激光测角技术

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1、激光测角技术综述：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。本文介绍了几种激光测角技术的原理及发展方向。正文：根据所测角度的大小，激光测角技术可以分为小角度测量和任意角度测量。一、激光小角度测量技术1.光学自准直法自准直法就是在光学上使物体和像分别位于共轭平面上。当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，以光束投射到被测物体上，通过测量像点的移动量便可以求出物体转动的角度。如下图所示，以准直激光作为入射光，经扩束后照射到被测物体上，光束被反

2、射后经分束器由透镜2会聚到位置探测光电二极管上，测出物体转动前后反射到位置探测二极管上的光斑位移，根据位移与探测器到被测物间的距离之比，便可得到物体的转动角度。自准直法原理简单，操作方便、易行。测量分辨率与透镜2焦距有关，焦距越长分辨率越高，但透镜焦距过长就会产生仪器笨重和所占空间增大的问题；若对场地没有限制或精确度要求不是特别高，应用较为方便，可用于粗调激光谐振腔的平行等。基于光学自准直法测角仪的测量范围一般都很小，通常在几分至几十分之间，测量可靠性和测量精度也不是很理想。2.利用光学内反射原理进行小角度测量内反射法小角度测量技术就是利用全反射条

3、件下入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，基本原理如下图左所示。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，可以做成抽珍式测角仪。P.S.Huang等人还在此基础上制成了多次反射型临界角角度传感器，用加长的临界角棱镜代替图3的直角棱镜以增加反射次数，如下图右所示。该仪器结构简单，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。台湾的MingHongchin等人在此原理的基础上，提出了全内反射外差干涉测角

4、方法。用外差干涉仪测量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角范围扩大到10秒，最佳分辨力可达8×10-5度。HongKongUniversityofScienceandTechnology的WeiDongzhou等人采用差动共光路结构，大大提高了系统的线性，并获得了0.3角秒的最佳分辨力。3.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，如下图左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。这种技术已经

5、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，采用如下图右所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。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。激光干涉测角仪的测量精度极高、易于实现数字化和智能化。不过，由于激光干涉测角仪是采用干涉条纹进行测量的，因此对环境的要求极为苛刻，许多外界因素，如周围空气流动、车辆运行等都会对测量结果产生很大影响，而且仪器结构精密、稳定性不好、体积大，因而通

6、常只作为一种测量基准和检测手段，很难用于现场测量。4.圆光栅测角法圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。作为角度测量基准的光栅可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。英国国家物理实验室(NPL)的EWPalmer介绍了一台作为角度基准的径向光栅测角仪，如下图左所示，既可用于测角，又可用于标定。其原理是利用2块32400线的径向光栅安装在0.5r／s的同一个轴套上，2个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比。利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以

7、对转台进行实时调整，限制零漂。用干涉仪作为读数头，可进行高精度测量。按95％置信度水平确定其系统误差的不确定度为0.05秒。德国联邦物理研究院(PTB)的AnglicaTaubner等人用衍射光栅干涉仪测量转动物体，能够检测角加速度、角速度、转角，检测原理光路如图2所示。单频He-Ne激光器发出的光经过柯斯特分束棱镜后在出射方向上分为两束平行光。这样由于气流和温度变化引起的两条光路的变化相等。经过变形透镜后直射或斜射到随被测件一起转动的反射型衍射光栅上。该光栅是PTB特制的24013线／mrn正弦相位光栅。干涉信号由光电探测器接衍射收。该系统检测正

8、弦信号时测量灵敏度不确定度为0.3%，测旋转物体时相位差不确定度为0.2%。该系统的主要问题是灵敏度非常复杂。二、激光任意