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激光測(cè)角技術(shù)綜述:光學(xué)測(cè)角法由于具有測(cè)量準(zhǔn)確度高和非接觸測(cè)量的特點(diǎn),在角度測(cè)量中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,而且在某些場(chǎng)合下正在逐漸取代機(jī)械式和電磁式測(cè)量方法。本文介紹了幾種激光測(cè)角技術(shù)的原理及發(fā)展方向。正文:根據(jù)所測(cè)角度的大小,激光測(cè)角技術(shù)可以分為小角度測(cè)量和任意角度測(cè)量。一、激光小角度測(cè)量技術(shù)1.光學(xué)自準(zhǔn)直法自準(zhǔn)直法就是在光學(xué)上使物體和像分別位于共軛平面上。當(dāng)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),物體在像面上所成的像點(diǎn)也隨之發(fā)生移動(dòng),以光束投射到被測(cè)物體上,通過測(cè)量像點(diǎn)的移動(dòng)量便可以求出物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如下圖所示,以準(zhǔn)直激光作為入射光,經(jīng)擴(kuò)束后照射到被測(cè)物體上,光束被反射后經(jīng)分束器由透鏡2會(huì)聚到位置探測(cè)光電二極管上,測(cè)出物體轉(zhuǎn)動(dòng)前后反射到位置探測(cè)二極管上的光斑位移,根據(jù)位移與探測(cè)器到被測(cè)物間的距離之比,便可得到物體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。自準(zhǔn)直法原理簡(jiǎn)單,操作方便、易行。測(cè)量分辨率與透鏡2焦距有關(guān),焦距越長(zhǎng)分辨率越高,但透鏡焦距過長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生儀器笨重和所占空間增大的問題;若對(duì)場(chǎng)地沒有限制或精確度要求不是特別高,應(yīng)用較為方便,可用于粗調(diào)激光諧振腔的平行等?;诠鈱W(xué)自準(zhǔn)直法測(cè)角儀的測(cè)量范圍一般都很小,通常在幾分至幾十分之間,測(cè)量可靠性和測(cè)量精度也不是很理想。2.利用光學(xué)內(nèi)反射原理進(jìn)行小角度測(cè)量?jī)?nèi)反射法小角度測(cè)量技術(shù)就是利用全反射條件下入射光變化時(shí)反射率的變化關(guān)系,通過反射率的變化來測(cè)量入射角的變化的。內(nèi)反射法是由P.S.Huang等人提出來的,基本原理如下圖左所示。用該方法制成的測(cè)角儀體積可以做得很小,因此特別適用于較小空間中小角度的在線測(cè)量,可以做成抽珍式測(cè)角儀。P.S.Huang等人還在此基礎(chǔ)上制成了多次反射型臨界角角度傳感器,用加長(zhǎng)的臨界角棱鏡代替圖3的直角棱鏡以增加反射次數(shù),如下圖右所示。該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低。但其測(cè)量范圍也很小,因此只能用于小角度測(cè)量,3弧分范圍內(nèi)分辨力為002弧秒。臺(tái)灣的Ming Hongchin等人在此原理的基礎(chǔ)上,提出了全內(nèi)反射外差干涉測(cè)角方法。用外差干涉儀測(cè)量S偏振光和P偏振光之間的相位差,將傳感器的測(cè)角范圍擴(kuò)大到10秒,最佳分辨力可達(dá)810-5度。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dongzhou等人采用差動(dòng)共光路結(jié)構(gòu),大大提高了系統(tǒng)的線性,并獲得了0.3角秒的最佳分辨力。3.激光干涉法小角度測(cè)量技術(shù)激光干涉測(cè)角大多是以邁克爾遜干涉儀作為基本原理,將角度的變化轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度變化來進(jìn)行測(cè)量,如下圖左所示 經(jīng)角錐棱鏡反射的一路光的光程隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化,因此干涉條紋也發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng),測(cè)得條紋的移動(dòng)量,就可測(cè)得轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟,美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家早已將激光干涉小角度測(cè)量技術(shù)作為小角度測(cè)量的國(guó)家基準(zhǔn)。為了消除轉(zhuǎn)盤徑向移動(dòng)對(duì)角度測(cè)量的影響,采用如下圖右所示的測(cè)量光路,用兩個(gè)角錐棱鏡形成差動(dòng)測(cè)量,大大提高了系統(tǒng)的線性和靈敏度。為了增強(qiáng)干涉儀抗環(huán)境干擾的能力,可以采用雙頻激光外差干涉測(cè)量法,用雙頻激光代替普通光源。激光干涉測(cè)角儀的測(cè)量精度極高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化。不過,由于激光干涉測(cè)角儀是采用干涉條紋進(jìn)行測(cè)量的,因此對(duì)環(huán)境的要求極為苛刻,許多外界因素,如周圍空氣流動(dòng)、車輛運(yùn)行等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響,而且儀器結(jié)構(gòu)精密、穩(wěn)定性不好、體積大,因而通常只作為一種測(cè)量基準(zhǔn)和檢測(cè)手段,很難用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。