轴系角晃动误差检测方法

轴系角晃动误差检测方法

在光电仪器跟踪架中，轴系的角晃动误差属于微小角度变化。角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，特别是微角度测量被广泛应用于工业、军事、航空、航海和通讯等许多领域。小角度测量目前发展较为完备，各种测量手段的综合运用使测量准确度达到了很高的水平。小角度测量最早使用的是机械式和电磁式测角机构，如多齿分度台和圆磁栅等，这些测角方法大多为手工测量，不容易实现自动化，容易带进人为操作误差而使测量精度受到限制。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源的发展使工业现场测量成为可能，因此使光学测角法的应用越来越广泛，各种新的光学测角方法也应运而生。

以下为几种常用的小角度光学测量方法：

1）圆光栅测角法

圆光栅测角法是角度测量中常用的方法之一，该方法主要用于静态下的相对角度测量。该方法的特点是作为角度测量基准的光栅可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。圆光栅测角法的测量原理是将两个圆光栅与转台同轴安装，两个读数头一个固定，一个随轴连续旋转，测光栅转过的栅距数来测量转角。目前国内通常采用64800对线的圆光栅系统，分辨率为0. 001′′，按95 %置信度水平确定系统的测量精度

为0.05′′。圆光栅法测角的缺点是生产高精度的光栅非常困难，动态测量时的精度无法保证，光栅和转轴的同轴度要求很严格。2）光学内反射小角度测量法

光从光密介质传到光疏介质时，当入射角大于临界角时发生全反射现象。内反射法小角度测量就是利用在全反射条件下入射角变化时反射光强的变化关系，通过反射光强的变化来测量入射角的变化。此种方法适用于尺寸受限制的空间小角度测量，结构简单、成本低。但这种方法直接利用探测到的光强进行测量，对环境和光源的稳定性有较高的要求。

3）环形激光测角法

环形激光器可以在360 °整周角度范围内进行测量，具有高测量精度和高测量分辨力，在惯性导航和角速度定位方面有重要的用途。环形激光是目前转速测量准确度最高的方法，转速测量相对准确度可达到0.000001该测角方法有以下优点：

（1）容易实现自我校正，可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子，从而减少测量误差。

（2）可以实现高速转轴的角度测量，动态响应范围宽。

（3）可以同时测量出转速和转角，还可以测量瞬态转速。

缺点是加工工艺难以保证，成本高，对环境要求非常严格，

4）激光干涉测量法

激光干涉测量法的原理是：将直接测量物体转动的微小角度转化为测量物体的反射光与参考光之间的光程差。干涉测量法可以精确到光波波长的几分之一或更高，是目前精度最高的微小角度测量方法。但由于仪器结构特别复杂，对环境要求极高，难以实现现场实测，此种方法通常只作为测量基准。

5）自准直法

自准直法是以光束投射到被测物体上，通过入射和反射光束之间的位移变化量来测量物体转动的微小角度。自准直方法比较简单，在场地没有限制的场合应用较为方便。下图所示为自准直测角原理图。

图中1 为反射镜；2 为物镜；3 为分划板；f 为物镜2 的焦距。

点光源a 在物镜2 的光轴上，其发出的光经物镜后为一束平行光线，此平行光线遇到反射镜1，此时如果反射镜面垂直于平行光线（物镜

2 的光轴），光线按照原路返回，经物镜2 在分划板

3 上成像在a 点处；当反射镜面与物镜光轴之间有夹角α时，反射光线与原光线

之间的夹角为α2 ，经物镜2 后成像在图中b 点处，则a、b 点之间的距离为t，称为偏移量：

当角度α很小时，可近似为：

由此即可推导出t、α之间的关系，由此在分划板上根据距离标定偏转角，即可直接读出偏转角度的大小。通过对现有微小角度测量方法的了解学习，自准直测量法相对简单，仅用一台自准直仪即可进行测量，而目前自准直仪的精度较高，分辨率达到0. 1′′。