高分辨率高精度角度編碼器

1、高分辨率，高精度角度編碼器機械制造業(yè)作為基礎(chǔ)工業(yè)，其發(fā)展在國民經(jīng)濟中有著舉足輕重的作用，而精密測量技術(shù)是它發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件。測量的精度和效率在一定程度上決定了制造業(yè)乃至技術(shù)發(fā)展的水平。元素周期表的發(fā)明者門捷列夫說過： “從開始有測量的時候起，才開始有科學(xué)。沒有測量，精密科學(xué)就沒有意義”。新的測量方法標志著真正的進步，測試技術(shù)的水平是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標志之一。僅就幾何測量儀器的發(fā)展來看，在19世紀中葉以前，機械制造業(yè)中的主要測量工具是鋼板刻線尺，測量精度為1mm機械式測量器具，如游標卡尺和千分尺的出現(xiàn)，將測量精度提高到了 O.OImmo量塊出現(xiàn)以后，采用量塊作為長度基準，大大推

2、動了微差測量法的發(fā)展，將測量精度提高到了微米級。進入20世紀30年代、40年代以后，出現(xiàn)的電動量儀、光學(xué)量儀和氣動量儀，以及誕生于近20年的激光干涉儀，隧道掃描顯微鏡，除繼續(xù)使用機械式測量器具以外，還逐漸采用了基于幾何光學(xué)與物理光學(xué)原理的光學(xué)量儀，這都極大的促進了當時技術(shù)的發(fā)展，為幾何量的測量開辟了新的。隨著科學(xué)技術(shù)和制造業(yè)的發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)y量微小尺寸的要求越來越迫切，傳統(tǒng)的測量技術(shù)和設(shè)備難以在精度、效率及自動化程度方面完全滿足要求，甚至根本無法實現(xiàn)。顯然，融合當今的最新科學(xué)理論和技術(shù)成果，開發(fā)高效率的智能化精密測量系統(tǒng)有著重要的理論意義和實用價值。角度是一個重要的計量單位，角度測量是計量技

3、術(shù)的重要組成部分。不僅有以檢測角度為目的的角度檢測，還有為了檢測的方便和可靠，將其他物理量 也轉(zhuǎn)換成角度量來進行檢測的角位移檢測。生產(chǎn)和科學(xué)的不斷發(fā)展使得角度測 量越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、科研等領(lǐng)域，技術(shù)水平和測量準確度也在不斷提高。角度測量技術(shù)按照測量原理可以分為三大類：機械式測角技術(shù)、電磁式測角技術(shù)和光學(xué)測角技術(shù)。機械式和光學(xué)測角技術(shù)的研究起步較早，技術(shù)也已經(jīng)非常成熟。光學(xué)測角方法比一般的機械和電磁方法有更高的準確度，而且更容易實現(xiàn)細分和測試過程的自動化，但使用我公司研究新的電感式測角技術(shù)將精度提高至長。在高精度角度測試技術(shù)領(lǐng)域，各種新型的測角技術(shù)不斷涌現(xiàn)，成為高精度測角技術(shù)的主流方向。隨

4、著電子計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得以近代波動光學(xué)為基礎(chǔ)的光電檢測法得以實現(xiàn)自動化，這極大地擴充了角度測量的應(yīng)用范圍。按照被測角性質(zhì)可以分為靜態(tài)角度測量和動態(tài)角度測量兩種。高精度角度測試技術(shù)在靜態(tài)角度測試領(lǐng)域己經(jīng)日趨成熟，各種測試理論和方法日益完善。然而，實現(xiàn)動態(tài)角度的高精度測量，是測角技術(shù)領(lǐng)域的一個難點，也因此成為國內(nèi)外測角技術(shù)研究的一個熱點。國內(nèi)外角度測量的研究現(xiàn)狀1 機械測角法測角技術(shù)中研究最早的是機械式測角法，主要以多齒分度盤為代表，它是一種基于機械分度定位原理的圓度分度技術(shù)。最早的多齒分度盤的雛形出現(xiàn)在20世紀20年代，完整的圓分度器件是由美國Gate公司研制成功的，并于1960年獲得該