4.圓光柵測(cè)角法圓光柵是角度測(cè)量中最常用的器件之一。作為角度測(cè)量基準(zhǔn)的光柵可以用平均讀數(shù)原理來減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數(shù)誤差,因此其準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定可靠。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)的E W Palmer介紹了一臺(tái)作為角度基準(zhǔn)的徑向光柵測(cè)角儀,如下圖左所示,既可用于測(cè)角,又可用于標(biāo)定。其原理是利用2塊32 400線的徑向光柵安裝在0.5rs的同一個(gè)軸套上,2個(gè)讀數(shù)頭一個(gè)固定,一個(gè)裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上連續(xù)旋轉(zhuǎn),信號(hào)間的相位差變化與轉(zhuǎn)角成正比。利用光柵細(xì)分原理可測(cè)360度范圍內(nèi)的任意角度,附加零伺服機(jī)構(gòu)可以對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,限制零漂。用干涉儀作為讀數(shù)頭,可進(jìn)行高精度測(cè)量。按95置信度水平確定其系統(tǒng)誤差的不確定度為0.05秒。德國(guó)聯(lián)邦物理研究院(PTB)的Anglica Taubner等人用衍射光柵干涉儀測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體,能夠檢測(cè)角加速度、角速度、轉(zhuǎn)角,檢測(cè)原理光路如圖2所示。單頻He-Ne激光器發(fā)出的光經(jīng)過柯斯特分束棱鏡后在出射方向上分為兩束平行光。這樣由于氣流和溫度變化引起的兩條光路的變化相等。經(jīng)過變形透鏡后直射或斜射到隨被測(cè)件一起轉(zhuǎn)動(dòng)的反射型衍射光柵上。該光柵是PTB特制的24013線mrn正弦相位光柵。干涉信號(hào)由光電探測(cè)器接衍射收。該系統(tǒng)檢測(cè)正弦信號(hào)時(shí)測(cè)量靈敏度不確定度為0.3%,測(cè)旋轉(zhuǎn)物體時(shí)相位差不確定度為0.2%。該系統(tǒng)的主要問題是靈敏度非常復(fù)雜。二、激光任意角度測(cè)量技術(shù)1.環(huán)形激光任意角度測(cè)量環(huán)形激光是目前轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度最高的方法。目前還只是少數(shù)國(guó)家掌握這種技術(shù),研究最多的國(guó)家是德國(guó)和前蘇聯(lián),我國(guó)目前正致力于這項(xiàng)技術(shù)的研究。該方法容易實(shí)校準(zhǔn),可以在測(cè)量過程中確定環(huán)形激光器的比例因子,從而大大減小了測(cè)量誤差;可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)角測(cè)量,動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬;可以在測(cè)量轉(zhuǎn)速的同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)角,還可以測(cè)量瞬態(tài)轉(zhuǎn)速。環(huán)形激光是轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度最高的方法,轉(zhuǎn)速測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確度可達(dá)到lO-6,在整周角度測(cè)量中,環(huán)形激光器被認(rèn)為優(yōu)于目前任何其它技術(shù)。該方法的缺點(diǎn)是只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量,對(duì)測(cè)量條件要求很高,加工工藝難以保證,成本高,對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格。這也是環(huán)形激光器沒有得到大量應(yīng)用的最主要原因。而且其測(cè)雖結(jié)果還會(huì)受到“頻率牽引”和地球自轉(zhuǎn)的影響。環(huán)形激光測(cè)角的基本原理如下圖所示,當(dāng)被檢量具和環(huán)形激光器相對(duì)于靜止的光電自準(zhǔn)直儀同步轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),在瞄準(zhǔn)軸與量具棱面法線相重合的瞬間,被測(cè)角度轉(zhuǎn)換成由光電自準(zhǔn)直儀產(chǎn)生的光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時(shí)間間隔,接口裝置在此間隔內(nèi)對(duì)環(huán)形激光脈沖讀數(shù)。圣彼德堡電子大學(xué)和PTB合作研制的精密環(huán)形激光測(cè)角計(jì),可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)物體的外部角度測(cè)量和測(cè)角計(jì)本身的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)角測(cè)量。該裝置在1轉(zhuǎn)秒的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1秒。