基于象限探测器大范围空间角度测试系统的设计.docx

1引言1.1测角技术国内外发展概况角度测量是计量科学的重要组成部分随着生产和科学的不断发展，角度测量越来 越广泛的应用于机械、光学、航空、航天、航海和军事等领域，技术水平和测量精度也 不断提高国内外许多部门和研究机构相继研制出许多测角仪器，以满足经济，国防和 科研的需要由于采用先进的科学技术和现代化设备，使测量范围和精度不断提高近 年来，特别是计算机技术的蓬勃发展，使得角度测量得以实现自动化巴各种测角技术和测角装置根据不同的技术要求和应用环境，有着各自不同的特 点1.1.1机械式测角技术以多齿分度盘为代表的机械式圆分度器件，具有工艺好，工作可靠，结构简单，寿 命长，对环境要求底等优点，是一种基于机械分度定位原理的技术当两个齿数相同， 模数相同的齿盘啮合后，由于平均效应，使准确度大大提高我国在弹性多齿分度台的 研制方面达到很高的水平，不确定度达到0.1〃到0.5〃，重复性达到0.02〃多齿分度 盘测量角度，虽然准确度高，但由于多齿盘和齿数不能无限的增加，因此细分受到限制, 为解决这一孑盾，可用两组或多组叠放在一•起，利用差动法实现细分由于差动多齿分 度台操作复杂，所以从原理上讲，完全可以设计四层或更多层，但往往很难实现，原因 就在这里⑵。

1.1.2光学式测角技术用光学方法测量角度，比一般的机械方法有更高的准确度，血且易于细分，H前， 国内外用于测角的光学式测角技术主要有光学分度头测角、圆光栅测角、环行激光器测 角、激光干涉测角等⑶1 •光学分度头测量光学分度头的规格型号较多，用光学分度头测量试件，常采用多次测量，用算术平 均值作为测量结果，以提高测量结果为了消除分度头度盘偏心引起的误差，以进一步 提高测量准确度，还可以将被测试件相对于分度头度盘依次按放在三个等分位置上进行 测量，取其平均值作为测量结果由于分度盘上周围封闭的特点，可以将大部分分度盘 偏心的影响消除2. 圆光栅测角圆光栅是H前角度测量的主要器件之一，对于高准确度、高分辨力的角度测量来说, 产生能够细分的原始信号是十分重要的利用圆光栅摩尔条纹现象产生的信号很大程度 上能满足这些要求圆光栅测角技术已有广泛应用，如光栅刻度机、光栅编码器、光栅 分度头等我国研制的光栅式度盘检查仪，利用两切向圆光栅形成的摩尔条纹进行分度，由于 环行摩尔条纹本身有很好的平均效应，在圆光栅上采用多块光电池组成整周封闭的光电 接受系统，使圆光栅形成准确度较高的角度定位标准，以比较法检验被检度盘，就可以 用于检定50 mm—160 mm的盘度。

航空航天部第一测量测试研究所的精密数显转台，是具 有高准确度，高分辨率、多功能的测角仪器，静态分辨率为0. 0017英国的NPL最近研制了一台有径向光栅的测角仪作为角度基准，该仪器利用两个 32400条径向光栅和两个读数头，其中一个固定，一个随工作台转动，采用两个相同的 干涉光路作为光栅的读数该测角仪稳定性好、噪音小、可靠性高法国研制的高分辨 率光栅数字测角装置，采用光测角原理，其分辨率为0.31〃，测量装置的总误差不超过 0.5" [4 o3. 光电角编码器测角将转角大小转换成相应数字代码的装置叫角编码器角编码器有许多类型，其小最 常用的是光屯角编码器，光电角编码器的输出信号根据取信号的方法分为两种：一是绝 对测量法，另一种是增量测量法由于绝对编码器结构复杂，价格高，需要运算，应而 不太普及在增量式测角装置上附加了绝对零为信号后，便具备了绝对编码器的部分优 点H前，口本生产的高准确角度传感器几乎都是增量式的其分辨率与角度积累误差 都是几秒级，可用于实现角度基准4 •环行激光器测角两传播方向相反的光束在闭合环路中行进时，若闭合环路以一•定的角速度旋转，则 此反向的光束将产生误差，且光程差的大小与环路旋转的角速度成正比。