5、技術(shù)專利，其分度為士 o. 25”。前蘇聯(lián)考納斯機床廠研制的 YLUI-05型角度測量儀最小分度間隔為15”，測量誤差不大于O 1”。由于多齒分度盤的齒數(shù)不能無限增加，因此細分受到限制，由此而出現(xiàn)了差動細分方法。原理上，差動細分技術(shù)可以設(shè)計出更多層的多齒分度臺，但是，由于在實際加工時，各層之 間的同軸度難以保證，齒盤起落機構(gòu)復(fù)雜等原因而難以實現(xiàn)。上世紀六、七十年代，我國多齒分度裝置的研制工作普遍展開，中國計量科學(xué)研究院實驗工廠研制的差動細分多齒分度盤，其任意角度間隔的分度誤差不大于0 2”。陜西機械學(xué)院研制的彈性多齒差動分度臺，其分度誤差不大于0 17”。2 電磁測角法電磁測角法是最近幾十年發(fā)

6、展起來的測角技術(shù)，主要應(yīng)用于角度的進一步細分，使分度和測量范圍增大，提高儀器的分辨率。電磁式測角技術(shù)以圓磁柵和感應(yīng)同步器為代表，圓磁柵測角法是將圓磁柵連同被測件一起旋轉(zhuǎn)，利用放磁頭將磁柵上的記錄信號拾取出來進行處理。按信號拾取的方式不同，放磁頭可以分為靜態(tài)磁頭和動態(tài)磁頭兩種。靜態(tài)時準確度往往難以提高。動態(tài)時降低了對錄磁準確度的要求，可以獲得較高的分度準確度。感應(yīng)同步器測角法是一種電磁感應(yīng)位置檢測元件，它是美國Farrand 公司根據(jù)美國空軍提出的要求而發(fā)明的，根據(jù)正弦、余弦兩繞組的電壓和相位進行比較，利用電磁感應(yīng)將位移量轉(zhuǎn)化成電信號，并以數(shù)字脈沖形式輸出基準量。由于感應(yīng)同步器在工作時可以多個節(jié)

7、距同時起作用，具有“平均效應(yīng) ，因而具有較高的分度準確度。無論是機械式還是電磁式測角法，它們的主要缺點大多為手工測量，不容易實現(xiàn)自動化，而且測量精度也受到機械加工精度的限制。3光學(xué)測角法光學(xué)測角方法歷來以其極高的測量準確度受到人們的重視，光學(xué)測角法的應(yīng)用也越來越廣泛。目前， 光學(xué)測角方法除眾所周知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光學(xué)內(nèi)反射法、激光干涉法、圓光柵法、環(huán)形激光法、光電軸角編碼器法和光電自準直儀法等。這些方法大多可以應(yīng)用于小角度的非接觸測量中，并達到了很高的測量精度和靈敏度。1光學(xué)內(nèi)反射法內(nèi)反射法角度測量技術(shù)就是利用全反射條件下入射光變化時反射率的變化關(guān)系，通過反射率的變化來

8、測量入射角的變化，由P. S. Huang?人提出來的，如圖 1 1 所示。利用光線從光密媒質(zhì)進入光疏媒質(zhì)時，當入射角在臨界角附近變化，反射率發(fā)生急劇變化的物理規(guī)律，通過反射率的變化來確定入射角度的變化。用該方法制成的測角儀體積可以做得很小，因此特別適用于較小空間中小角度的在線測量，可以做成袖珍式測角儀，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但其測量范圍也很小，因此只能用于小角度測量，3弧分范圍內(nèi)分辨率可以達到0 02弧秒。臺灣的 chin 等人在此原理基礎(chǔ)上，提出一種全內(nèi)反射外差干涉測角法，將傳感器的測角范圍擴大到10度，最佳分辨率可達8X 10-5度。2激光干涉法激光干涉法大多是以邁克爾遜干涉儀作為基本原

