m+1,m+2,....，m为正整数；

步骤四、计算正弦臂臂长其中，为正弦零位精基准对应的数字相位卡测量值，为转台在角位置处向正向运动角度φ后的数字相位卡测量值；

步骤五、令转台进行低速角速率运行，记录时间点T_ξ及时间点T_ξ对应的数字相位卡测量值ξ为正整数；

步骤六、将中最小值对应的数字相位卡测量值作为正弦零位基准测量值；计算转台的角速率ω，公式如下：

其中，为步骤五中记录的数字相位卡测量值中的任意一个，T_z为测量值对应的时间点；T_a为测量值对应的时间点。

所述设定的固定角度位移δ₁的取值范围为0.1°～1°。

所述相同角度φ的取值范围为4°～6°。

所述n为细化倍数，为正整数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用双频激光干涉方案，抗干扰能力强，检测精度高，解决了无法对转台高精度低速率进行有效检测的技术难题。双频激光干涉仪所测量的信息是加载在一个固定频率差上的，是交流信号，具有很大的增益和高信噪比，克服了单频激光干涉仪的直流电平漂移的缺点；传统测量转台的角速率的方法是内外接角度编码器等方法，要想满足万分之一的相对精度，光电编码器的绝对精度要到0.12＂，目前技术是达不到的，而是用该光学测量方法解决了这一难题。

(2)本发明使用粗寻正弦零位基准的寻找方法，高效可行地寻找到正弦零位基准。为了快速寻找到正弦零位基准，先使用粗寻正弦零位基准的寻找方法，利用正弦函数斜率的非线性找到正弦零位基准。找到更精确的正弦零位基准，才能保证反正弦解算出的角速率的高精度。

(3)本发明使用精寻正弦零位基准的寻找方法，准确可行地寻找到正弦零位基准。由于系统测量分辨率的原因，找到更精确的零位基准，粗基准的方法已经失效了，使用精寻正弦零位基准的寻找方法，代入了更多非线性量，寻正弦零位基准精度得以提高。

(4)本发明使用正弦臂标定方法，减少环境温度的变化对正弦臂臂长的影响，同时，减少安装时正弦臂不平行于台面对臂长精度的影响。

(5)本发明使用角速率反正弦解算的方法，提高了对低速角速率检测的精度。若使用角度近似的数值处理方式，在5°范围内测量，相对精度只能保证千分之五，而反正弦解算在数值处理上可以几乎不引入误差。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明结构原理简图。

具体实施方式

如图2所示，检测系统包括双频激光发生器1、光电接收器2、偏振分光镜3、反射镜4、角锥棱镜5、正弦臂6、数字相位卡7；

双频激光光源发生器1产生频率分别为f₁和f₂的双频正交线偏振光，一部分双频正交线偏振光通过光学元器件和光电转换装置获得频率为f₁-f₂的基准信号并发送至数字相位卡7，一部分双频正交线偏振光射向偏振分光镜3；

偏振分光镜3将双频正交线偏振光分开，分别通过两组反射镜4反射后平行射出至角锥棱镜5；偏振分光镜3接收反射镜4反射回来的双频正交偏振光，汇聚后射向光电接收器2；

角锥棱镜5分别安装在正弦臂6两端；角锥棱镜5将经过反射镜4反射的双频正交偏振光反射至反射镜4，并通过反射镜4反射至偏振分光镜3；正弦臂6安装在转台8上，以正弦臂6中心为转轴转动；

光电接收器2通过光学元器件和光电转换装置将偏振分光镜3发送的双频正交偏振光进行干涉，得到频率为(f₁-f₂)+Δf₁+Δf₂的测量信号；其中，Δf₁表示频率为f₁的偏振光经过角锥棱镜5后的频率变换量，Δf₂表示频率为f₂的偏振光经过角锥棱镜5后的频率变换量；

数字相位卡7将通过双频激光发生器1获得的频率为f₁-f₂的基准信号与光电接收器2发送的频率为(f₁-f₂)+Δf₁+Δf₂的测量信号进行作差、积分得到周期数N，根据周期数N获得转台8的转动角度α。

