CN111595271B - 一种角度测量设备的标校方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种角度测量设备的标校装置及方法，装置包括设置于待标校设备一端的细分多齿分度台，细分多齿分度台上固定有第一准直镜，第一准直镜的反射光路在待标校设备上聚焦形成标校光斑，调节细分多齿分度台的偏移角度改变反射光路，使得标校光斑中心位置发生偏移；细分多齿分度台上还固定有第二准直镜；标校装置还包括自准直装置，其设置于细分多齿分度台的另一端且靠近第二准直镜，用于通过第二准直镜对细分多齿分度台的偏移角度进行验证，第二准直镜反射光路与第一准直镜反射光路平行。本发明可有效解决传统标校方法标校周期长、测角仪价格昂贵、标校精度难以保证、标校后数据难以处理等缺点。

Description

一种角度测量设备的标校方法及装置

技术领域

本发明属于角度测量技术领域，更具体地，涉及一种角度测量设备的标校方法及装置。

背景技术

众所周知，在某些角度测量技术领域，例如小角度测量领域，通常采用光电自准直的方法来测量角度偏转，光源发出光束照明位于准直物镜焦平面上的分划板，产生分划像；分划像经准直物镜后，形成平行准直光出射；出射光束经测量目标(直角棱镜/反射镜)反射后，再经准直物镜后聚焦在待标定设备的光电探测器上，当测量目标发生偏转，反射后的光在光电探测面上光斑中心位置发生变化。由于一般测量角度很小，因此对测量设备精度要求很高，光电自准直原理理论角度测量精度可以达到精度要求，但是在实际生产加工中，由于成本、加工工艺水平等限制带来的绝对误差及在装配过程产生的相对误差，造成角度测量偏差太大，因此实际工程应用中，都需要对角度测量设备进行标校。在现有标校方法中，多数利用高精度测角仪进行标校，这种方法标校的精度高，但是存在标校周期长、测角仪价格昂贵、标校后数据难以处理等缺点。

发明内容

针对现有标校技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种精度高、速度快、操作简单的角度测量设备标校装置及方法。其中，通过五角棱锥标校绝对零位；再通过自准直经纬仪-细分多齿分度台-待标校设备构成的测量设备标校装置标校出偏移角度-光斑中心像素值关系；然后拟合出角度计算公式；最后将所得角度计算公式写入待标校设备中并进行精度验证。本发明可有效解决传统标校方法标校周期长、测角仪价格昂贵、标校精度难以保证、标校后数据难以处理等缺点。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种角度测量设备的标校装置，所述标校装置包括细分多齿分度台，所述细分多齿分度台上固定有第一准直镜；

所述细分多齿分度台的设置于所述待标校设备的一端，用于通过第一准直镜对所述待标校设备进行测量；其中，所述第一准直镜反射光路在所述待标校设备上聚焦形成标校光斑，调节所述细分多齿分度台的偏移角度，从而改变所述反射光路以使所述标校光斑中心位置发生偏移。

优选地，所述细分多齿分度台上还固定有第二准直镜；

所述标校装置还包括自准直装置，其设置于所述细分多齿分度台的另一端，用于通过所述第二准直镜对所述细分多齿分度台的偏移角度进行验证；其中，所述第二准直镜反射光路与所述第一准直镜反射光路平行。

