一种弓形架系统几何性能的误差检测方法与流程

本发明属于微波测试领域，尤其涉及一种吸波材料反射率测量用弓形架系统几何性能的误差检测方法。

背景技术：

弓形法是目前应用最广泛的吸波材料反射率的测量方法之一。弓形架是弓形法反射率测量系统的硬件主体，起着固定收发天线、改变收发天线的入射角度、并调节收发天线之间、收发天线与被测样板之间的距离满足远场条件等作用。

常见的弓形架有半圆型弓形架、“7”字弓形架、“t”型卧式弓形架等。弓形架系统是一个复杂的多维度系统，可实现入射角度、r径向、天线姿态(包括高度、俯仰、旋转、倾斜等)、样板支架姿态(包括纵向、横向、俯仰、倾斜、旋转等)等调节。虽然弓形架的形式各种各样，但它们的设计目标是一致的，采用手动或自动控制方式实现了多维度调节。但实际上由于装配、加工公差、控制信号漏帧等将会导致实际调节精度低于设计目标，特别在毫米波频段反射率弓形法测量中，对弓形架的几何定位要求更加严格。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决弓形架系统几何性能难以准确测量的问题，本申请实施例提供了一种弓形架系统几何性能的误差检测方法。

本申请实施例提供了一种弓形架系统几何性能的误差检测方法，所述弓形架系统包括弓形架、发射天线、接收天线、被测样板和样板支架，所述弓形架具有上弓形臂和下弓形臂，所述发射天线和接收天线安装在所述上弓形臂和下弓形臂上，所述弓形架具有半圆形轨道，所述半圆形轨道安装在所述半圆形底座上，所述上弓形臂和下弓形臂的一端与所述半圆形轨道圆点处的中心轴活动连接，另一端可沿所述半圆形轨道移动，所述中心轴上安装有测量所述上弓形臂和下弓形臂旋转角度的相对角编码器，所述被测样板安装在所述样板支架上，所述弓形架和被测样板相对放置，其特征在于，包含以下步骤：测量所述半圆形底座平面度；检测所述上弓形臂和下弓形臂角度的控制精度；测量发射天线和接收天线输出端口距被测样板中心的距离；检测所述发射天线和接收天线与被测样板高度的一致性；测量所述发射天线和接收天线俯仰角，旋转角和倾斜角；测量所述样板支架俯仰角、旋转角和倾斜角；检测所述样板支架的表面位于所述弓形架中心。

进一步地，所述测量发射天线和接收天线输出端口距被测样板中心的距离，包含以下步骤：在所述天线支架上安装激光测距仪；发射激光到被测样板中心；调整所述激光测距仪位置，使激光焦斑位于被测样板中心线上；所述距离等于所述激光测距仪读数减去激光测距仪距天线口径的距离，再加上天线的总长度。

进一步地，所述测量半圆形底座平面度，包含以下步骤：将水平仪沿所述半圆形底座移动；观察水平仪的最大移动量。

进一步地，所述上弓形臂和下弓形臂角度的控制精度等于安装在所述中心轴处的相对角编码器的分辨精度。

进一步地，所述评估发射天线和接收天线与被测样板高度的一致性，包含以下步骤：在所述发射天线和接收天线上安装水平激光仪；调整水平激光仪水平；调整所述发射天线和接收天线与被测样板的高度，使所述水平激光仪发射的激光在所述被测样板的水平中心线上；高度的调节误差等于激光光束线宽与水平激光仪精度之和。

进一步地，所述发射天线和接收天线俯仰角测量，包含以下步骤：在所述发射天线和接收天线支架底座上，沿发射天线和接收天线的放置方向，选择多个位置进行测量；调整所述支架底座姿态，使所述数显倾角仪测量值为零；测量误差为所述倾角仪的测量精度。

进一步地，所述发射天线和接收天线旋转角测量，包含以下步骤：在发射天线和接收天线支架底座上，沿发射天线和接收天线垂直方向选择多个位置进行测量；调节所述支架底座的姿态，使数显倾角仪测量值为零；测量误差为所述倾角仪的测量精度。

