通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种通用水平转台绝对角度和旋转角度的测 量方法。本发明具有操作简单，角度测量范围广，范围精度高等优点。
【背景技术】
[0002] 随着制造技术的不断发展，超精度回转工作台的分度精度可以低于，但这种回转 工作台成本较高，加工难度也比较大；而通用的水平转台成本较低，但分度精度只有，因此 亟需一种高精度的通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法，用于对低精度通用水平 转台绝对角度和旋转角度进行测量，使他们具有较高的工作精度。
[0003] 在现有的机械角度的标定技术中，英国Renishaw公司将激光干涉仪的小角度附 件与端齿盘等结合，用于回转工作台位置精度的检测。但在实际使用中，由于端齿盘的转动 需要一个往复上下的运动，测量激光束不易对准。北京信息科技大学的科研人员提出了使 用光电自准直仪测量回转工作台定位精度的方法，使数控回转工作台与光学多面棱体一起 绕数控回转工作台同轴旋转，将采集到的像素距离代入由双频激光干涉仪对光电自准直仪 进行标定而获得角度标定公式，从而计算旋转角度的误差。这种方法标定时要用到双频干 涉仪，激光干涉仪侧角范围小，对使用环境要求苛刻，无法广泛应用于转台角度测量中。
[0004] 在高精度科学实验尤其是在光栅对组成的压缩器中，对光束入射角度有很高的要 求，现有的方法是采用量角器来确定光束入射角，操作过于简单，误差比较大。
[0005] 因此，需要一种操作简单、精度高的通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方 法。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种通用水平转台绝对角度和旋转 角度的测量方法。该方法特别适用于工业和科研中绝对角度和旋转角度的精密校正和测 量，具有操作简单，角度测量范围广，范围精度高等优点。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] 一种通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法，其特征在于该方法包括如下 步骤：
[0009] 1)建立测量光路：该测量光路包括宽带光源，沿该宽带光源的激光输出方向依次 是孔径光阑、衰减片、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、角锥，经所述的角锥的反射光方向 依次是第二反射镜、第一反射镜、分光镜、聚焦透镜、探头、光纤、光纤光谱仪，所述的光纤光 谱仪的输出端与计算机的输入端相连，利用所述的光纤光谱仪测量记录宽带光源输出光的 光谱，微调第一反射镜和第二反射镜使所述的光纤光谱仪测得的光谱强度最大；
[0010] 2)移除角锥，旋转通用水平转台至零刻度位置，旋转次数η记为零，即η = 0,此 时通用水平转台初始角度Stl= 0,将反射式衍射光栅放置在所述的通用水平转台上，且所 述的反射式衍射光栅的光栅条纹垂直于通用水平转台的台面，调整所述的反射式衍射光栅 相对第二反射镜输出光路的角度姿态直到所述的光纤光谱仪测得尖锐的满足利特罗角条 件的光谱信号；
[0011] 3)确定所述的反射式衍射光栅光栅的初始角度：计算机利用如下光栅方程
[0012]
【主权项】
1. 一种通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法，其特征在于该方法包括如下步 骤： 1) 建立测量光路：该测量光路包括宽带光源（1)，沿该宽带光源（1)的激光输出方向依 次是孔径光阑（2)、衰减片（3)、分光镜（4)、第一反射镜（5)、第二反射镜（6)、角锥（7)，经 所述的角锥（7)的反射光方向依次是第二反射镜(6)、第一反射镜（5)、分光镜（4)、聚焦透 镜（10)、探头（11)、光纤（12)、光纤光谱仪（13)，所述的光纤光谱仪（13)的输出端与计算 机（14)的输入端相连，利用所述的光纤光谱仪（13)测量记录宽带光源⑴输出光的光谱， 微调第一反射镜（5)和第二反射镜（6)使所述的光纤光谱仪（13)测得的光谱强度最大； 2) 移除角锥（7)，旋转通用水平转台至零刻度位置，旋转次数η记为零，即η = 0,此 时通用水平转台初始角度Stl=O,将反射式衍射光栅（8)放置在所述的通用水平转台（9) 上，且所述的反射式衍射光栅（8)的光栅条纹垂直于通用水平转台（9)的台面，调整所述的 反射式衍射光栅（8)相对第二反射镜（6)输出光路的角度姿态直到所述的光纤光谱仪（13) 测得尖锐的满足利特罗角条件的光谱信号； 3) 确定所述的反射式衍射光栅（8)光栅的初始角度：计算机（14)利用如下光栅方程 2??χ\φ,λ =A1 计算出此时第二反射镜（6)输出光路相对于所述的反射式衍射光栅（8)的入射角： φη =arcsin(/L/2c/) 其中，d为光栅常数，A1为峰值波长，9?为利特罗角，即此时反射式衍射光栅（8)相 对第二反射镜（6)输出光路的入射角； 4) 计算绝对角度测量值：令所述的通用水平转台（9)的旋转次数为η = n+1，第η次旋 转所述的通用水平转台（9)至第η个非零刻度处，对应的刻度值为αη，所述的光纤光谱仪 (13)将测得另一峰值波长λ 2，计算机（14)通过如下公式计算出通用水平转台（9)的第η 次的旋转角度Δ θ η: Δ 0n=arcsin(A 2/2d)-arcsin ( λ ^2(1) 累积的旋转角度
所述的通用水平转台（9)的第η个非零刻度对应的绝对角度测量值θη为初始角度 和累积的旋转角度Δ Θ之和； 5) 将步骤4)得到的第η个非零刻度对应的绝对角度测量值0"与通用水平转台（9) 的第η个刻度值αη比较，得到所述的通用水平转台（9)第η个刻度值Θ "与绝对角度测量 值αη的误差； 6) 令所述的光纤光谱仪（13)的峰值波长为X1，当所述的光纤光谱仪（13)测得的光 谱信号靠近所述的宽带光源（1)光谱范围的一侧边缘时，则调整第一反射镜（5)或第二反 射镜（6)，直到光纤光谱仪（13)测得的光谱信号靠近宽带光源（1)光谱范围的另一侧边缘， 重新记录所述的光纤光谱仪（13)的峰值波长为λ 1; 7) 返回步骤4)，直至完成所述的通用水平转台（9)的360度绝对角度的测量； 8) 以所述的通用水平转台（9)刻度值为横坐标，对应的绝对角度测量值为纵坐标，作 出测量曲线，所述的通用水平转台（9)任意两个刻度之间的旋转角度△ Θ等于相对应的纵 坐标之差。
【专利摘要】一种通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法，测量系统包括宽带光源、孔径光阑、分光镜、反射式衍射光栅、平面镜对、聚焦透镜、光纤光谱仪和计算模块。所述方法包括：宽带光源输出光束透过分光镜和平面镜对被光栅衍射返回；衍射光被分光镜反射取样，经透镜聚焦后进入光纤光谱仪；光纤光谱仪采集光谱信息；计算机根据采集的光谱峰值波长确定入射光束在光栅上的入射角，即入射光束与反射式衍射光栅间的绝对角度；确定通用水平转台初始角度，旋转通用水平转台，根据峰值波长的变化确定旋转角度和绝对角度。本发明特别适用于工业和科研中绝对角度和旋转角度的精密校正和测量，具有操作简单，角度测量范围广，范围精度高等优点。
【IPC分类】G01B11-26
【公开号】CN104634280
【申请号】CN201510054221
【发明人】李帅, 李朝阳, 王乘, 李妍妍, 许毅, 陈运, 冷雨欣, 李儒新
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月3日