莫尔条纹测量扭转变形角的方案研究

　　1　引　言

　　在工程实际中,精密的基准设备或测量设备中除了有能完成测量任务相应的测量设备外,设备本身之间的相对位置变形也需要进行精确测量,以便对最终的精确测量任务进行相应的补偿,达到提高测量精度的目的。设备之间存在的三维微小角度变化分别称为纵向挠曲、横向挠曲和扭转,纵向挠曲和横向挠曲是发生在两设备连线平面内的变形,而扭转变形是绕梁设备连线的扭转角。扭转角的测量具有重要的工程意义,大型工程测量设备都需要对扭转角进行精确测量[1-2]。

　　角度测量作为最基本的物理量测量之一,测量方法已很多,光学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的特点而倍受人们的重视,尤其是稳定的激光光学测角法,其它新的光学测角方法也都很有应用意义。本文介绍的基于莫尔条纹的扭转角测量具有设备简单、价格低、方法新颖等特点,很有工程实用价值[1-4]。

　　2　莫尔条纹测量扭转角原理

　　该扭转角测量是用双光栅叠合在一起产生的莫尔条纹进行测量的[5],测量原理如图1所示,将光栅与莫尔条纹建立在统一坐标系下,光栅G1的栅线与y轴平行,光栅G2的栅线与y轴的夹角为θ,d1和d2分别是两光栅G1和G2的栅线间距,φ为G1和G2干涉形成的莫尔条纹与y轴的夹角,即莫尔条纹的倾角,h是莫尔条纹的宽度,上述各参数满足式(1)、(2):

　　在实际测量中,采用光栅间距d相同的两光栅,公式可简化为式(3)、(4):

　　其中φ和θ都取锐角,由式(3)可知,只要求得莫尔条纹的倾角就可求得两光栅的夹角θ;由式(4)可知,只要求得莫尔条纹的宽度h,就可求得两光栅的夹角θ。因此在用双光栅产生的莫尔条纹进行扭转角的测量时,可以根据莫尔条纹的宽度变化和倾角变化,进行扭转角求解,这两式是求扭转角的理论依据。

　　3　测量扭转角方案结构设计

　　3.1　扭转测量结构组成

　　本文所研究的变形扭转角测量的测量范围小,在±30′之内,测量精度要求不超过5″,扭转角的变化周期通常为7~15 s。采取以大钢管基准法的测量扭转角原理[6-7]为基础设计了利用莫尔条纹测量扭转角的方案。本方案采用平行光管模拟设备,设备变形的模拟可以通过微调旋转机构使平行光管产生角度转动,整个实验仿真在具有独立地基的光学平台上进行。

　　实验设备布置方案如图2所示,将两光栅分别放置在发射光管和接收光管的焦面上,用面阵红色发光二极管作为发射光管的光源,接收光管接收来自发射光管的平行光束,旋转机构使发射光管绕发射轴小角度旋转。将CCD放置于接收光管的焦面处接收两光栅干涉产生的并因发射光管旋转而变化的莫尔条纹,并用视频采集卡对此莫尔条纹信号进行采集,用计算机处理,得到发射光管的扭转角,与0.2″基准光管测量的扭转角真值比较,求扭转角测量误差。