优选地，所述第一准直镜与所述第二准直镜平行固定于细分多齿分度台上；其中，改变所述细分多齿分度台偏移角度，所述第一准直镜与所述第二准直镜随之产生相同的偏移。

优选地，所述第一准直镜与所述第二准直镜平行设置于细分多齿分度台上；所述第一准直镜与所述第二准直镜随着所述细分多齿分度台偏移角度的改变而随动。

优选地，所述自准直装置为自准直经纬仪。

优选地，所述第一准直镜和第二准直镜准直镜为直角棱镜。

本发明第二个方面，提供一种角度测量设备的标校方法，所述方法包括：

提供如上所述的角度测量设备的标校装置和待标校设备；

通过调节所述细分多齿分度台获得多个偏移角度，并记录所述待标校设备对应输出的光斑中心像素值；

通过所述自准直装置对所述细分多齿分度台的多个偏移角度进行验证；

验证准确后，再通过polyfit函数计算所述多个偏移角度和对应光斑中心像素值的角度拟合关系，通过所述角度拟合关系完成对所述待标校设备的标校。

优选地，所述方法还包括第一步调零，所述第一步调零包括：

将五角棱锥置于所述待标校设备的测量窗口，标定当前所述待标校设备的光斑中心像素值为零位；

移走所述五角棱锥，调节所述细分多齿分度台的角度以使所述待标校设备光斑中心像素值为零位，设定当前所述细分多齿分度台的角度为零位。

优选地，所述方法还包括第二步调零，所述第二步调零包括：

通过所述自准直装置对所述第一直角棱镜进行瞄准，设定当前所述自准直装置角度读数为零位。

优选地，所述偏移角度的个数≥4。

优选地，所述多个偏移角度之间的间隔范围为5′～20′。

和现有技术相比，本发明提供的一种角度测量设备的标校装置及方法，具有以下有益技术效果：

本发明提供一种角度测量设备的标校方法及装置，其特殊之处在于：首先利用五角棱锥标校出在待标校设备上的光斑中心像素零位，再利用细分多齿分度台进行标校，通过细分多齿分度台带动直角棱镜转过的偏移角度对待标校设备中光电探测器上的光斑中心像素值产生相对变化，通过polyfit函数得到偏移角度-光斑中心像素值对应关系，通过角度拟合算法从而完成校正。在整个过程中，在细分多齿分度台上架设另一直角棱镜，通过自准直装置验证细分多齿分度台转动的偏移角度及保证整个标校过程中准确性。

本发明的角度拟合算法采用VB编写专用计算软件实现，由于VB实现数据拟合比较复杂，这里调用MATLAB中POLYFIT函数来实现数据拟合功能，整个软件具有操作简单、人机界面友好等优点，输入偏移角度-像素灰度值对应表及拟合阶数即可快速得到角度计算拟合公式。

本发明的自准直经纬仪实时验证方法主要是因为在实际标校过程中，由于需要反复转动细分多齿分度台的细分鼓轮，细分鼓轮在实际读数过程中较易产生读错的情况，因此，通过自准直经纬仪可有效验证细分鼓轮读数正确性。

附图说明

图1是本发明提供的角度测量设备的标校装置和待标校设备的示意图；

图2是本发明提供的角度计算拟合软件的封装界面的示意图；

图中：1-自准直装置；2-支架；3-标校支架；4-细分多齿分度台的顶升螺柱；5-细分多齿分度台；6-细分多齿分度台的齿盘；7-第二准直镜；8-第一准直镜；9-细分多齿分度台的细分鼓轮；10-待标校设备；11-标校支架的可升降部分；12-标校支架的调节螺柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式及附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

本发明提供的一种实施方式，如图1所示，提供了一种角度测量设备的标校装置，该标校装置包括细分多齿分度台5，细分多齿分度台5上固定有第一准直镜8；细分多齿分度台的5设置于待标校设备10的一端，用于通过第一准直镜8对待标校设备10进行测量；其中，第一准直镜8反射光路在待标校设备10上聚焦形成标校光斑，调节细分多齿分度台5的偏移角度，从而改变反射光路以使标校光斑中心位置发生偏移。

进一步地，光源通过第一准直镜8形成平行的反射光路聚焦在待标校设备10的光电探测器上形成标校光斑，调节细分多齿分度台5的偏移角度，可以调节第一准直镜8倾斜角度从而改变反射光路，使得在光电探测器上形成标校光斑的中心位置发生改变。

进一步地，细分多齿分度台5上还固定有第二准直镜7；该标校装置还包括自准直装置1，其设置于靠近细分多齿分度台5的第二准直镜7的另一端，用于通过第二准直镜7对细分多齿分度台5的偏移角度进行验证；其中，第二准直镜7反射光路与第一准直镜8反射光路平行。

更进一步地，自准直装置1用于瞄准第二准直镜7，第二准直镜7位置固定，其平行于第一准直镜8，因此，二者的倾斜角度相同，同时反射光路也平行。使用自准直装置1沿着第二准直镜7反射光路对第二准直镜7进行瞄准，测量的角度和细分多齿分度台5偏移的角度相同。

