光學角度測量技術

光學角度測量是高精度動態(tài)角度測量的一種有效的解決途徑。對目前發(fā)展較快的幾種角度測量的光學方法----圓光柵測角法、光學內反射小角度測量法、激光干涉測角法和環(huán)形激光測角法進行了詳細的介紹，并且分別給出了每種方法的測量原理和發(fā)展現狀，比較了各種方法的優(yōu)缺點，給出了每種方法的應用場合和發(fā)展前景。

光學角度測量技術引言

角度測量是幾何量計量技術的重要組成部分，發(fā)展較為完備，各種測量手段的綜合運用使測量準確度達到了很高的水平。角度測量技術可以分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量兩種。對于靜態(tài)測量技術來說，目前的主要任務集中在如何提高測量精度和測量分辨力上。隨著工業(yè)的發(fā)展，對回轉量的測量要求也越來越多，因此人們在靜態(tài)測角的基礎上，對旋轉物體的轉角測量問題進行了大量的研究，產生了許多新的測角方法。

光學角度測量技術圓光柵測角法

圓光柵是角度測量中常用的器件之一。作為角度測量基準的光柵可以用平均讀數原理來減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數誤差，因此其準確度高、穩(wěn)定可靠。但在動態(tài)測量時，在10r/s 的轉速下，要想達到1'的分辨率都非常困難。目前我國的國家線角度基準采用64800線/周的圓光柵系統(tǒng)，分辨率為0.001''，總的測量不確定度為0.05''。該測量方法主要是在靜態(tài)下的相對角度測量。英國國家物理實驗室（NPL）的E W Palmer 介紹了一臺作為角度基準的徑向光柵測角儀，如圖1所示，既可用于測角，又可用于標定。其原理是利用兩塊32400線的徑向光柵安裝在0.5r/s 的同一個軸套上，兩個讀數頭一個固定，一個裝在轉臺上連續(xù)旋轉，信號間的相位差變化與轉角成正比。儀器中用一個自準直儀作為基準指示器，可以測得JUEDUI角度，利用光柵細分原理可測360度范圍內的任意角度，附加零伺服機構可以對轉臺進行實時調整，限制零漂。用干涉儀作為讀數頭，可進行高精度測量。按95%置信度水平確定其系統(tǒng)誤差的不確定度為0.05''.

光學內反射小角度測量法

光從光密介質傳到光疏介質時，當入射角大于臨界角時發(fā)生全反射現象。內反射法小角度測量就是利用在全反射條件下入射角變化時反射光強的變化關系，通過反射光強的變化來測量入射角的變化的。由于入射角在臨界角附近線性較好，隨著入射角的微小變化，反射光的強度發(fā)生急劇變化，因此測量時通常定義一個臨界角附近的初始角θ ，被測角為相對于該初始角的角位移Δθ，這樣就可以充分利用臨界角附近靈敏度較高的特點，進行小角度的高精度測量。該測量方法存在的一個問題是入射角和反射光強之間的關系是非線形的，靈敏度因此受到限制。為了減小函數非線性對測量結果的影響，采用差分式測量，其原理如圖3所示，首先分別測出θ0+Δθ和θ0 -Δθ的反射光強的變化，然后用線性化公式進行處理，以得到相應的角度值。內反射法是由P S Huang等人提出來的，用該方法制成的測角儀體積可以做得很小，因此特別適用于尺寸受限制的空間小角度的在線測量，而且結構簡單，成本低。測量的靈敏度取決于初始入射角和全反射的反射次數，增加反射次數可以提高靈敏度，提高分辨力，但測量范圍就相應變小。因此P S Huang等人又在此基礎上制成了多次反射型臨界角角度傳感器，用加長的臨界角棱鏡代替圖3的直角棱鏡以增加反射次數，如圖4所示。該儀器可用于表面形貌、直線度、振動等方面的測量。在測量角度方面，以3弧分范圍內的分辨力為0.02弧秒。在接下來的工作中，P S Huang 等人又將其測角范圍擴大到30弧分，輸出信號峰－峰值的漂移小于0.04弧秒。該儀器的缺點是成本高,加長的臨界角棱鏡加工困難。TAIWAN的National Chiao Tung University的Ming-Hong chin等人在此原理基礎上，提出了全內反射外差干涉測角方法。用外差干涉測角方法。用外差干涉儀測量S偏振光和P偏振光之間的相位差，將傳感器的測角范圍擴大到10。，分辨力隨入射角的大小變化，高分辨力可達8×1 0－5度。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dong Zhou等人采用差動共光路結構，大大提高了系統(tǒng)的線性，并獲得了0.3角秒的佳分辨力。天津大學和日本東北大學在這方面也進行了一些研究。