角度量的动态测量

第37卷，增刊红外与激光工程2008年4月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringApr.2008收稿日期：2008-03-06作者简介：孙方金(3)，男，浙江鄞县人，研究员，研究方向为几何量计量测试技术与仪器。

角度量的动态测量孙方金（北京航天计量测试技术研究所，北京100076）摘要：首先讨论了动态测量和动态量测量的概念。

针对急需解决的测量器具动态准确度的校准问题，提出了“陪测器具验证法”和“动静态比较法”；介绍了保证动态测量速度的几项措施，给出了动态测量设备的实例；并概述了动态测量结果的表达方法。

关键词：角度量；动态测量；面形误差中图分类号：TH74文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(几何量)-0006-05Dynamic measurement of anglesSUN Fang-jin(Beijing Aerospace Ins tit ute for Metrology and Measurement Technology,B eijing 100076,China)Abstr act:The conception of the dynamic measurement and the measurement of dynamic variable is discussed firstly .The “validation of accompaniment ”and the “dynamic-static comparison ”are presented aim ing at the adjustm ent of measuring appliances ’dynamic accuracy which needs to be solved extremely .Several techniques used to guarantee the dynamic measuring speed and examples of dynam ic measuring appliances are presented.The expression of measuring results in dynamic m easurement is also summ arized.Key wor ds:Angle;Dynamic measurement;Surface error1动态测量和动态量测量动态测量是指以动态的方法对量值或参数进行测量。

采用动态测量法有以下3种目的。

（1）提高测量准确度图1是用于电子经纬仪的旋转光栅测角系统[1]。

图1旋转光栅测角系统Fig.1Circumrotate grating angle measuring system其特点是无论经纬仪是否转动，光栅盘都在作匀速转动，当光栅盘上的参考标记转到被固定读数头接收时开始计数，当转至被运动读数头接收时停止计数，记录的n T 0为粗测值；运动读数头的转动，还引起固定与运动读数头两路信号相位的相应变化，用相位细194-增刊孙方金：角度量的动态测量7分法测出相位差T ，为细分值，综合成被测角φ。

光栅盘每转一周，可以得到两个粗测值与512个细分值（光栅盘为1024线对时），依据圆分度误差闭合的原理：360°内连续相邻角误差之和为零，由于分度误差的量级在细分位上，因此512点平均的结果可以有效地减小光栅盘刻划误差的影响，使经纬仪的测角标准偏差（1σ）达0.5″。

（2）提高工作效率线角度分度元件的线数越多，应取的检测线数也越多，当检测圆光栅时，线数多达数万或十余万对，采用目视对线检测的方法是难以实现的，为提高工作效率采用了动态测量的办法，见图2。

标准光栅盘的直径较大，刻划准确度较高，并采用多读数头消差，产生标准信号；被检光栅盘以其读数头产生被检信号，两路信号输入相位计比相；或者标准光栅信号加细分成连续角，被检信号采样，轴系转一圈就可测出被检光栅盘的分度误差。

图2圆光栅检测系统示意图Fig.2Round grating checking system（3）测量被测件的动态性能精密轴系回转误差的测量，即在规定转速旋转时，轴系回转轴线的径向、轴向和角度漂移运动的测量；船上自调平工作台（稳定平台）调平误差的测量等。

为了提高准确度或工作效率而采用动态测量法，动态测量是手段而不是目的；转速等动态参数可由测量或设备研制部门自行规定，要求不严；所测的量值实质是静态量，是静态量的动态测量法。

而动态性能的测量，被测的是动态量，其动态参数是由被测件的技术条件规定的，必须达到；由于被测量值在不断变化，因此需测量规定时刻（如采样指令脉冲到达时）的实时值。

从计量角度，动态性能的测量宜称为“动态量测量”，定义为：“在规定的动态参数和测量不确定度条件下，当被测量的量值或参数随时间不断变化时，对其实时值的测量”。

因此动态量测量的要求及实测值都必须注明动态参数。

动态量测量是指被测的量值在“变”，而不是被测工件在“动”，例如：以规定转速作匀速转动的转台，如果被检参数是“角位置”，则是动态量测量，如是“角速率”，则是静态量测量；测量“角速率平稳度”时，虽然被测参数在变，但所用的“定时测角法”或“定角测时法”都采用了一定间隔的平均值，而不是实时值，因此也是静态量测量。

图1所示的旋转光栅测角系统也是静态量测量，因为如果运动读数头不停地转动，是测不出实时值的，需待运动读数头停转，光栅再转过一圈，即0.33s 后才有显示值。

因此动态测量是指测量方法，动态测量法既可用于测量动态量，也可用于测量静态量；而动态量测量是指被测的量值是动态量。

2测量器具动态准确度的校准方法开展动态测量，首先要解决的问题是测量器具、装置或系统动态准确度的校准，方法如下：（1）陪检器具验证法圆分度角检定或校准时，常用“排列互比法”[2]，这是一种“误差分离技术”，从同一组测量原始数据，可以分离出被检器具及陪检器具误差，在动态校准时，选用其分度角不受动态因素影响的计量器具作为陪检器具，如：正多面棱体，而且用静态检定方法，准确测出其分度角误差，与动态排列互比法校准分离出的该陪检器具的分度误差相比较，就可以验证被检器具的动态误差，因为分离得到的被检和陪检器具误差基本是“等精度”。