进一步地，第一准直镜8与第二准直镜7平行固定于细分多齿分度台5上；其中，改变细分多齿分度台5偏移角度，第一准直镜8与第二准直镜7随之产生相同的偏移。。

进一步地，自准直装置1为自准直经纬仪。

进一步地，第一准直镜8和第二准直镜7准直镜为直角棱镜。

本发明提供的另一种实施方式，提供一种角度测量设备的标校方法，方法包括：提供如上实施例提供的角度测量设备的标校装置和待标校设备10；通过调节细分多齿分度台5获得多个偏移角度，并记录待标校设备10对应输出的光斑中心像素值；通过自准直装置1对多个偏移角度进行验证；验证准确后，再通过polyfit函数计算多个偏移角度和对应光斑中心像素值的角度拟合关系，通过角度拟合关系完成对待标校设备10的标校。

进一步地，方法还包括第一步调零，第一步调零包括：将五角棱锥置于待标校设备10的测量窗口，标定当前待标校设备10的光斑中心像素值为零位；移走五角棱锥，调节细分多齿分度台5的角度以使待标校设备10光斑中心像素值为零位，设定当前细分多齿分度台5的角度为零位。

进一步地，方法还包括第二步调零，第二步调零包括：通过自准直装置1对第一准直镜8进行瞄准，设定当前自准直装置1角度读数为零位。

进一步地，偏移角度的个数≥4。

进一步地，多个偏移角度之间的间隔范围为5′～20′。

本发明提供的一种具体实施方式，提供一种角度测量设备的标校方法，可有效解决传统标校方法标校周期长、测角仪价格昂贵、标校精度难以保证、标校后数据难以处理等缺点。方法包括：

步骤1：搭建如上所述角度测量设备标校装置和待标校设备10；

步骤2：通过第一准直镜8标定细分多齿分度台5的偏移角度零位，通过第二准直镜7标定自准直装置1当前角度读数为零位；

步骤3：通过标校和测量获得细分多齿分度台5设定的偏移角度以及待标校设备10对应输出的光斑中心像素值；

步骤4：通过自准直装置1对细分多齿分度台5偏移角度读数进行验证；

步骤5：偏验证准确后，将偏移角度和光斑中心像素值输入至角度计算拟合软件，基于polyfit函数进行计算输出拟合公式，并将拟合公式输入至待标校设备10并进行精度验证。

进一步地，步骤1中，图1是本发明提供的角度测量设备的标校方法的原理图。搭建角度测量设备标校装置和待标校设备包括：提供标校支架和支架2；将第一准直镜8和第二准直镜7通过螺钉紧固于细分多齿分度台5的齿盘6顶部；并微调调节细分多齿分度台5的顶升螺柱4，以使第一准直镜8和第二准直镜7与水平方向平行；将待标校设备10置于细分多齿分度台5一侧的标校支架上，通过三颗调节螺柱12调节标校支架的可升降部分11高度，以使待标校设备10与水平方向平行，并且使待标校设备10的测量窗口与直角棱镜8处于同一水平高度；将自准直装置1置于细分多齿分度台5另一侧的支架2上，调节支架2，以使自准直装置1与水平方向平行，并且使自准直装置1与直角棱镜7调至同一水高度。

更进一步地，第一准直镜8的反射光路在待标校设备10上聚焦形成标校光斑，调节细分多齿分度台5的偏移角度改变反射光路，使得标校光斑中心位置发生偏移。

更进一步地，自准直装置1通过第二准直镜7对细分多齿分度台5的偏移角度进行验证；其中，第二准直镜7反射光路与第一准直镜8反射光路平行。

进一步地，步骤2中，通过第一准直镜8标定细分多齿分度台5的偏移角度零位包括：首先使用五角棱锥放置在测量设备测量窗口上，由于五角棱锥可以将各个角度入射光原路折射返回的特性，这时候在测量设备上读到的光斑中心像素值即为系统绝对零点对应的光斑中心像素值，将此光斑中心像素值记为系统标校零点。将五角棱锥置于待标校设备10的测量窗口，调节细分多齿分度台5的齿盘6和细分鼓轮9，待标校设备10输出光斑中心像素值，标定当前输出光斑中心像素值为零位。随后，调节细分多齿分度台5的齿盘6和细分鼓轮9使待标校设备输出的光斑中心像素值为通过五角棱锥测出的零位光斑中心像素值，记此时细分多齿分度台角度读数为零位，细分多齿分度台5在此基础上偏移角度记为待标校的偏移角度。

