光學角度測量技術

光學角度測量是高精度動態角度測量的一種有效的解決途徑。對目前發展較快的幾種角度測量的光學方法----圓光柵測角法、光學內反射小角度測量法、激光干涉測角法和環形激光測角法進行了詳細的介紹，并且分別給出了每種方法的測量原理和發展現狀，比較了各種方法的優缺點，給出了每種方法的應用場合和發展前景。

光學角度測量技術引言

角度測量是幾何量計量技術的重要組成部分，發展較為完備，各種測量手段的綜合運用使測量準確度達到了很高的水平。角度測量技術可以分為靜態測量和動態測量兩種。對于靜態測量技術來說，目前的主要任務集中在如何提高測量精度和測量分辨力上。隨著工業的發展，對回轉量的測量要求也越來越多，因此人們在靜態測角的基礎上，對旋轉物體的轉角測量問題進行了大量的研究，產生了許多新的測角方法。

光學角度測量技術圓光柵測角法

圓光柵是角度測量中常用的器件之一。作為角度測量基準的光柵可以用平均讀數原理來減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數誤差，因此其準確度高、穩定可靠。但在動態測量時，在10r/s 的轉速下，要想達到1'的分辨率都非常困難。目前我國的國家線角度基準采用64800線/周的圓光柵系統，分辨率為0.001''，總的測量不確定度為0.05''。該測量方法主要是在靜態下的相對角度測量。英國國家物理實驗室（NPL）的E W Palmer 介紹了一臺作為角度基準的徑向光柵測角儀，如圖1所示，既可用于測角，又可用于標定。其原理是利用兩塊32400線的徑向光柵安裝在0.5r/s 的同一個軸套上，兩個讀數頭一個固定，一個裝在轉臺上連續旋轉，信號間的相位差變化與轉角成正比。儀器中用一個自準直儀作為基準指示器，可以測得JUEDUI角度，利用光柵細分原理可測360度范圍內的任意角度，附加零伺服機構可以對轉臺進行實時調整，限制零漂。用干涉儀作為讀數頭，可進行高精度測量。按95%置信度水平確定其系統誤差的不確定度為0.05''.

光學內反射小角度測量法

光從光密介質傳到光疏介質時，當入射角大于臨界角時發生全反射現象。內反射法小角度測量就是利用在全反射條件下入射角變化時反射光強的變化關系，通過反射光強的變化來測量入射角的變化的。由于入射角在臨界角附近線性較好，隨著入射角的微小變化，反射光的強度發生急劇變化，因此測量時通常定義一個臨界角附近的初始角θ ，被測角為相對于該初始角的角位移Δθ，這樣就可以充分利用臨界角附近靈敏度較高的特點，進行小角度的高精度測量。該測量方法存在的一個問題是入射角和反射光強之間的關系是非線形的，靈敏度因此受到限制。為了減小函數非線性對測量結果的影響，采用差分式測量，其原理如圖3所示，首先分別測出θ0+Δθ和θ0 -Δθ的反射光強的變化，然后用線性化公式進行處理，以得到相應的角度值。內反射法是由P S Huang等人提出來的，用該方法制成的測角儀體積可以做得很小，因此特別適用于尺寸受限制的空間小角度的在線測量，而且結構簡單，成本低。測量的靈敏度取決于初始入射角和全反射的反射次數，增加反射次數可以提高靈敏度，提高分辨力，但測量范圍就相應變小。因此P S Huang等人又在此基礎上制成了多次反射型臨界角角度傳感器，用加長的臨界角棱鏡代替圖3的直角棱鏡以增加反射次數，如圖4所示。該儀器可用于表面形貌、直線度、振動等方面的測量。在測量角度方面，以3弧分范圍內的分辨力為0.02弧秒。在接下來的工作中，P S Huang 等人又將其測角范圍擴大到30弧分，輸出信號峰－峰值的漂移小于0.04弧秒。該儀器的缺點是成本高,加長的臨界角棱鏡加工困難。TAIWAN的National Chiao Tung University的Ming-Hong chin等人在此原理基礎上，提出了全內反射外差干涉測角方法。用外差干涉測角方法。用外差干涉儀測量S偏振光和P偏振光之間的相位差，將傳感器的測角范圍擴大到10。，分辨力隨入射角的大小變化，高分辨力可達8×1 0－5度。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dong Zhou等人采用差動共光路結構，大大提高了系統的線性，并獲得了0.3角秒的佳分辨力。天津大學和日本東北大學在這方面也進行了一些研究。

激光干涉測角法

角度可以表示為長度之比，長度的變化可以用激光干涉法在角度測量中得到廣泛的運用。干涉測角法不僅可以測量小角度，而且也可以測量整周角度。

激光干涉小角度測量

干涉小角度測量的基本原理可以表示成圖5的形式。采用邁克爾遜干涉原理，用兩路光程差的變化來表示角度的變化，經角錐棱鏡反射的一路光的光程隨著轉角的變化而變化，因此干涉條紋也發生相應的移動，測得條紋的移動量，就可測得轉臺的轉角。在此原理基礎只上發展起來的角度測量系統都致力于光路結構的改進和消除各種誤差因素的影響。經過改進后可以測量大約90度的角度，但各種誤差因素隨著所測角度的增加而急劇增加，因此該系統的測量范圍限制在幾度內，在此范圍內具有很高的測量準確度。這種技術已經發展得非常成熟，美國、日本、德國、俄羅斯等國家早已將激光干涉小角度測量技術作為小角度測量的國家基準。為了消除轉盤徑向移動對角度測量的影響，采用如圖6所示的測量光路，用兩個角錐棱鏡形成差動測量，大大提高了系統的線性和靈敏度。為了增加干涉儀抗環境干擾的能力，可以采用雙頻激光外差干涉測量法，用雙頻激光代替普通光源。用這種方法測量平面角，靈敏度可達0.002''。