动态排列互比法校准，除了被检器具和陪检器具外，还必需有“指零器具”，指零器具对准陪检器具时，能发出指零脉冲，以输至被检器具，取出实时值，当陪检器具为光学度盘时，指零器具应是动态光电显微镜；当陪检器具是多面棱体时，指零器具应是动态指零自准直仪。

光电自准直仪有应用几何光学成像原理与应用物理光学原理两类，都可设法制成能发指零脉冲的指零自准直仪，图3是应用干涉原理的指零自准直仪光路图[3-4]，物镜为O 1的平行光管发出的平行光，经分光棱镜分成两束平行光，由被测反光镜反回，经分光棱镜会合，产生干涉，由O 2会聚后，由光电接收器转变成电信号，经微分等处理电路后输出指零脉冲。

由于应用了干涉原理，因此分辨力高，动态响8红外与激光工程：高精度几何量光电测量与校准技术第37卷应快，能适应的角速度为10~1000(°)/s（这是指反图3干涉法指零自准直仪光路图Fig.3Optical diagram of the null-indicator光镜和回转中心重合的情况，当反光镜位置距回转中心有一定距离时，响应速度会相应下降）；由于分光棱镜装在平行光管光路以外，被检反光镜要反射两束光，两者体积都不能太大，因此被测反光镜和自准直仪的距离较近，最远为1.5m ，在距离不大于0.2m 时，定位误差的随机分量（1σ）为0.03″，系统分量为0.1″；反光镜直径也不能太小，以保证能反射两光束，仪器只能指零，不能读数；速率低时定位误差将增大。

“动态排列互比、陪检器具验证”的方法，既可解决急需的测量器具动态准确度的校准，也能用于其动态功能的计量基、标准的检定，一旦计量标准具有动态功能，就可以直接传递，而不再进行“排列互比”。

“陪检器具验证法”不仅能用于角度量，也能用于采用“误差分离技术”的其他量值或参数，如轴系径向回转误差的测量[5]，这是动态线值量，采用的方法是轴系上装一个钢球，球的圆度用圆度仪准确测出，以电容测微仪作为测量器具，其测头和钢球组成被测电容，用“反向法”或“多位置法”等误差分离方法测量轴系旋转时的电容变化量，分离出消减球圆度影响后的轴系回转误差，以及消减轴系回转误差后的球圆度，与圆度仪测出的数据比较。

就可以验证这套动态测量系统的动态准确度，同样，球也是作为陪检器具，而不是标准器具。

（2）动、静态比较法动、静态比较法是在被校器具静态检定合格的基础上，取若干个动态校准点，以静态对准时的读数值为准，测出动态时的读数值，以动、静态读数值之差,作为被校器具的动态误差。

图4是用于校准跟踪经纬仪、激光跟踪仪等器具动态误差的方法示意图。

由电动导轨和固定目标两部分组成，用永久磁铁及霍图4动、静态比较法示意图Fig.4Dynamic-static compare schematic尔开关测量电机转速，再按传动丝杠导程，距离L ，算出校准时的角速度。

校准时先手动至定位霍尔开关刚产生电平跳变时，被校器具对准目标，并记下静态读数值，由于定位磁铁有一定的宽度，因此导轨正、反向运动要分别进行静态对准与读数。

用电机驱动导轨，当进入被检器具敏区时开始自动跟踪，当霍尔开关产生电平跳变时，用跳变沿取出被校器具的动态读数值，与静态之差即为动态误差。

需校准被校器具的其他点时，平行于导轨移动方向改变固定目标位置，就可校附近的其他点；重新安装被校器具，改变安装角位置，就可校相距较远的其他点。

光电仪器的动态性能往往是由其光电转换、电路及计算机等电气部分的频响决定的。

频响不够而引起的误差增大或功能丧失，对各个角位置几乎是一样的，因此有几个动态校准点就可以判定其动态准确度。

最终的准确度应是静态误差和动态误差的代数和。

3保证动态测量速度的措施开展动量测量，往往需要研制或改造测量器具，组建测量装置或系统，在这些工作中，核心问题是保证要求的动态测量速度，以下措施可供参考。

（1）采用不接触测量法由于测量器具运动构件的机械惰性，接触式测量很难满足动态测量的要求，只能用于静态或准静态测量。

（2）选用能保证要求响应速度的光电转换元件和电子元件从光电转换至采集并存储数据，需选用能保证响应速度的元件，例如：CCD 扫瞄一周所需的时间，增刊孙方金：角度量的动态测量9线阵要比面阵少得多，尽管可采用高速面阵CCD，但价格高，测量范围小，难以适应低温环境，且响应速度仍低于线阵，因此仅用于测量不需成像的情况，宜选用线阵CCD，当需同时测量两坐标角度时，可装两个线阵CCD，能分别测量时，可把线阵CCD转90°。