角度测量技术的发展
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提要：角度测量是几何量计量技术的重要组成部分。本文对近年来常用的几种角度测量方法及其发展进｛ｊＩ’介绍，主要介绍了其中最具有发展前途的光学测角技术。对圆光栅测角弦、激光ｆ涉测角法和环形激光铡角法分别避行了详细的介绍．给出丁每种方法的测量原珲和麻用场台，并指出ｒ各种方｛击的优蛱点。
关键词：角度测量，光学力法，激光干涉，环形激光
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器测角两种。圆磁栅测角法是将圆磁栅和被测件一起旋转，利用放磁头将磁栅上的记录信号拾取出米进行
角度测最是计量科学中发展较为完备的一个分支，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。据不完全统计，角度测量方法大致可以按测量原理分为１６大类【１Ｊ。在过去的２０年中，角度测量的准确度也达到了这之前的１０倍以上”Ｊ。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种，由于某些静态测量技术仍然是动态测量的基础，且大多数动态测角技术都能实现静态测量，因此有必要对几种主要的测量方法做一全面阐述。
处理。按信号拾取方式不同，放磁头可分为静态磁头和动态磁头两种。静态时准确度往往难以提高。动态时降低了对录磁准确度的要求，可以获得较高的分度准确度。日本电子通讯大学研制的多面棱体自动榆定系统，在９５％的置信区问内，系统检定误差＜０．０７”，
感应同步器工作原理是根据正弦、余弦两绕组的电压和相位进行比较测量，耦合度主要决定于磁通的变化率，基本上不受电源波动的影响．抗干扰能力强，对使用环境的要求低；工作时许多节距同时起作用，有平均效应，可以获得较高的分度准确度，在转速＜６０’／Ｓ时，测量准确度达到ｒ的数量级。
机械式和电磁式测角法的主要缺点是大多为手工
测角技术中研究晟早的是机械式和电磁分度式测角技术。机械式测角技术主要以多尺分度盘为代表。多齿分度盘的雏形出现在本世纪３０年代，作为一个完整的圆分度器件，是由美国Ｇａｇｅ公司研制并于１９６０年获得专利，当时其分度达±０．２５”。由于多齿分度盘的齿数不能无限增加，因此细分受到限制。解决办法是采用两组或多组多齿分度盘叠放在一起，利用差动法进行细分。从朦珲上讲，完全有可能设计四层或更多层的多齿分度台，ｆＨ由千各层之问的同轴度难以保证．齿盘起落结构复杂等啄因而难以实现。，为进一步扩大应用范围和减小定位不确定性，可以采用细分结构前苏联考纳斯机床厂的ｖ叩一０５型角度测量仪最
小廿壁间隔ｌ５．测量准确度为０．１”。…．
２机械武和电磁武测角技术
测量，不容易实现自动化，测量精度受到限制．．
３光学测角技术
光学测角方法历来以其极高的测量准确度受到人们的重视，光学测角法的应用也越来越广泛。日前，光学测角方法踪众所周知的光学分度头法和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法ｕ及环形激光法等，这屿方法大多都已成功应用于小角度的精密测量中，并达到ｒ很高的洲量精度．用十３６０。整周角度测量还需作适当的改进．下面分别介绍其
中常用的ＪＬ种
电磁分度测角技术主要有圆磁栅测角和感应同步
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３．１圆光栅测角
圆光栅是角度测量中最常用的器件之一，其测量原理是将圆光栅与转台同轴安装，二者同时转动，测得光栅转过的栅距数就可测得转角。目前我国的圆光栅国家线角度基准采用６４８００对线的圆光栅。分辨力为０．００１。．总的测量不确定度为００５１引。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量，两个读数头之间的角度是固定的，而且必须对圆光播进行相应的标定。圆光栅测角法的优点是静态测量准确度高、稳定可靠．缺点是对光栅与转台的对心准确度要求较高，高准确度光栅的制作加工困难，动态测量时分辨力很难保证。３．２激光测角技术
根据所测角度的太小，激光测角技术叉可以分为小角度测量和任意角度测量。
３
速测量相对准确度可达１０～。目前还只是少数国家掌握这种技术，研究最多的国家是德国和前苏联．我国目前正致力于这项技术的研究【９Ｊ。该技术测角的摄太优点是容易实现自校．缺点是只能实现动态测量，加工工艺难以保证．成本高，这是环形激光器没有得到大量应用的最主要的原因。
环形激光测角的基本原理如图６所示，当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时．在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间，被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔．接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数。圣彼德堡电子大学和ＰＴＢ合作研制的精密环形激光测角计，可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角计本身的内部旋转角测量。该装置在１转／秒的转速范围内，测量准确度达到了０１”Ｌ…。
３．２．２．２双定值角干涉仪测量任意角度
