專利名稱：基于光杠桿的測(cè)角器件檢定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于角度誤差測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)角器件的檢定裝置。
背景技術(shù)：
角度測(cè)量的方法多種多樣，大致可以分為機(jī)械法(如多齒分度盤、杠桿法)、電磁法(如圓磁柵、圓感應(yīng)同步器)和光電法(如光學(xué)分度頭、度盤、正多面棱體測(cè)角、碼盤測(cè)角、光柵測(cè)角、環(huán)形激光測(cè)角、激光干涉測(cè)角)等。機(jī)械法以多齒分度盤為代表，采用高精度齒輪作為分度依據(jù)，而且可以通過(guò)差動(dòng)的方式提高分辨率和精度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是精度較穩(wěn)定，整周測(cè)量精度較高；其缺點(diǎn)是精度達(dá)到0.1角秒后很難再繼續(xù)提高，這主要是由于多層差動(dòng)累加時(shí)各層同心誤差要求極高難以達(dá)到。此外儀器設(shè)備笨重，操作要求極高。電磁法以圓感應(yīng)同步器為代表，采用電磁感應(yīng)將角位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的方式進(jìn)行角度測(cè)量，精度可以達(dá)到0.5角秒。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求較低，可用于機(jī)床等惡劣條件；缺點(diǎn)是存在漂移，抗干擾較差以及壽命較短。光電法中類型較多，精度相對(duì)較高。圓光柵利用在玻璃圓盤的圓平面上刻制的徑向光柵或切向光柵與指示光柵產(chǎn)生的莫爾條紋進(jìn)行角度測(cè)量。該方法一般可達(dá)到約0.2角秒的整周精度，最高可達(dá)0.05角秒，但高精度的圓光柵極難制得，價(jià)格昂貴。環(huán)光柵是在一個(gè)鋼環(huán)的圓柱面上刻制柵線，以之與指示光柵產(chǎn)生的莫爾條紋進(jìn)行角度測(cè)量。屬于光柵式精密測(cè)角器件，具有非接觸式測(cè)量、安裝方便、數(shù)字化讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。該器件的精度與圓光柵相近。環(huán)形激光測(cè)角采用激光陀螺原理測(cè)出角速度，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)動(dòng)角度。該方法可達(dá)到0.1角秒的測(cè)量精度，但該方法技術(shù)難度很大，只有少數(shù)國(guó)家掌握，而且技術(shù)尚未成熟。激光干涉測(cè)角是利用干涉的辦法，將小角度轉(zhuǎn)化為干涉條紋的移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)測(cè)角。這一方法的精度目前最高，國(guó)外有研究報(bào)道可達(dá)到0.002角秒的靈敏度，但這僅限于小角度的測(cè)量，其整周測(cè)量的精度一般約為0.1角秒，最高可達(dá)0.04角秒，但儀器相當(dāng)復(fù)雜昂貴，僅一臺(tái)商品化的激光干涉儀就需要上百萬(wàn)元，更遑論高精密測(cè)量以及所需的相關(guān)設(shè)施了。就目前常用的角度編碼器如度盤、碼盤、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、環(huán)光柵等而言，生產(chǎn)的產(chǎn)品由于工藝的原因都存在刻劃誤差，比如英國(guó)雷尼紹公司生產(chǎn)的350mm環(huán)光柵具有約0.8角秒的刻劃誤差，該公司所提供的最好的環(huán)光柵產(chǎn)品存在約0.5角秒的刻劃誤差。對(duì)于高精度測(cè)量而言這是難以忍受的，因此必須對(duì)測(cè)角器件的刻劃誤差進(jìn)行改正。現(xiàn)有技術(shù)中還采用光杠桿原理來(lái)測(cè)量微小線位移和微小角位移的測(cè)量。光杠桿原理基于如下事實(shí):1，根據(jù)反射定律，若入射線的方向不變，當(dāng)反射面旋轉(zhuǎn)某一角度Θ時(shí)，反射光線的方向?qū)⑿D(zhuǎn)2 Θ角度；2，反射光的角度改變量、光臂長(zhǎng)(即入射點(diǎn)到光斑的距離)以及光斑移動(dòng)距離三者之間存在準(zhǔn)確的換算關(guān)系。[0013]光杠桿的原理說(shuō)明見