9、理，將角度的變化轉(zhuǎn)換為長度的變化來進行測量，如圖2 2所示。光源經(jīng)過角椎棱鏡反射得到的光路隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，干涉條紋也隨之移動，測得條紋的移動量，即可獲得轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角大小。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當成熟，美國、日本、德國、俄羅斯等國家早已將激光干涉小角度測量技術(shù)作為小角度測量的國家基準，為了增強干涉 儀抗環(huán)境干擾的能力，可以采用雙頻激光干涉測量法，用雙頻激光代替普通光源。用這種方法測量平面角，靈敏度可以達到0 002”。但這種方法的測量裝置體積龐大，價格昂貴。3圓光柵法圓光柵是目前角度測量的主要器件之一，對于高精度、高分辨率的角度測量領(lǐng)域，圓光柵測角技術(shù)已有比較廣泛的應(yīng)用，如光柵刻度機、光柵編碼

10、器、光柵度盤檢查儀、光柵分度頭等。它的測角原理是將圓光柵和轉(zhuǎn)臺同軸安裝，通過測得光柵轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)矩數(shù)得到轉(zhuǎn)角大小。該方法主要是在靜態(tài)下的相對角度測量，動態(tài)測量時，在10轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速下,要想達到1t 的分辨率都非常的困難。我國航天部第一計量測試研究所研制的精密數(shù)顯轉(zhuǎn)臺，是具有高準確度、高分辨率、多功能的測角儀器，靜態(tài)測角分辨率為O. 01 -, 一次靜態(tài)測量任意角的不確定度為0. 22”，儀器用比相法檢測圓光柵，動態(tài)檢測圓光柵的直徑間隔誤差不確定度為0 16”。圓光柵的缺點是光柵與轉(zhuǎn)臺的對心準確度要求高，高轉(zhuǎn)確度光柵的制作加工困難。4環(huán)形激光法環(huán)形激光是目前光學(xué)測角法中測量準確度最高的方法，轉(zhuǎn)速測量

11、相對準確度可達 10-6 。其角度測量的基本原理如圖1 3所示，當被測角度量具棱面法線與量具棱面法線相重合的瞬間，被測角度轉(zhuǎn)換成由光電自準直儀產(chǎn)生的光電流觸發(fā)和停止脈沖所需的時間間隔，接口裝置在此間隔內(nèi)對環(huán)形激光脈沖進行讀數(shù)。目前還只是少數(shù)國家掌握這種技術(shù)，研究最多的國家是德國和俄羅斯。圣彼得堡電子大學(xué)研制的精密環(huán)形激光測角計可用于光學(xué)多面體和光學(xué)編碼器的校準、旋轉(zhuǎn)物體的外部角度測量，和測角儀本身的內(nèi)部旋轉(zhuǎn)角測量。該裝置在1轉(zhuǎn)秒的轉(zhuǎn)速下，測量轉(zhuǎn)確度達到O 1" 。該項技術(shù)測角的最大優(yōu)點是容易實現(xiàn)自校，且可以實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)角測量，動態(tài)響應(yīng)范圍寬。缺點是只能實現(xiàn)動態(tài)測量，加工工藝難以保證，成

12、本高。這是環(huán)形激光器沒有得到大量應(yīng)用的最主要原因。5光電軸角編碼器光電軸角編碼器是采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將角度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字代碼的裝置，根據(jù)提取信號的方法分為增量編碼器和絕對編碼器兩種。增量型編碼器的位置由原位基準的計數(shù)脈沖累計來決定位置，讀數(shù)狀態(tài)要始終連續(xù)，不可中斷，抗干擾能力差，主要用于短時的相對位移或速度檢測。以日本產(chǎn)高精度增量型角度編碼器比較常用，其分辨率和角度積累誤差都是幾秒量級。絕對型編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制方式進行光電轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼。它的抗干擾能力較強，且沒有累計誤差。絕對型測角編碼器在我國研究的比較早的是長春光電機械研究所。1