角锥棱镜5关于正弦臂6的中心对称。

转动角度α的计算公式如下：

其中，L为测试转台6转动α角度时，一个角锥棱镜7沿光路移动的距离，λ为双频正交线偏振光的近似波长，D为正弦臂6臂长。

如图1所示，一种基于双频激光干涉仪的高精度转台的低速速率精度检测方法，包括如下步骤：

步骤一、开启检测系统中双频激光发生器1、光电接收器2、数字相位卡7，记录转台位置θ₀，将数字相位卡7显示的测量结果清零；

步骤二、令转台8以设定的固定角度位移δ₁进行运动，记录第i次转台8运动后的角位置θ_i及角位置θ_i对应的数字相位卡7的测量值通过测量原理公式可得的计算公式，如下式所示；将相邻的两个测量值做差，将差值中最大差值对应的两个转台角位置中的任意一个设为正弦零位粗基准θ_k；θ_i＝θ₀+i×δ₁，其中，i为转台运动次数，i＝1,2,3,...,k,k+1,k+2,....，k为正整数；

式中λ为双频激光平均波长，为转台位置为θ_i时数字相位卡采集的周期数。

步骤三、令转台8在正弦零位粗基准θ_k±固定角度位移δ₁的范围内，从角位置θ_k-δ₁开始，以设定的固定角度位移δ₂向角位置θ_k+δ₁进行运动，记录第j次运动后转台8所在角位置θ_k-δ₁+j×δ₂及对应的数字相位卡7的测量值为当转台运动至角位置θ_k-δ₁+j×δ₂处时，令转台8以角位置θ_k-δ₁+j×δ₂为中心，正向、反向运动相同角度φ，并分别记录转台8在正向、反向运动后数字相位卡7的测量值并做差；记录差值中最大差值对应的转台角位置θ_k-δ₁+m×δ₂，作为正弦零位精基准，j＝1,2,3,...,m,m+1,m+2,....，m为正整数；

步骤四、计算正弦臂6臂长其中，为正弦零位精基准对应的数字相位卡7测量值，为转台8在角位置处向正向运动角度φ后的数字相位卡7测量值；正弦臂6臂长就是指两角锥棱镜5顶点的连线距离。

步骤五、令转台8进行低速角速率运行角速率在1°/s以下，实时记录时间点T_ξ及时间点T_ξ对应的数字相位卡7测量值ξ为正整数；

步骤六、首先在步骤五所记录的测量值中，找到中最小值对应的数字相位卡7测量值作为正弦零位基准测量值，并记录对应的时间节点T_a；然后从步骤五所记录的测量之中选取一个测量值和对应的时间节点T_z，把该测量值与正弦零位基准测量值做差，差值的二倍作为角度α对应的直角边，正弦臂6臂长D作为斜边，进行反正弦解算算出角度α，再把二者所对应的时间节点做差作为时间间隔ΔT；最后计算得到了转台8的角速率ω；把解算出的角速率显示在计算机运算结果中。计算转台8的角速率ω，公式如下：

其中，为步骤五中记录的数字相位卡7测量值中的任意一个，T_z为测量值对应的时间点；T_a为测量值对应的时间点。

实施例：

一种高精度转台的低速速率精度检测方法，包括如下步骤：

步骤一、开启检测系统中双频激光发生器1、光电接收器2、数字相位卡7，记录转台8位置84°，将数字相位卡7显示的测量结果清零；

步骤二、令转台8以设定的固定角度位移1°进行运动，记录第i次转台8运动后的角位置θ_i及角位置θ_i对应的数字相位卡7的测量值结果如下表1所示；将相邻的两个测量值做差，将差值中最大差值对应的两个转台角位置中的任意一个设为正弦零位粗基准θ_k,θ_k＝θ₇＝91°；θ_i＝θ₀+i×δ₁，其中，i为转台运动次数，i＝1,2,3,...,k,k+1,k+2,....，k为正整数；