进一步地，步骤2中，通过第二准直镜7标定自准直装置1当前角度读数为零位包括：通过自准直装置1对第一准直镜8进行瞄准，标定自准直装置1读数为零包括：调节自准直装置1水平度盘及水平微动旋钮对第一准直镜8进行瞄准，标定当前自准直装置1读数为零。更进一步地，调节经纬仪水平度盘及水平微动旋钮，使自准直经纬仪水平，调节经纬仪水平度盘，使其粗瞄上直角棱镜7，再调节水平微动旋钮，瞄准直角棱镜7，在此位置将经纬仪读数置零。

进一步地，上述的第一准直镜8、第二准直镜7、待标校设备10的测量窗口和自准直装置1处于同一水平高度。第二准直镜7反射光路与第一准直镜8反射光路平行。

更进一步地，使用自准直装置1实时验证方法主要是因为在实际标校过程中，由于需要反复转动细分多齿分度台5的细分鼓轮9，细分鼓轮9在实际偏移角度读数过程中较易产生读错的情况，因此，通过自准直装置1可有效验证细分鼓轮读数正确性。上述自准直经纬仪可选用徕卡经纬仪TM6100A，测量精度为2″，具有电子水平度盘及水平微动旋钮、电子补偿器等功能。上述细分多次分度台可选用上海弘测仪器的DT-4.2Z型细分多齿分度台，绝对误差为0.1″。

进一步地，步骤3中，上述即为整个角度测量设备标校装置的搭建和调零的方法，随后即可开始标校工作。通过调节细分多齿分度台5设定N个的偏移角度，并通过待标校设备10获取N个对应的光斑中心像素值；其中，N为≥4的整数。通过调节细分多齿分度台5设定N个的偏移角度包括：偏转细分多齿分度台5的细分鼓轮9获取N个的偏移角度；其中，设定正方向，沿正方向偏转细分鼓轮9则记录为正的偏移角度值，沿正方向相反方向偏转细分鼓轮9则记录为负的偏移角度值；更进一步地，N个的偏移角度之间的角度间隔相同，角度间隔范围为5′～20′。

进一步地，步骤3和4中，朝规定偏转正方向转动细分多齿分度台5细分鼓轮9，转动为偏移角度20′，通过待标校设备得到此时的光斑中心像素值，则此光斑中心像素值为待标校设备10测量20′时对应光斑中心像素值，读自准直装置1此时读数是否为20′，以此保证每次转动细分多齿分度台5齿盘或者转动细分鼓轮9都是正确的。用同样的方法继续得到40′、60′……直至要求测量范围的角度值分别对应的光斑中心像素值，然后将细分多齿分度台转回相对零点，朝另一个方向分别转动20′、40′……记为-20′、-40′……得到此时分别对应的光斑中心像素值。将以上标校数据记入Excel表格中，第一列为偏移角度，第二列为对应的光斑中心像素值，得到角度—光斑中心像素值的对应关系表。为了进一步提高标校精度，可将标校角度由每20′提高到每10′、5′等，具体根据实际要求精度做出选择，由于自准直测角原理的测角装置在理论上为一个线性系统，其拟合阶数不用太高，一般根据测量范围在其内均分取4～10个点，优选为取6～7个点即可。

进一步地，步骤4中，角度拟合算法模块采用VB编写专用计算软件实现，由于VB实现数据拟合比较复杂，这里调用MATLAB中POLYFIT函数来实现数据拟合功能，整个软件具有操作简单、人机界面友好等优点，输入偏移角度-像素灰度值对应表及拟合阶数即可快速得到角度计算拟合公式。角度计算拟合软件其封装界面如图2所示，其代码可示意表示为：