用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量反射镜就构成定值角干涉仪。天津大学根据该原理设计的一个双定值角型任意角度测量系统，光路如图４所示。左边的一路光称为多面棱体检定光路．与其对称的右半部分称为双定值角测量一跟踪干涉仪。该系统能在０—３６０’范围内实现任意角度的高准确度测量，测量不确定度优于０．３１１ｉ）ｏ该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证，而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统，结构比较复杂。
３．２．２，３双频激光楔形平板干涉法任意角测量技术
哈尔滨工业大学利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系设计了～套双频激光楔形平板干涉任意转角铡量系统．其基本原理如图５所示，由双频激光器发出的激光束经分光镜分成两束，反射光经检偏器１后由光电接收器ｌ接收，形成参考信号。透射的一柬光是测量光路，经过偏振分光镜后变成偏振方向相互垂直的两路不同频率的光，频率分别为ｆ１和丘，两路光分别经过ｘ／４波片和楔形平板后，由角锥棱镜反射回到偏振分光镜产生干涉信号．经检偏器后由光电接受器２接收．将光电接收器１和２的信号送入信号处理电路，可得到多瞢勒频差．该频差值随光程整而变．郎随平板转动而变化，因此可以得到楔形平板转角的信息。该系统可以自动判别转台的转动方向，可测量３６０。范围内的转角，动态响应范围为４转／秒‘１２］。但是，系统体积非常庞大，结构复杂。另外．由于使用了多个角锥反射镜，使光路装调比较困难，很难在实际中应用，本文作者在国家自然科学基金的资助下．针对这些问题提出ｒ改进方法…Ｊ．目前这一工作仍在进行中
２．１激光小角度测量技术
１利用光学内反射原理进行小角度测量
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内反射法小寅度测量技术就是利用全反射条件下人射光变化时反射率的变化关系，通过反射率的变化来测量入射角的变化的。内反射法是由Ｐ．Ｓ．Ｈｕａｎｇ等人提出来的”】，原理如图１所示。用该方法制成的测角仪体积可以做得很小，因此特别适用于较小空间中小角度的在线测量，可以做成抽珍虱测角仪，而且结构简单．成本低。但其测量范围也很小，因此只能用于小角度测量，３弧分范围内分辨力为０．０２弧秒。Ｃｈｉｕ等在此原理的基础上，提出一种全内反射外差干涉测角法，将传感器的测角范围扩大到１０’，最佳分辨力可达８
×１０
５度ｒ６】。
３．２．１．２激光干涉法小角度测量技术
激光干涉测角大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理．将角度的变化转换为长度变化来进行测量，如图２所示。经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化．因此干涉条纹也发生相应的移动．测得条纹的移动量，就可测得转台的转角订】。这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如图３所示的测量光路，用两个角惟棱镜形成差动测量．大大提高了系统的线性和灵敏度，在一５‘一＋５。的线性区间内，分辨力达到了１０－４度。为了增强干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角，灵敏度可达０．００２”１８Ｊ，
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２．２激光任意角度测量技术
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Ｉ环形激光任意角度测量
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图１内反射型角度传基器原理图
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图３兰动式激光干涉测角装置
图４双定值角型任
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图５双顿激光楔形平板干涉转角铡量原理图
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４结论
通过对近年来常用的测角方法的介绍可以看出．机械式和电磁式测角技术由于研究较早，技术已经非常成熟。而光学测角法由于具有测量准确度高和非接触测量的特点，在角度测量中得到了越来越广泛的应用，而且在某些场合下正在逐渐取代机械式和电磁式测量方法。光学测角法中尤其以激光干涉铡角技术为主．该方法的最大优点是测量精度高，小角度测量已经达到了极高的准确度，作适当的改进还可进行整周角度测量，但目前的测量精度不是很高，而且体积庞大，因此还需要作进一步研究。在整周角度测量中，环形激光器被认为是目前的最佳选择，是动态整周角度测量的一个非常有前途的发展方向。
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医科大学附属第九人民医院口腔颔面外科：交流形势．对血管瘤和血管畸形的基础研究与临睐诊治的吲同瑜博１。Ｅ
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角度测量技术的发展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陶卫， 浦昭邦， 孙运斌
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