自准直仪及误差校准方法的研究

　　0　概述

　　自准直仪是一种非常重要的小角度测量仪器,广泛用于精密小角度的测量和定位以及其延伸的直线度、平面度等形位误差的测量。自准直仪的发展,依其工作原理,从最早的纯机械光学式发展到光电机械瞄准式,而后发展到光电数显式,最后发展到光机电算融为一体的自动测量显示的自准直仪。依其测量角度维数来分,有一维和二维(指同时能测量两个方向)的自准直仪。

　　尽管自准直仪结构功能特点在不断地变化发展,但它的光学自准直测量基本原理是不变的,变化的是采用不同技术和方法来检测反射像位移量的大小和测量结果的显示方法。参看表1自准直仪比较表。

　　传统光电自准直仪中大多采用振动狭缝对准目标刻线,而后通过光电检波,最后读取细分鼓轮刻度的方法来实现对反射像位移量的测量,它的局限在于每次测量都需要人工的参与。当采用目前应用较成熟的PSD(Position Sensor Detector)或CCD(Charge Coupled Device)光电接收器件时,由于这类光电接收器具有自动监测反射像位置变化的功能,因此可实现自动跟踪测量及角度显示。

　　在自准直仪测量系统中,还有一个很重要的部分是光源。伴随着自准直仪的发展,光源也从发热较大的灯泡发展到体积很小发热微小的发光二极管,中间也有应用半导体激光器的,其特点是光强大,工作距离较大。

　　1　二维自准直仪自动测量的工作原理

　　1·1　光学自准直原理

　　图1所示为自准直仪的工作原理,光源发出的发散光首先通过光阑,再经过半透半反的分光镜,通过准直物镜后称为平行光直接入射在反射镜上,然后沿原光路返回,在分光镜半透半反面被发射至接收器上。当反射镜产生角摆时,反射回接收器上的光点位置也将发生变化,依自准直原理,反射镜的角位移α与准直物镜的焦距f及反射像在接收器上的位移量S的数学关系为:

　　S=2f·tanα

　　当α较小时,该数学关系可近似为S=2f·α。在一确定的自准直仪中,f是一常数,因此通过测量位移量S即可得到被测角度α。一般地,接收器的型式决定了自准直仪角度测量的空间维数:即当采用一维的接收器时,可实现一维角度的测量,当采用二维的接收器件时,可实现二维角度的同时测量。但通过特殊的结构设计,采用两个一维的接收器件,也能实现二维角度的同时测量。

　　1·2　光电接收器工作原理

　　在自准直仪系统中,光电接收器的主要功能是完成光电信号的转换。对应于光电瞄准的自准直仪,接收器对光强敏感,是直接检测有无光强突变;而对应于自动测量的自准直仪,接收器有一定的面积大小,是对光点的位置进行检测,光点位置变化时,对应输出电流信号产生变化。一维和二维工作原理基本一样,一维只能检测某一个方向,两维则同时检测两个方向的光点位移量。