圖1，一光束經(jīng)平面鏡反射后光斑落在接收屏上，當(dāng)有微小位移δ L導(dǎo)致平面鏡有微小旋轉(zhuǎn)，出射光即以兩倍的角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)由于平面鏡與標(biāo)尺的距離D較長(zhǎng)，使得出射光光斑移動(dòng)比SL大得多的距離δη。由公式δ L= δ n/ (2D/b)即可求出微小位移SL。2D/b是系統(tǒng)的放大率。以上是利用光杠桿原理求微位移，事實(shí)上，利用該原理還可以求微小角位移，當(dāng)反射面旋轉(zhuǎn)一角度α，則反射光線旋轉(zhuǎn)2α，α可由下式求出:α = δ L/b= δ n/2D由于D的值很大，所以δη也大，就變得容易測(cè)量了。光杠桿原理的顯著特點(diǎn)是:隨著光臂的加長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率和精度幾乎呈線性增長(zhǎng)，反應(yīng)靈敏，精度高。大多數(shù)時(shí)候，光杠桿原理是作為微小線位移測(cè)量方法來(lái)使用的，比如測(cè)量材料的彈性模量、蠕變量等。由于角度與線位移的轉(zhuǎn)化關(guān)系，該原理除了用于微小線位移的測(cè)量外，也可以用于微小角位移的測(cè)量，目前尚沒有使用光杠桿原理作為測(cè)角器件測(cè)量標(biāo)定的記載。

實(shí)用新型內(nèi)容任何測(cè)角器件產(chǎn)品都存在不同程度的刻劃誤差。而由于使用要求、成本、采購(gòu)限制等原因，往往難以買到適合精度的測(cè)角器件。比如對(duì)于天體測(cè)量等高精度測(cè)量應(yīng)用來(lái)說(shuō)，測(cè)角精度需要達(dá)到0.01角秒或者更高，這對(duì)于測(cè)角器件本身的誤差提出了非常高的要求，即便是當(dāng)前最高精度的測(cè)角產(chǎn)品也難以滿足其要求。因此，對(duì)測(cè)角誤差的檢定及改正是十分必要的。另一方面，目前已有的檢定裝置存在器件昂貴的缺點(diǎn)，比如用高精度光柵編碼器進(jìn)行比較檢定，該光柵就十分昂貴且很難以獲得；再如干涉法檢定，干涉儀等設(shè)備的價(jià)格也十分昂貴。本實(shí)用新型的目的是提供一種檢定精度較高、價(jià)格相對(duì)低廉、檢定設(shè)備易于獲取的測(cè)角器件檢定裝置。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下:基于光杠桿的測(cè)角器件檢定裝置:包括檢定臺(tái)，檢定臺(tái)上安裝有下轉(zhuǎn)臺(tái)，下轉(zhuǎn)臺(tái)由底座和下轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，下轉(zhuǎn)盤上的轉(zhuǎn)軸套裝在底座上的滾動(dòng)軸承上；下轉(zhuǎn)盤上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有底部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)，底部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有待檢定測(cè)角器件的安裝座；安裝座的頂部中央通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有中部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)；中部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有上轉(zhuǎn)臺(tái)；下轉(zhuǎn)臺(tái)、待檢定測(cè)角器件和上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心位于同一條豎直線上；上轉(zhuǎn)臺(tái)由底座和上轉(zhuǎn)盤構(gòu)成,上轉(zhuǎn)盤上的轉(zhuǎn)軸套裝底座上的滾動(dòng)軸承上；上轉(zhuǎn)臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有一維手動(dòng)平移臺(tái)；一維手動(dòng)平移臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有鏡架，鏡架上沿豎直方向設(shè)置有平面鏡，平面鏡的反射面與上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心位于同一平面內(nèi)；檢定臺(tái)上安裝有激光器和光電探測(cè)器，激光器和光電探測(cè)器與平面鏡位于同一水平面，光電探測(cè)器的靶面平行于上轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)中心；所述平面鏡、激光器和光電探測(cè)器構(gòu)成光杠桿；檢定臺(tái)上安裝有用于讀取待檢定測(cè)角器件的轉(zhuǎn)角數(shù)值的讀數(shù)頭；讀數(shù)頭和光電探測(cè)器均通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理器連接；上轉(zhuǎn)臺(tái)和下轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)均與數(shù)據(jù)處理器連接。