表1正弦零位粗基准标定数据测试结果

步骤三、令转台8在91°±1°范围内，从角位置90°开始，以设定的固定角度位移0.1°向角位置92°进行运动，记录第j次运动后转台8所在角位置θ_k-δ₁+j×δ₂及对应的数字相位卡7的测量值为结果如下表2所示；当转台运动至角位置θ_k-δ₁+j×δ₂处时，令转台8以角位置θ_k-δ₁+j×δ₂为中心，正向、反向运动相同角度φ，φ＝5°,并分别记录转台8在正向、反向运动后数字相位卡7的测量值并做差，如表3、表4所示；记录差值中最大差值为2.811112mm对应的转台角位置θ_k-δ₁+m×δ₂＝90.8°，作为正弦零位精基准，j＝1,2,3,...,m,m+1,m+2,....，m为正整数；

表2转台第j次运动后所在角位置及对应的数字相位卡的测量值

表3转台正向运动后角位置及对应的数字相位卡的测量值

表4转台反向运动后角位置及对应的数字相位卡的测量值

步骤四、计算正弦臂6臂长:

其中，为正弦零位精基准对应的数字相位卡7测量值，为转台8在角位置处向正向运动角度φ后的数字相位卡7测量值；

步骤五、令转台8进行低速角速率ω₀＝0.005°/s运行，记录时间点T_ξ及时间点T_ξ对应的数字相位卡7测量值ξ为正整数；

步骤六、将中最小值对应的数字相位卡7测量值作为正弦零位基准测量值；计算转台8的角速率ω，公式如下：

ΔT＝T_z-T_a＝200s；

其中，为步骤五中记录的数字相位卡7测量值中的任意一个，T_z为测量值对应的时间点；T_a为测量值对应的时间点。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种高精度转台的低速速率精度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、开启检测系统中双频激光发生器(1)、光电接收器(2)、数字相位卡(7)，记录转台位置θ₀，将数字相位卡(7)显示的测量结果清零；

步骤二、令转台(8)以设定的固定角度位移δ₁进行运动，记录第i次转台(8)运动后的角位置θ_i及角位置θ_i对应的数字相位卡(7)的测量值将相邻的两个测量值做差，将差值中最大差值对应的两个转台角位置中的任意一个设为正弦零位粗基准θ_k；θ_i＝θ₀+i×δ₁，其中，i为转台运动次数，i＝1,2,3,...,k,k+1,k+2,....，k为正整数；

步骤三、令转台(8)在正弦零位粗基准θ_k±固定角度位移δ₁的范围内，从角位置θ_k-δ₁开始，以设定的固定角度位移δ₂向角位置θ_k+δ₁进行运动，记录第j次运动后转台(8)所在角位置θ_k-δ₁+j×δ₂及对应的数字相位卡(7)的测量值为当转台运动至角位置θ_k-δ₁+j×δ₂处时，令转台(8)以角位置θ_k-δ₁+j×δ₂为中心，正向、反向运动相同角度φ，并分别记录转台(8)在正向、反向运动后数字相位卡(7)的测量值并做差；记录差值中最大差值对应的转台角位置θ_k-δ₁+m×δ₂，作为正弦零位精基准，j＝1,2,3,...,m,m+1,m+2,....，m为正整数；

步骤四、计算正弦臂(6)臂长其中，为正弦零位精基准对应的数字相位卡(7)测量值，为转台(8)在角位置θ_k-δ₁+m×δ₂处向正向运动角度φ后的数字相位卡(7)测量值；

步骤五、令转台(8)进行低速角速率运行，记录时间点T_ξ及时间点T_ξ对应的数字相位卡(7)测量值ξ为正整数；

步骤六、将中最小值对应的数字相位卡(7)测量值作为正弦零位基准测量值；计算转台(8)的角速率ω，公式如下：

其中，为步骤五中记录的数字相位卡(7)测量值中的任意一个，T_z为测量值对应的时间点；T_a为测量值对应的时间点。

2.根据权利要求1所述的一种高精度转台的低速速率精度检测方法，其特征在于：所述设定的固定角度位移δ₁的取值范围为0.1°～1°。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度转台的低速速率精度检测方法，其特征在于：所述相同角度φ的取值范围为4°～6°。

4.根据权利要求2所述的一种高精度转台的低速速率精度检测方法，其特征在于：所述n为细化倍数，为正整数。