激光位移传感器在角度测量中的应用

　　0　引　言

　　角度测量[1, 2]是计量科学的重要组成部分,特别是微小角度的测量在精密加工、航空航天、军事和通信等许多领域都具有极其重要的意义和作用。对于角度的测量可以分为接 触式和非接触式测量,近年虽然非接触式测量角度虽然逐渐成为主流,但是要获得高精度的角度测量值,则仍需要采用接触式测量。接触式测量是测量头与工件表面 的某一个点接触进行测量,沿着工件形状进行扫描,可在短时间内高密度地获得大量点数,测量点数越多,越能获得更为正确的形状参数,主要采用三坐标机进行测 量。非接触测量则有其独特优点,如,测量速度快,与工件非接触,这可以避免对工件的划伤。

　　本文只探讨非接触式光学测量方法,对于光学测角方法,除了大家熟知的光学分度头法和多面棱体法外,常用还有光电编码器法、衍射法、圆光栅法、激 光干涉法等。这些方法中的很多方法在小角度精密测量中已经成功应用,并得到了较高的测量精度和测量灵敏度,通过适当的改进还可对360°整周角度进行测 量。

　　激光位移传感器是一种高精度测量位移的传感器[3],本文将其应用在角度测量中来,实现高精度角度的测量。

　　1　激光位移传感器测量角度原理

　　激光位移传感器测量角度系统组成如图1所示。

　　步进电机带动激光位移传感器向右移动,传感器每前进一步,激光位移传感器可以得出一个距离值,最终可以扫描出二面角的形状。

　　图2给出了激光位移传感器测量角度的基本原理图。所求角度由直线A1和A2组成,激光位移传感器沿着x轴向右移动,可以测量出多个距离值,最终可以求出A₁和A₂的斜率,从而求出夹角θ=α₁+α₂,如果求出2条直线的斜率分别为k1和k2,根据基本的初等几何有：

　　为了讨论方便,现在只讨论单边的测量,即设A₂的斜率为无穷大,此时可以得到A₁与y轴的夹角。 x方向采用步进电机带动激光位移传感器向前移动,精度可以很高,实验中采用的是步进电机带动位移传感器前进100mm,测量的数据为65536个数据,因 此,步长很小,则单步的精度会很高,如果不考虑轴的影响,那么,所有误差都可以归结为y值的误差。采用如下的回归方程[4]进行数据拟合从而求出A₁的斜率：

　　式中　N为测量的数据个数。这样可以求出斜率和测量的偏差。由α=atanb可以求出夹角,根据误差传递公式得到：

　　采用误差传递中的“方和根”法可以求出最终θ的误差值。