用移相比相法动态测量莫尔条纹细分误差

　　1　引　　言

　　高精度测角仪其基准分度器大都采用圆光栅。随着科学技术的发展,采用圆光栅作分度基准的测角仪,测角精度和分辨率要求越来越高[1-3],测角精度要0.05″,分辨率达0.01″以上。为获得高质量的莫尔条纹信号和研制高水平的电子学细分器精度检测,需要一种测试手段来解决这个问题。

　　国家计量院研制的激光小角度测量仪较好地解决了细分误差的测量问题[4]。该仪器在±5°的测量范围内,测量不确定度为0.03″,但仪器比较昂贵,操作比较复杂。本文介绍一种经济实用、效率高的方法——用移相比相测量法,测量高精度测角仪动态细分误差,经使用效果很好。

　　2　测量原理

　　这是一种比较测量。用精密型相位计的读数作为标准,和细分器的读数进行比较得出细分误差,由于相位计只能测动态光电正弦信号,这种方法仅适合动态测试。测试电路方框图见图1。

　　图中的θ为圆光栅的角位移;u1,…,u4为各路信号的交流分量幅值,要调整的尽量相等。

　　测试过程是:测角仪运转后,四路合成标准莫尔条纹信号u1sinθ、-u2sinθ、u3cosθ、-u4cosθ;输入桥式电位器移相电路,移相网络通过开关组合和调整电位器(图2)产生0～2π的移相信号。移相再经放大分成两路,分别送入相位计和细分器。进入相位计的与其中一路标准信号(如μ1sinθ)鉴相,得到相角值φi;输入细分器的是经移相信号整形、单稳后变成一定宽度的采样脉冲,然后读出对应的细分值θi。如果在0～2π范围内等间隔测20个点,相位计每隔18°测一点,就得出一组细分误差值来。数据处理是将初始值归零,随后的每后测量值减去初始值。相位值与细分值都按照光栅栅距的对应关系统一为弧度角秒。

　　桥式电位器移相网络是空间移相网络。它是利用两个相位不同的交流电压加在电位器两固定端,由于电压合成的移相作用,再靠开关选择和移动电位器的中心抽头获得0～2π的任意相位的移相信号。

　　3　测量精度

　　用相位计测量测角仪的动态细分误差,其测量精度由相位计的精度(即0～2π的线性度)、分辨率和进入相位计前信号直流电平变化带来的影响。这种方法是通过信号的相位差确定微小位移量,它不受波形质量影响[4]。

　　由于相位计的输入信号频率由测角仪基准圆光栅光栅栅距确定,所以测量精度又与基准圆光栅的刻线数有关。设基准圆光栅的光栅栅距为T(角秒)。那么

　　1)　相位计的精度为Δφ时,引起的角度误差为;

　　2)　相位计的分辨率为β时,引起的角度误差为;

　　3)　设输入信号幅度(峰—峰)为u(mV),直流电平变化为ΔL(mV),引起的角度误差为[5]　。