长光栅旋转测角法的研究

　　0引言

　　角度测量是几何量测量的一个重要分支，当用辐射型光栅作为基准元件测量角度时，通常都少不了高精度的精密轴系，结构与制造工艺复杂，造价很高Q "M 2 R。本文提供一种全新的专利技术，采用两个长光栅相对旋转的方法，不需要精密轴系，总体结构利用双臂差动测量方式，基本消除了旋转中心轴系的偏心和径向跳动以及外界振动对测量精度的影响。双臂测量信号采用单片机双机通讯方式进行数据处理和数字显示，可以方便地达到测量角度的目的。这种小角度测量的新方法，可用于准直仪、水平仪等仪器的检定以及各种小角度精密测量中。我们应用上述原理研制成了小角度精密测量仪，并对其进行了现场测量，达到了很高的测量精度。结果表明，利用这种技术对小角度的精密测量，是一种结构简单，测量链极短，误差因素少，测量精度高的好方法。

　　1测量原理

　　用长光栅副相对旋转测角是一种全新的方法，它改变了以往长光栅副一般只用于测量长度位移的观念Q "M 2 R。这种精密测角方法的测量原理如图1所示。基准长光栅安装在旋转臂的末端，并绕固定轴转动。!窗口裂相指示光栅固定在机座上并与基准1 运动 3 光栅平行安置，保持与基准光栅之间有微小间隙。在指示光栅!窗口两侧对应位置安装!组发光器件和光电二级管阵列，由发光器件发出的光垂直照射长光栅副的刻划面，光线通过长光栅副之后，光栅副相对运动产生的莫尔条纹变化信息由相应的光电二极管接收 1对应指示光栅的每一窗口有一对光电器件和光电二极管3，并转换为电信号输出。从输出的电信号变化，可求出转臂的微小转角。基准光栅的运动是相对于指示光栅的平动和微小转动的合成，产生的莫尔条纹是变化的，所以采用!窗口裂相指示光栅，对信号进行移相处理。指示光栅的光栅常数与基准光栅一样，但!窗口光栅刻划的相位依次为! S 2、%、!、$! S 2。当测量角度时，旋转臂转动带动光栅副相对转动，光电二极管接收到!个变化的莫尔条纹信息。由付立叶光学理论分析Q $ R，在%与!相位窗口上所获得的信息经过差分后为：

　　在" * "与+" * "相位窗口上所获得的信息经过差分后为：

　　式中R——— 窗口中心线到转动中心的垂直距离，即旋转臂长

　　0——— 长光栅副相对转角，即测量对象的偏角

　　d——— 光栅常数;

　　Fs(0)——— 正弦函数幅值调制因子;

　　Fe(0)——— 余弦函数幅值调制因子。