进一步地，所述样板支架旋转角的测量，包含以下步骤：在所述中心轴内嵌光标激光仪；在所述样板支架的下边框上做定位标记；调节样板支架使所述激光仪的十字光标信号与所述定位标记重合；样板支架旋转角测量误差为激光线宽度和所述定位标记宽度引入的误差。

进一步地，样板支架倾斜角的测量，包含以下步骤：将数显倾角仪分别置于样板的上、下、左和右边框上；调节使测量值为零；倾斜角误差为数显倾角仪的测量误差。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请为弓形架系统的几何性能评估提供了方法，提高了系统调节的精度，验证了弓形架的各个维度，为后期弓形架几何误差对反射率测量结果不确定度的影响提供依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：

图1是弓形架系统示意图；

图2是中心轴示意图；

图3是弓形架系统几何性能的误差检测方法；

图4是激光测距仪安装示意图；

图5是焦斑偏移示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1是一种弓形架系统示意图，所述弓形架系统包括弓形架101、发射天线102、接收天线103、被测样板104和样板支架105，所述弓形架具有上弓形臂106和下弓形臂107，所述发射天线102和接收天线103分别安装在所述上弓形臂和下弓形臂上，所述弓形架具有半圆形轨道108，所述半圆形轨道安装在所述半圆形底座109上，所述上弓形臂和下弓形臂的一端与所述半圆形轨道圆点处的中心轴110活动连接，另一端可沿所述半圆形轨道移动，所述中心轴上安装有测量所述上弓形臂和下弓形臂旋转角度(θ1和θ2)的相对角编码器111，所述被测样板安装在所述样板支架上，所述弓形架和被测样板相对放置。

图2是中心轴示意图，所述中心轴上安装有上弓形臂106，下弓形臂107，相对角编码器111，上臂双向法兰201和下臂双向法兰202，在所述弓形架装置坐标系中，相对于主轴中心来说，初始零位位置固定，将相对角编码器的参考位置与主轴的初始零位装配，保证初始零位的准确，该部分误差可忽略。主轴延伸双向法兰，上弓形臂与上臂双向法兰上面螺纹连接，下弓形臂与下臂双向法兰上面螺纹连接，相对角编码器与上臂双向法兰和下臂双向法兰的下面螺纹连接。

图3是弓形架系统几何性能的误差检测方法，包含以下步骤：

步骤301：测量所述半圆形底座平面度。

所述测量半圆形底座平面度，包含以下步骤：

将水平仪沿所述半圆形底座移动；

观察水平仪的最大移动量。

优选地，所述水平仪为框式水平仪，框式水平仪测量弓形架底座的最大移动量为±6个格。则弓形架底座平面度为0.0432°。

步骤302：检测所述上弓形臂和下弓形臂角度的控制精度。

所述上弓形臂角度θ1和下弓形臂角度θ2采用相对角编码器进行测量，测量误差主要有以下来源：第一，相对角编码器初始位置引入的误差；第二，装配误差引入的误差；第三，相对角编码器的分辨力引入的误差。

在所述弓形架装置坐标系中，相对于主轴中心来说，初始零位位置固定，将相对角编码器的参考位置与主轴的初始零位装配，保证初始零位的准确，该部分误差可忽略。主轴延伸双向法兰，上弓形臂与上臂双向法兰上面螺纹连接，下弓形臂与下臂双向法兰上面螺纹连接，相对角编码器与上臂双向法兰和下臂双向法兰的下面螺纹连接，该部分引入的误差可根据加工误差评估进行计算。上弓形臂、下弓形臂和相对角编码器与主轴之间过盈配合，经分析该部分误差可忽略，因此，上弓形臂和下弓形臂角度的控制精度可认为是相对角编码器的分辨力，即所述上弓形臂和下弓形臂角度的控制精度等于安装在所述中心轴处的相对角编码器的分辨精度。

相对角编码器的分辨力为0.017556°，则入射角度的控制精度约为0.018°。

步骤303：测量发射天线和接收天线输出端口距被测样板中心的距离；

发射天线和接收天线输出端口距被测样板中心的距离称为弓形半径，采用激光测距仪进行测量。

所述测量发射天线和接收天线输出端口距被测样板中心的距离即弓形半径，包含以下步骤：在所述天线支架上安装激光测距仪；发射激光到被测样板中心；调整所述激光测距仪位置，使激光焦斑位于被测样板中心线上；所述距离等于所述激光测距仪读数减去激光测距仪距天线口径的距离，再加上天线的总长度。