这就是赛纳克 效应这一现象为测量角度提供了理论依据，而高稳频激光的出现又使这一精确的测角 方法能应用于实际工作利用这一现象来测量角度的装置叫环形激光器以环形激光器组成的测角仪容易实现自校，可以在测量进程中确定环形激光器的比 例因子，从而大大减少测量误差，使用方便可靠360°范围内，测量角度不必 再划分子范围，其输出信号是调频信号，容易转换成数字形式，并可以用计算机作进一 步处理为了进行统计处理，可以在短吋间内较容易地累积大量数据而且，由于环形 激光器实际上没有惯性，这就可能用真实的吋间刻度来进行测量在一个具有60血的 等边三角形共振腔环形激光器中，不用任何细分就可达到2. 65个数/s的分辨率由5.光波干涉测角自从上世纪60年代激光出现以来，其技术水平和应用都得到了迅速发展由于它 的亮度高，单色性好，方向性好和相干性好四大优点，使它在计量科学领域的应用愈來 愈广泛由于角度可以表示成长度之比，而长度的变化又可以激光干涉条纹数的变化来 表示，因而，在长度测量中准确度最高的激光干涉法在角度测量中的应用日益广泛，技 术水平也H益成熟，尤其在小角度测量方而战角度干涉仪的优点是准确度高，缺点是装置复杂，较难使用。

这一点随着激光干涉 测量仪器的研制而有所改进H前，干涉测角仪采用的干涉光路大多为迈克尔逊干涉光 路，将光程差变换成角度实现测量它们普遍存在的缺点是必须经过检定，而且测量范 囤在90°以内因为光程差与角度不成线形关系，而且计数得到的干涉条纹只有与该装 置有关的一个辅助配合使用时，才能测出角度半干涉仪貝用于测量小角度，将非线形 保持得很小，而且不需要准确知道辅助时，才能避免上诉缺点除了上述介绍的几种光学方法外，利用偏振光、光纤、双频激光测角也有所应用 随着计算机、电子技术和激光技术的发展和应用，为进一步研制高准确度的光学测角装 置创造了条件，今后会有更先进的测角技术出现1.1.3电磁分度测角技术电磁分度技术是新的测角技术，主要利用各种参数进行分度测角，大量应用于进一 步细分，使分度和测量范围扩大，仪器的分辨能力高使用范围广泛工1. 圆磁测角在一个圆盘基体的表而镀上一层磁膜，半圆盘均匀旋转时，把由一标准频率发生器 发出的频率极为准确、稳定的正弦波电床信号记录在磁膜上，磁膜经交流反复磁化，就 形成与磁极对应的磁格，被记录磁盘就是以磁波为分度标准的圆磁栅利用圆磁栅测角吋，磁栅和被测试件同轴旋转，再利用放磁头将磁栅上的标准录磁 信号释放岀来进行处理。

按拾起信号方式的不同，放磁头分为静态磁头和动态磁头两种 利用静态放磁头在理论上可以获得秒级的分度准确度，但由于磁栅强度分度、主轴回转 跳动和电路系统的不稳定等因素的影响，往往影响准确度的提高；而利用动态放磁头可 以提高分度准确度由于旋转栅盘在使用中不停的旋转，因此动态放磁头降低了对磁栅 盘录磁的准确度要求，可获得较高的分度准确度磁栅的分度测量准确度略低于光栅、 同步感应器但由于录制方便、吋间短、价格低廉、可方便地录制任意节距的磁栅、避 免安装误差等独特优点而倍受青睐2. 感应同步器测角感应同步器是利用电磁感应原理将位移量转换为电信号，并以数字脉冲形式输出的 基准量，它日益广泛的用于角度测量领域感应同步器的一个节距为一个对极，根据使用要求的不同，感应同步器的对极有很 多种,如180对极、360对极、540对极和720对极等,其相应的切距分别为2 1° , 407和30’ o工作吋许多节距同时起作用，故和多齿盘相似，有平均作用，也可获得较 高的分度准确度⑻总之，随着各种新技术的不断涌现，角度测量的方法和准确度也不断完善和提高, 国民经济发展的各个部门需要各种测角仪器，而各种测角仪器又都需要更高级的角度基 准或检定方法来检定。