POLYFIT是MATLAB进行曲线拟合的一个函数，其数学基础是最小二乘原理，拟合精度高，但是每次需在人工去一一导入数据到相应位置再编辑计算，最后再人工导出拟合结果，操作繁琐。这里以VB调用POLYFIT函数，既保证了拟合精度，又使操作简单快捷，只需将得到的偏移角度-光斑中心像素值Excel表导入软件中，输入拟合阶数，点击确定则可输出拟合公式。

将拟合公式写入待标定设备10中计算机可读存储介质，其上存储有计算机主程序，将拟合公式写入至主程序，则该角度测量设备标校完成，主程序被执行时可输出测量角度信息。

在该标校后设备10上对标校精度进行验证，转动细分多齿分度台，使此时角度测量设备输出角度为零，记为零点，转动细分多齿分度台5细分鼓轮9，比较细分多齿分度台5的偏移角度变化值和测量角度值，即可得出角度测量精度。该角度测量标校装置可达到的技术指标：(1)测量范围-1°～+1°；(2)测量精度±0.5″。

在本发明中，在专用标校支架上可以很快搭建好标校装置，只需要选择几个点对应角度进行标校，并且有自准直经纬仪保证读数正确性，采用专用拟合软件进行拟合计算，具有标校成本低、标校操作简单，标校速度快，标校精度高等优点。

应当理解，本发明的角度计算拟合软件和待标定设备10中计算机可读存储介质包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的角度计算拟合软件和待标定设备10中计算机可读存储介质可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述标校装置包括细分多齿分度台(5)，所述细分多齿分度台(5)上固定有第一准直镜(8)和第二准直镜(7)；

所述细分多齿分度台(5)设置于待标校设备(10)的一端，用于通过第一准直镜(8)对所述待标校设备(10)进行测量；其中，所述第一准直镜(8)反射光路在所述待标校设备(10)上聚焦形成标校光斑，调节所述细分多齿分度台(5)的偏移角度，从而改变所述反射光路以使所述标校光斑中心位置发生偏移；所述标校装置还包括自准直装置(1)，其设置于所述细分多齿分度台(5)的另一端且靠近所述第二准直镜(7)，用于通过所述第二准直镜(7)对所述细分多齿分度台(5)的偏移角度进行验证；其中，所述第二准直镜(7)反射光路与所述第一准直镜(8)反射光路平行；

使用所述标校装置进行角度测量设备的标校方法包括：

通过调节所述细分多齿分度台(5)获得多个偏移角度，记录所述待标校设备(10)对应输出的光斑中心像素值；

通过所述自准直装置(1)对所述细分多齿分度台(5)的多个偏移角度进行验证；

验证准确后，再通过polyfit函数计算所述多个偏移角度和对应光斑中心像素值的角度拟合关系，通过所述角度拟合关系完成对所述待标校设备(10)的标校。

2.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述第一准直镜(8)与所述第二准直镜(7)平行固定于细分多齿分度台(5)上；其中，改变所述细分多齿分度台(5)偏移角度，所述第一准直镜(8)与所述第二准直镜(7)随之产生相同的偏移。

3.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述第一准直镜(8)和第二准直镜(7)准直镜为直角棱镜。

4.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述自准直装置(1)为自准直经纬仪。

5.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述标校方法还包括第一步调零，所述第一步调零包括：

将五角棱锥置于所述待标校设备(10)的测量窗口，标定当前所述待标校设备(10)的光斑中心像素值为零位；

移走所述五角棱锥，调节所述细分多齿分度台(5)的角度以使所述待标校设备(10)光斑中心像素值为零位，设定当前所述细分多齿分度台(5)的角度为零位。

6.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述标校方法还包括第二步调零，所述第二步调零包括：

通过所述自准直装置(1)对所述第一准直镜(8)进行瞄准，设定当前所述自准直装置(1)角度读数为零位。

7.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述偏移角度的个数≥4。

8.如权利要求1所述的角度测量设备的标校装置，其特征在于，所述多个偏移角度之间的间隔范围为5′～20′。

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