步骤304：检测所述发射天线和接收天线与被测样板高度的一致性；

所述评估发射天线和接收天线与被测样板高度的一致性，包含以下步骤：在所述发射天线和接收天线上分别安装水平激光仪；调整水平激光仪水平；调整所述发射天线和接收天线与被测样板的高度，使所述水平激光仪发射的激光在所述被测样板的水平中心线上；高度的调节误差等于激光光束线宽与水平激光仪精度之和。

采用水平激光仪ls628测量发射天线、接收天线与校准样板中心高度一致性，首先调节水平激光仪ls628水平，调节发射天线、接收天线和样板支架的高度，使水平激光线在所述被测样板的水平中心线上。测量误差为线宽和示值读数之和，约为0.5mm。

步骤305：测量所述发射天线和接收天线俯仰角，旋转角和倾斜角；

所述发射天线和接收天线俯仰角测量，包含以下步骤：在所述发射天线和接收天线支架底座上，沿发射天线和接收天线的放置方向，选择多个位置进行测量，优选地，选择四个位置；调整所述支架底座姿态，使所述数显倾角仪测量值为零；测量误差为所述倾角仪的测量精度。

选用数显倾角仪dil-3(350712559)测量发射天线和接收天线俯仰角度，在天线支架底座上与天线放置平行方向选择四个位置分别进行俯仰角度测量，经过精密调节使上弓形臂天线底座测量值分别为0.00°、0.00°、0.00°、0.00°和下弓形臂天线底座测量值分别为0.00°、0.00°、0.00°、0.00°。因此俯仰角测量误差为倾角仪的测量精度，即0.15°。

所述发射天线和接收天线旋转角测量，包含以下步骤：在发射天线和接收天线支架底座上，沿发射天线和接收天线垂直方向选择多个位置进行测量，优选地，选择三个位置；调节所述支架底座的姿态，使数显倾角仪测量值为零；测量误差为所述倾角仪的测量精度。

选用数显倾角仪dil-3(350712559)测量发射天线和接收天线旋转角度。在天线支架底座上与天线放置垂直方向选择三个位置分别测量，通过调节底座的姿态使得上臂天线底座测量值分别为0.00°、0.00°、0.00°和下臂天线底座测量值分别为0.00°、0.00°、0.00°。因此旋转角测量误差为0.15°。

所述发射天线和接收天线倾斜角不太容易测量，常见测量方法是采用激光定位器进行定位，将激光定位器通过工装固定在发射天线和接收天线上，并与天线几何中心(相位中心)保持一致，将激光光束投射在被测样板上，显示出两个光斑。通过判断两个光斑的距离和弓形半径可得到发射天线和接收天线的偏离角度。该方法存在工装误差、光斑偏差误差等，且若天线相位中心与几何中心偏离，则该方法难以判断。

本申请采用传输测量方法确定收发天线位置：首先固定接收天线，在-90°～+90°范围旋转发射天线，寻找此时发射天线和接收天线之间传输幅度值的最大值，最大值所对应的收发天线位置即为收发天线对准位置，此时天线倾斜角度可忽略。

步骤306：测量所述样板支架俯仰角、旋转角和倾斜角；

所述样板支架俯仰角，采用样板支架自带数显倾角仪测量，测量精度为数显倾角仪的测量误差。采用样板支架自带数显倾角仪测量其俯仰角度，测量精度约为0.15°。

所述样板支架旋转角的测量，包含以下步骤：在所述中心轴内嵌光标激光仪；在所述样板支架的下边框上做定位标记；调节样板支架使所述激光仪的光标信号与所述定位标记重合；样板支架旋转角测量误差为激光线宽度和所述定位标记宽度引入的误差。

优选地，所述激光仪为十字光标激光仪，所述定位标记为“十”字。通过十字光标法确定样板支架旋转角测量测量误差约为0.4°。

所述样板支架倾斜角的测量，包含以下步骤：将数显倾角仪分别置于样板的上、下、左和右边框上；调节使测量值为零；倾斜角误差为数显倾角仪的测量误差。

被测样板安装于样板支架上，将数显倾角仪dil-3(350712559)分别置于被测样板上边框和下边框，调整其测量值为0.00°、0.00°；然后将数显倾角仪dil-3(350712559)置于被测样板的左边框和右边框，调整其测量值为0.00°、0.00°。倾斜角误差可认为是数显倾角仪的测量误差0.10°。