2用雙平面反射鏡實(shí)現(xiàn)任意角度測(cè)量該系統(tǒng)的構(gòu)造如下圖左所示。系統(tǒng)的核心部分由旋轉(zhuǎn)鏡RM、旋轉(zhuǎn)鏡懸架SU以及防傾斜裝置TP構(gòu)成。防傾斜裝置TP能夠保證在一周的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi),由旋轉(zhuǎn)鏡RM的兩鏡面構(gòu)成的直角的角平分線始終與入射的激光束平行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)鏡懸架SU轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí),旋轉(zhuǎn)鏡RM在光線入射方向移動(dòng)相應(yīng)的距離,光電元件接收的干涉條紋數(shù) 發(fā)生相應(yīng)的變化。該方法存在的主要問題時(shí)平面鏡的表面形貌和兩平面鏡的直角誤差都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,另外機(jī)械導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度也會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生偏差,需要用算法進(jìn)行修正。 3.雙定值角干涉儀測(cè)量任意角度兩塊平面鏡以一定的夾角排列而構(gòu)成的光學(xué)組件即為定值角,用標(biāo)準(zhǔn)定值角取代邁克爾遜干涉儀中的測(cè)量反射鏡就構(gòu)成定值角干涉儀。天津大學(xué)根據(jù)該原理設(shè)計(jì)的一個(gè)雙定值角型測(cè)角系統(tǒng)光路如上圖右所示。由激光器1初涉的光束經(jīng)擴(kuò)大鏡組2、針孔濾波器3、準(zhǔn)直透鏡5、限束光闌6、平面反射鏡7、分光鏡8后分成兩束,分別進(jìn)入由長(zhǎng)平面鏡9和被檢多面棱鏡12構(gòu)成的雙定值角,經(jīng)反射后在分光鏡8上產(chǎn)生干涉,干涉信號(hào)由CCD元件4接收。這一路光稱為多面棱體檢定光路,與其對(duì)稱的右半部分稱為雙定值角測(cè)量跟蹤干涉儀,工作原理與其完全相同。該系統(tǒng)能在0360度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意角度的高準(zhǔn)確度測(cè)量,測(cè)量不確定度優(yōu)于 0.3秒。該方法的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)定值角的加工及安裝精度比較難保證,而且測(cè)量過程中需要一套雙定值跟蹤系統(tǒng),結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。3.雙頻激光楔形平板干涉法任意角測(cè)量技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用雙光線經(jīng)過楔形平板時(shí)光程差變化與平板轉(zhuǎn)角的關(guān)系,設(shè)計(jì)了一套雙頻激光楔形平板干涉任意轉(zhuǎn)角測(cè)量系統(tǒng),其基本原理如下圖所示。由雙頻激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過分光鏡分為兩束,反射光經(jīng)檢偏器1后由光電接收器接收,形成參考信號(hào)。投射的一束光是測(cè)量光路,經(jīng)過偏振偏光鏡將偏振方向相互垂直的兩路光分開,頻率分別為f1和f2,兩路光分別經(jīng)過/4波片和楔形平板后由角錐鏡反射回偏振分光鏡鏟射產(chǎn)生干涉信號(hào),經(jīng)檢偏器后由光電接收器2吸收,將光電接收器1、2的信號(hào)送入信號(hào)處理電路,可得到多普勒頻差,該頻差值隨光程差而變,即隨平板移動(dòng)而變化,因此可以得到楔形平板轉(zhuǎn)角的信息。系統(tǒng)中光線4次通過楔形平板,采用了差動(dòng)結(jié)構(gòu),可以消除楔形平板的平移和擺動(dòng)誤差產(chǎn)生的影響。該系統(tǒng)可以自動(dòng)判別轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,可測(cè)量360度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角,動(dòng)態(tài)相應(yīng)范圍為4r/s。 但是,系統(tǒng)靈敏度在整個(gè)測(cè)量方位內(nèi)不是常數(shù),為了克服這一缺點(diǎn),使用在空間相互垂直的兩套測(cè)量光路以消除90度和270度兩個(gè)死點(diǎn),這樣就使系統(tǒng)的體積非常龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外,由于使用多個(gè)角錐反射鏡,使光路裝調(diào)比較困難,很難在實(shí)際中應(yīng)用。結(jié)論:激光測(cè)角法的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、信號(hào)均勻性好、信噪比高,小角度測(cè)量已經(jīng)達(dá)到了極高的準(zhǔn)確度,作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)還可進(jìn)行整周角度測(cè)量。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,較難在現(xiàn)場(chǎng)使用。隨著激光干涉測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)及新型激光

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