光学角度测量技术

引言

　　角度测量是几何量计量技术的重要组成部分，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。角度测量技术可以分为静态测量和动态测量两种。对于静态测量技术来说，目前的主要任务集中在如何提高测量精度和测量分辨力上。随着工业的发展，对回转量的测量要求也越来越多，因此人们在静态测角的基础上，对旋转物体的转角测量问题进行了大量的研究，产生了许多新的测角方法。

圆光栅测角法

　　圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。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。但在动态测量时，在10r/s 的转速下，要想达到1'的分辨率都非常困难。目前我国的国家线角度基准采用64800线/周的圆光栅系统，分辨率为0.001''，总的测量不确定度为0.05''。该测量方法主要是在静态下的相对角度测量。英国国家物理实验室（NPL）的E W Palmer 介绍了一台作为角度基准的径向光栅测角仪，如图1所示，既可用于测角，又可用于标定。其原理是利用两块32400线的径向光栅安装在0.5r/s 的同一个轴套上，两个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比。仪器中用一个自准直仪作为基准指示器，可以测得角度，利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。用干涉仪作为读数头，可进行高精度测量。按95%置信度水平确定其系统误差的不确定度为0.05''.

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的。由于入射角在临界角附近线性较好，随着入射角的微小变化，反射光的强度发生急剧变化，因此测量时通常定义一个临界角附近的初始角θ0 ，被测角为相对于该初始角的角位移Δθ，这样就可以充分利用临界角附近灵敏度较高的特点，进行小角度的高精度测量。该测量方法存在的一个问题是入射角和反射光强之间的关系是非线形的，灵敏度因此受到限制。为了减小函数非线性对测量结果的影响，采用差分式测量，其原理如图3所示，首先分别测出θ0+Δθ和θ0 -Δθ的反射光强的变化，然后用线性化公式进行处理，以得到相应的角度值。内反射法是由P S Huang等人提出来的[18]，用该方法制成的测角仪体积可以做得很小，因此特别适用于尺寸受限制的空间小角度的在线测量，而且结构简单，成本低。测量的灵敏度取决于初始入射角和全反射的反射次数，增加反射次数可以提高灵敏度，提高分辨力，但测量范围就相应变小。因此P S Huang等人又在此基础上制成了多次反射型临界角角度传感器，用加长的临界角棱镜代替图3的直角棱镜以增加反射次数，如图4所示。该仪器可用于表面形貌、直线度、振动等方面的测量。在测量角度方面，以3弧分范围内的分辨力为0.02弧秒。在接下来的工作中，P S Huang 等人又将其测角范围扩大到30弧分，输出信号峰－峰值的漂移小于0.04弧秒[19,20]。该仪器的缺点是成本高,加长的临界角棱镜加工困难。台湾的National Chiao Tung University的Ming-Hong chin等人在此原理基础上，提出了全内反射外差干涉测角方法。用外差干涉测角方法。用外差干涉仪测量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角范围扩大到10。，分辨力随入射角的大小变化，分辨力可达8×1 0－5度[21]。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dong Zhou等人采用差动共光路结构，大大提高了系统的线性，并获得了0。3角秒的分辨力【22】。天津大学和日本东北大学在这方面也进行了一些研究[23]。

激光干涉测角法

　　角度可以表示为长度之比，长度的变化可以用激光干涉法在角度测量中得到广泛的运用。干涉测角法不仅可以测量小角度，而且也可以测量整周角度。4.1 激光干涉小角度测量

　　干涉小角度测量的基本原理可以表示成图5的形式。采用迈克尔逊干涉原理，用两路光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角[24]。在此原理基础只上发展起来的角度测量系统都致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。经过改进后可以测量大约90度的角度，但各种误差因素随着所测角度的增大而急剧增加，因此该系统的测量范围限制在几度内，在此范围内具有极高的测量准确度。这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准[25]。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如图6所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增加干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角，灵敏度可达0.002''[26]。