13、964年長春光機所研制出了我國第一塊18位絕對式碼盤，接著研制出了18位絕對式編碼器，用于電影經(jīng)緯儀上；1988年研制出了23位絕對式編碼器；1996年，又研制出25位絕對式編碼器，采用自然二進制與周期二進制混合編碼，采用單片機軟件細分，分辨率為O 039”，測角均方根誤差為士0 7”。無論是增量型還是絕對型光電軸角編碼器，雖然它們都可以直接輸出數(shù)字量，多被用于角度的檢測，但其分辨率總是依賴于機械放大裝置。6光電自準直儀光學(xué)自準直儀是利用光學(xué)自準直原理，利用小角度測量或者可以轉(zhuǎn)換為小角度測量的一種常用測試儀器。其基本測角原理如圖1 4所示。當反射鏡與光軸垂直時，則光束將反射回其本身，如果反射鏡

14、傾斜一個角度目，則其反射光將以角度2秒反射回來。根據(jù)反射光的傾斜程度，自準直圖像會以更大或更小的角度發(fā)生位移。自準直儀的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，利用光電元件作為探測器件的新型光電自準直儀是自準直儀發(fā)展的新方向，它具有傳統(tǒng)光學(xué)自準直儀所無法比擬的優(yōu)勢。光電自準直儀的基礎(chǔ)理論研究及測量儀器的研制在國外是比較早的，而且比較完善，如在日本、美國、英國、德國等國家，尤其在日本、德國，由于一向重視光電子技術(shù)的應(yīng)用，因而在這一方面的發(fā)展更為矚目，從光源到光電檢測元件最為齊全，光電檢測技術(shù)應(yīng)用也較普遍。我國光學(xué)自準直儀的生產(chǎn)廠家不少，型號也較多，但光電自準直儀的發(fā)展則屬另一種情況。北京計量儀器廠與天津大學(xué)精儀學(xué)院聯(lián)

15、手，于70年代末研制成功了702型光電自準直儀，并以每年50臺的規(guī)模投放國內(nèi)市場，該儀器測量范圍為10' ，誤差為士larcsec 。在光電檢測中，典型的代表是采用以CC鼓術(shù)為基礎(chǔ)的圖像傳感器測量方法。以CCD;傳感器的各種非接觸尺寸以及角度檢測方法，較之傳統(tǒng)的機械式、電磁式、光學(xué)式測量方法，實現(xiàn)了尺寸廣泛檢測的智能化、自動化。采用CCD4行測量分為靜態(tài)和動態(tài)兩種測量方式，所謂靜態(tài)測量是指CC咯個像元接收到的信號在時間上是不變的，或者說，在其積分時間內(nèi)變化足夠慢以致可以忽略；動態(tài)測量是指CC咯個像元接收到的信號在時間上變化很快，即在積分時間內(nèi)這種變 化不能忽略。本課題正是致力于結(jié)合 C

16、C鼓術(shù)，提出一種新型的角度測量裝置與 測量原理，實現(xiàn)微小角度偏轉(zhuǎn)的非接觸、在線、動態(tài)檢測。項目來源及研究的主要內(nèi)容隨著工業(yè)技術(shù)進步以及自動化程度的日益提高，對工業(yè)在線小角度測量技術(shù)提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的測角方法盡管測量精度很高，但由于系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、對試驗環(huán)境要求高，不適應(yīng)在線非接觸檢測這一要求。本課題以國家發(fā)明專利用光傳感器陣列檢測角度的方法的研究（ 專利號：ZL02137635. 2）為背景，研究的主要目標是基于線陣CCD提出一種新型角度檢測方法及裝置，研制一套可實現(xiàn)動態(tài)、非接觸式小角度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高速度、高準確度的特點。該檢測系統(tǒng)可以應(yīng)用于紡織機械自調(diào)勻整系統(tǒng)中棉條厚度的在線檢測與控制，以及其它小角度位移測量場合