作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案:所述待檢定測(cè)角器件為角度編碼器、感應(yīng)同步器、度盤、圓光柵或環(huán)光柵；所述用于讀取待檢定測(cè)角器件的轉(zhuǎn)角數(shù)值的讀數(shù)頭有兩個(gè)以上，讀數(shù)頭在檢定臺(tái)上沿待檢定測(cè)角器件外周呈對(duì)徑分布設(shè)置；所述數(shù)據(jù)處理器為單片機(jī)或計(jì)算機(jī)；所述光電探測(cè)器為可編程控制的CXD相機(jī)。使用時(shí)，將待檢定測(cè)角器件呈水平放置安裝在安裝座上；通過(guò)調(diào)節(jié)底部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)、中部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)，使下轉(zhuǎn)臺(tái)、待檢定測(cè)角器件、上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心位于同一條豎直線上；通過(guò)調(diào)節(jié)一維手動(dòng)平移臺(tái)，使平面鏡的反射面與上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心位于同一平面內(nèi)；控制激光器發(fā)出激光，使入射光線入射到平面鏡的反射面上，與上轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)中心正交，使激光的反射光線垂直入射到光電探測(cè)器的靶面上。使用上述檢定裝置來(lái)對(duì)待檢定測(cè)角器件進(jìn)行檢定的方法包括以下順序步驟:步驟1:控制下轉(zhuǎn)臺(tái)按相等的轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)Θ旋轉(zhuǎn)，對(duì)待檢定測(cè)角器件進(jìn)行多步采樣測(cè)量，采集被標(biāo)定角度序列I和角度增量的測(cè)量值序列α”包括以下步驟:步驟1.1:采集光電探測(cè)器的靶面上的光斑圖像數(shù)據(jù)，作為起始點(diǎn)光斑圖像數(shù)據(jù)；步驟1.2:采集被標(biāo)定角度的讀數(shù)值β，以及角度增量的測(cè)量值α，包括以下步驟:通過(guò)數(shù)據(jù)處理器控制下轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸按設(shè)定的轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)Θ旋轉(zhuǎn)，其中θ=360° /η，η ^ 21600，下轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)上轉(zhuǎn)臺(tái)和平面鏡旋轉(zhuǎn)，平面鏡的反射光線偏轉(zhuǎn)角度2 Θ后入射到同一光電探測(cè)器的靶面上，得到終點(diǎn)光斑圖像；采集終點(diǎn)光斑圖像數(shù)據(jù)，按照以下公式計(jì)算通過(guò)光杠桿測(cè)得的待檢定測(cè)角器件的轉(zhuǎn)角增量值，作為角度增量的測(cè)量值α: a =arctan (δη/2D)上式中的δ η為起點(diǎn)光斑圖像到終點(diǎn)光斑圖像的直線距離，D為光臂或光程，代表平面鏡與光電探測(cè)器的靶面之間的距離；通過(guò)讀數(shù)頭采集待檢定測(cè)角器件的轉(zhuǎn)角讀數(shù)值，作為被標(biāo)定角度β ；步驟1.3:通過(guò)數(shù)據(jù)處理器控制上轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸按設(shè)定的轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)Θ反向旋轉(zhuǎn)，使上轉(zhuǎn)臺(tái)上的平面鏡的反射光線反轉(zhuǎn)角度2 Θ后垂直入射到光電探測(cè)器的靶面上，完成一步采樣測(cè)量，返回到步驟1.1進(jìn)行下一步采樣Μ畠-步驟2:計(jì)算角度增量的標(biāo)準(zhǔn)值序列爐包括以下步驟:當(dāng)數(shù)據(jù)處理器控制下轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周，完成第η步采樣測(cè)量后，得到被標(biāo)定角度序列Pi和角度增量的測(cè)量值序列CIi, 按照以下公式計(jì)算角度增量的標(biāo)準(zhǔn)值序列i滬[0057]
