角度计量方法发展历程

在要求更细致一些的情况下，古人采用的是在 十二地支之外又加上了十干中的甲、乙、丙、 丁、庚、辛、壬、癸和八卦中的乾、坤、艮、 巽组成二十四个特定名称，用以表示方位 ，如 图1所示。
图1. 十二支/二十四支方位表示法
在古代中国，与现行360°分度体系最 为接近的是古人在进行天文观测时，所 采用的分天体圆周为365 1/4度的分度 体系。尽管可以直接把他们的记录视同 角度，在天文之外的其他测量角度的场 合一般也不使用这一体系。因此，这种 分度方法对中国角度计量的建立不能起 到任何作用。
图2.激光干涉小角度测量原理图
双平面反射镜任意角度测量 用双平面反射镜法测量任意角度的核 心部分由旋转镜RM、旋转镜悬架SU以 及防倾斜装置TP构成，该系统的构造 如图3所示。防倾斜装置TP能够保证在 一周的旋转范围内，由旋转镜RM的两 镜面构成的直角的角平分线始终与入 射的激光束平行。当旋转镜悬架SU转 动口角时，旋转镜RM在光线入射方向 移动相应的距离，光电元件接收的干 涉条纹数发生相应的变化。
在我国60年代初中科院长春光机所率先开 展了圆光栅测量系统的研究，并刻出了第 一块光栅盘。从此我国开始了光栅测角技 术的应用。圆光栅是角度测量中最常用的 器件之一，其测量原理是将圆光栅与转台 同轴安装，二者同时转动，测得光栅转过 的栅距数就可测得转角。
激光干涉小角度测量 图2为激光干涉小角度测量的原理图，系统 转动角度的主要测量装置是迈克而逊干涉 仪，但由于迈克耳逊干涉仪中光程差的改 变是靠平行移动反射镜来达到的，因此在 用它来测量角度时必须要有合适的转换装 置。激光干涉小角度测量法测量范围大约 在几度以内。
环形激光器已发展成为在360°整周 角度范围内的高测量精度和高测量 分辨力的角度和角速度传感器，在 整周角度测量中，环形激光器被认 为优于目前其他技术，该方法的缺 点是只能实现动态测量，对测量条 件要求很高，但该方法在动态整周 角度测量方面是一个非常有前途的 发展方向。
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传教士利玛窦带来的角度概念，打破了这 种局面，他和徐光启合作翻译的《几何原 本》给出了角的一般定义，描述了角的分 类及各种情况、角的表示方法，以及如何 对角与角进行比较。这对于角度概念的建 立是非常重要的。通过利玛窦的传播，我 们接受了360°圆心角分度体系，从而有 了表示角度大小的单位划分：有了比较就 能进行测量，有了统一的单位制度，这种 测量就能发展成为计量。
角度计量是几何量计量技术的重要组 成部分，发展较为完备。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。本文 以角度计量的发展历程为线索，对光 学测角方法中的圆光栅测角法、激光 干涉测角法和环形激光测角法分别进 行了详细的介绍。
中国古代只有角度测量，不存在角度计量。 在传统测量中，人们根据在实际中所遇到 的问题来规定特定的角度体系，在进行方 位测量时，古人一般情况下是用子、丑、 寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、 亥这十二个地支来表示12个地平方位 。
图4.双平面镜法实现任意角度测量
环形激光测角正是应用了 Sagnac效应，即 环形腔体内两束相反方向传播的光由于环 路的转动引起光频率的改变，相对频率的 变化等同于光程差，这两束光汇合后发生 干涉，通过计算干涉条纹或测量频率差即 可得到光程差 Δ L，从而得到旋转角速率。
环形激光测角的基本原理如图5所示。 当被检量具和环形激光器相对于静止 的光电自准直仪同步转动时，在瞄准 轴与量具棱面发现相重合的瞬间，被 测角度转换成由光电流触发和停止脉 冲所需的时间间隔，接口装置在此间 隔内对环形激光脉冲读数。
图5.环形激光测角法原理
圆光栅在角度测量中的应用非常广泛，可 实现任意角度测量。其优点是静态测量准 确度高、稳定可靠，缺点是对光栅与转台 的对心准确度要求较高，高准确度光栅的 制作加工困难，动态测量时分辨力很难保 证。
激光干涉测角法的最大优点是测量精度 高，小角度测量已经达到了极高的准确 度，在静态和动态测量的条件下也具有 结构简单、稳定性好、仪器智能化等许 多优点，作适当的改进，消除误差因素 可进行整周角度测量。双平面镜法可以 实现360°任意角度的测量，但其存在的 主要问题是平面镜的表面形貌和两平面 镜的直角误差都会对测量结果产生影响， 另外机械导杆的运动平稳度也会使结果 产生偏差，需要用算法进行修正。