步骤307：检测所述样板支架的表面位于所述弓形架中心。

所述评估样板支架表面位于弓形架中心，包含以下步骤：沿所述半圆形轨道移动所述上弓形臂和下弓形臂，同时调整样板支架位置，使激光测距仪的焦斑位于样板支架中心线上。

图4是激光测距仪安装示意图。优选地，所述发射天线和接收天线为喇叭型天线。将所述激光测距仪401安装在天线的支架座402上，调整激光测距仪位置，使激光测距仪的焦斑位于样板支架中心线上，所述天线支架座分别固定在上弓形臂和下上弓形臂上，当上弓形臂和下弓形臂沿圆周向或径向移动时，激光测距仪随之一起移动。在移动过程中，要求激光测距仪的焦斑始终位于样板支架中心线上。天线的输入端口403可认为是相位中心，天线长度l固定不变，测量激光测距仪安装位置距天线口径面404距离为a，测量激光测距仪距被测样板距离为b，则弓形半径为b-a+l。

按照上述方法分别测量上弓形臂和下弓形臂在不同入射角度、不同位置时的弓形半径以及定位重复性。测距主要存在三项误差来源：激光测距仪精度、光栅分辨力和测量重复性，综合测量结果和误差分析可得到弓形半径精度。

在发射天线、接收天线和样板支架高度调节一致的前提下，两个激光测距仪的焦斑并未重合，这是由于激光测距仪内部光源安装高度不一致所致。这种情况并不影响弓形半径的测量。

采用激光测距仪测量弓形半径，上臂弓形半径测量数据和下臂弓形半径测量数据分别如表1～4所示。激光测距仪精度1.25mm和光栅分辨力1μm和测量重复性约为1.6μm，因此弓形半径精度约为1.25mm。

表1.上臂弓形半径测量数据一

表2.上臂弓形半径测量数据二

表3.下臂弓形半径测量数据一

表4.下臂弓形半径测量数据二

优选地，采用laisai激光仪发射竖直激光线位于样板支架中心，依靠激光线来标注样板支架中心的位置。

图5是焦斑偏移示意图。包括焦斑一501，焦斑二502，焦斑三503，焦斑一为一个激光测距仪在在样板支架中心线上时的留下的焦斑，焦斑二和焦斑三为一个激光测距仪焦斑偏移量最大时的焦斑。所述激光测距仪固定径向位置，沿所述半圆形轨道移动所述上弓形臂和下弓形臂，同时调整样板支架位置，使激光测距仪的焦斑位于样板支架中心线上，可认为样板支架表面位于弓形架中心。如果样板支架偏离弓形架中心位置，则发射天线改变入射角度时，焦斑将发生偏移。实际测量时由于装配、弓形轨道不一致等原因，弓形臂转动时焦斑不可能固定不动。通过调整样板支架前后位置，使得上弓形臂和下弓形臂的入射角度改变时，激光测距仪的焦斑偏移量最小，并在可允许的误差之内。样板支架参考面偏离弓形架中心导致的焦斑偏移，实际上是影响了弓形半径的测量。在-90度～+90度范围内移动弓形臂，记录焦斑偏移量x最大时弓形臂的两个位置，对应的激光测距仪在两个位置的测量值l1和l2。通过三角形辅助线可以求解弓形半径r，该过程对弓形半径引入的误差约为2mm。

本申请提供了一种“t”型卧式弓形架的几何性能评估方法，解决了x波段吸波材料反射率测量所用“t”型卧式弓形架的几何性能难以准确测量的问题，对其它频段“t”型卧式弓形架的几何性能评估及半圆型弓形架、“7”字弓形架的几何性能评估提供了参考依据。弓形架几何性能评估验证了弓形架的各个维度，为后期分析弓形架几何误差对反射率测量结果不确定度的影响提供了依据。通过上述方法评估了反射率弓形架系统的几何性能，可以在后续反射率指标评定工作中评估其影响量。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。