为此，就需要建立高准确度的角度基准和测角方法，角度测量也 正是在不断满足这种需要的过程中不断完善和发展的而口随着技术的发展，科学的进 步，角度测量也将向着更高准确度、更高分辨率、更高测量速度的方向发展，测角仪器 将趋向于小型化、智能化1. 2本设计要研究的内容和意义以基本光电原理为依据的测试技术，早已证明是行Z有效的，特别是在非接触测量 和测试精度两方面的优越性更是其它方法所不及随着半导体激光器和各种新型光电探 测器的发展，光电检测法的优越性更加明显光电测角就是以激光为光源，以光电转换 原理为基础的测角系统本课题是要测量空间大型构件的旋转角度问题，根据当前的传感器技术，自动控制 技术和计算机技术的发展，选择光电测角法因为光电测量的响应速度快，利用光电信 号作为步进电机转动的起止控制信号，而电机的转角可以从控制面板上直接读出对于 这样一个系统，需要研究的内容有以下几个部分：1. 探测器：在此设计中选择的是四象限光电探测器，它具有较高的准确度和测量分 辨率所以首先要对四象限探测器的原理和功能有很好的理解由于探测器的信号还要 作为步进屯机的起停信号，因此还要对探测器输出的信号要进行屯流屯压转换和放大。

2. 精密转台：此设计是采用旋转测量，因此要把激光器和精密转台连接，可以把 二维精密位移台和步进电机组合在一起共同调节激光束的方向3. 数据采集：数据采集是数字信号处理的系统的前端部分，最基本的功能就是将 模拟信号转换成数字信号，即通常所说的A/D转换功能可以把探测器的输出通过数据 采集卡和计算机连接而显示岀来上述这些内容就是木设计所要研究的方向，详细的讨论将在后面的具体方案设计中 展开说明和阐述其实现的功能做本设计的意义在于：通过完成毕业设计，设计一个完整的测试系统的思路和设计 过程，本设计通过光电探测原理，选用高灵敏四彖限探测器作为光接受器件，精确实现 角度的测量通过这段吋间，温习并巩固了理论知识以及把理论与实践相结合，熟练掌 握一些测试器件的使用方法，并且通过查资料来拓宽自己的知识面，锻炼动手能力，提 高分析问题和解决问题的能力2总体方案论证2.1总体方案描述本课题要解决空间大型构件的角度测量问题，选择光电测角法总体方法是以半导 体激光器作为光源，以高灵敏度的四象限硅光电探测器作为检测元件，组成激光准直装 置再利用步进电机控制器控制精密转台的旋转，得到测量结果本课题以大型回转构件为实际研究对象，大型回转构件的两点在理论上的空间角度 是85° ,但由于制造工艺和装配精度的原因，使得实际与理论值有一定的偏差，要对整 个回转体构件空间角度进行检测。

但由于回转体构件各段的轴线不一定重合，不能直 接旋转测量可以先对检测架上的两个传感器的空间角度进行测量，再以检测架上传感器的位置 来检测回转体构件JL两点的空间角度把理想回转体构件放在检测架上，使它的轴线和 精密转台的中心线重合，此轴线也就是检测架的上两个探测器空间角度测量的基准轴 线此时就可以旋转精密转台对两探测器的空间角度进行测量了在这主要解决两个问题：1•回转构件轴线与转台中心合解决办法：精密转台旋转时，在转台中心放置一激光器，激光器发出垂直与转台的 激光束精密转台上的激光器可以通过调节X、Y方向和与转台轴线的偏角a ,半激光 束的光斑不是进行圆周扫描而是汇聚于一点旋转时，激光束就垂直于转台此时的激光发射方向与转台垂直把激光器与转台固定在一起，使激光束通过理想回转体构件两端安装的两个十字分划镜的中心把回转体构件加工成如图2. 2所示的形 状，把他加工成空心是为了调节回转体构件轴线和转台的中心线重合激光束发出的激 光束和回转体构件的中心三点共线，从而保证回转体构件轴线与精密转台垂直2. 射到四象限探测器的激光束要与回转体构件轴线平行解决办法：在实际实验中，我们把理想回转体构件加工成如图2. 2所示：反射镜在安装吋精度要求和冋转体构件轴线垂直，H使反射镜和四象限探测器在同 一个半径上。

反射镜轴线与回转体构件轴线平行，此吋从激光器发射的激光束射到反射 镜。