權(quán)利要求1.基于光杠桿的測(cè)角器件檢定裝置，其特征在于: 包括檢定臺(tái)，檢定臺(tái)上安裝有下轉(zhuǎn)臺(tái)，下轉(zhuǎn)臺(tái)由底座和下轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，下轉(zhuǎn)盤上的轉(zhuǎn)軸套裝在底座上的滾動(dòng)軸承上； 下轉(zhuǎn)盤上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有底部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)，底部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有待檢定測(cè)角器件的安裝座； 安裝座的頂部中央通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有中部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)； 中部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有上轉(zhuǎn)臺(tái)； 下轉(zhuǎn)臺(tái)、待檢定測(cè)角器件和上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心位于同一條豎直線上； 上轉(zhuǎn)臺(tái)由底座和上轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，上轉(zhuǎn)盤上的轉(zhuǎn)軸套裝底座上的滾動(dòng)軸承上； 上轉(zhuǎn)臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有一維手動(dòng)平移臺(tái)； 一維手動(dòng)平移臺(tái)上通過(guò)轉(zhuǎn)接法蘭安裝有鏡架，鏡架上沿豎直方向設(shè)置有平面鏡，平面鏡的反射面與上轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心位于同一平面內(nèi)； 檢定臺(tái)上安裝有激光器和光電探測(cè)器，激光器和光電探測(cè)器與平面鏡位于同一水平面，光電探測(cè)器的靶面平行于上轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)中心； 所述平面鏡、激光器和光電探測(cè)器構(gòu)成光杠桿； 檢定臺(tái)上安裝有用于讀取待檢定測(cè)角器件的轉(zhuǎn)角數(shù)值的讀數(shù)頭； 讀數(shù)頭和光電探測(cè)器均通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與數(shù)據(jù)處理器連接； 上轉(zhuǎn)臺(tái)和下轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)均與數(shù)據(jù)處理器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光杠桿的測(cè)角器件檢定裝置，其特征在于: 所述待檢定測(cè)角器件為角度編碼器、感應(yīng)同步器、度盤、圓光柵或環(huán)光柵； 所述用于讀取待檢定測(cè)角器件的轉(zhuǎn)角數(shù)值的讀數(shù)頭有兩個(gè)以上，讀數(shù)頭在檢定臺(tái)上沿待檢定測(cè)角器件外周呈對(duì)徑分布設(shè)置； 所述數(shù)據(jù)處理器為單片機(jī)或計(jì)算機(jī)； 所述光電探測(cè)器為可編程控制的CCD相機(jī)。
專利摘要基于光杠桿的測(cè)角器件檢定裝置，屬于角度誤差測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有測(cè)角誤差的檢定器件成本高的問(wèn)題，包括安裝在檢定臺(tái)上的下轉(zhuǎn)臺(tái)、底部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)、待檢定測(cè)角器件的安裝座、中部二維手動(dòng)平移調(diào)節(jié)平臺(tái)、上轉(zhuǎn)臺(tái)、一維手動(dòng)平移臺(tái)、平面鏡、激光器、光電探測(cè)器和讀數(shù)頭。使用時(shí)，將待檢定測(cè)角器件安裝在安裝座上，通過(guò)控制下轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)上轉(zhuǎn)臺(tái)和平面鏡旋轉(zhuǎn)，反射光線偏轉(zhuǎn)后入射到靶面上，然后控制上轉(zhuǎn)臺(tái)反向旋轉(zhuǎn)；通過(guò)被標(biāo)定角度和角度增量的標(biāo)準(zhǔn)值序列，計(jì)算被標(biāo)定角度的標(biāo)準(zhǔn)值序列。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，提高了測(cè)角器件的精度。
文檔編號(hào)G01B21/22GK203011370SQ20132000655
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月7日
發(fā)明者程向明, 張益恭, 趙志軍, 楊磊, 陳林飛, 蘇婕, 王建成 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)