通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法
本专利技术涉及测量
，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。本专利技术具有操作简单，角度测量范围广，范围精度高等优点。
技术介绍
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。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。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。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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术的技术解决方案如下：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，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；2)移除角锥,旋转通用水平转台至零刻度位置，旋转次数n记为零，即n＝0，此时通用水平转台初始角度θ0＝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；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计算出此时第二反射镜输出光路相对于所述的反射式衍射光栅的入射角：其中，d为光栅常数，λ1为峰值波长，为利特罗角，即此时反射式衍射光栅相对第二反射镜输出光路的入射角；4)计算绝对角度测量值：令所述的通用水平转台的旋转次数为n＝n+1，第n次旋转所述的通用水平转台至第n个非零刻度处，对应的刻度值为αn，所述的光纤光谱仪将测得另一峰值波长λ2，计算机通过如下公式计算出通用水平转台的第n次的旋转角度Δθn：Δθn＝arcsin(λ2/2d)-arcsin(λ1/2d)累积的旋转角度所述的通用水平转台的第n个非零刻度对应的绝对角度测量值θn为初始角度θ0和累积的旋转角度Δθ之和；5)将步骤4)得到的第n个非零刻度对应的绝对角度测量值θn与通用水平转台的第n个刻度值αn比较，得到所述的通用水平转台第n个刻度值αn与绝对角度测量值θn的误差；6)令所述的光纤光谱仪的峰值波长为λ1，当所述的光纤光谱仪测得的光谱信号靠近所述的宽带光源光谱范围的一侧边缘时，则调整第一反射镜或第二反射镜，直到光纤光谱仪测得的光谱信号靠近宽带光源光谱范围的另一侧边缘，重新记录所述的光纤光谱仪的峰值波长为λ1；7)返回步骤4)，直至完成所述的通用水平转台的360度绝对角度的测量；8)以所述的通用水平转台刻度值为横坐标，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任意两个刻度之间的旋转角度Δθarb等于相对应的纵坐标之差。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是解决了激光干涉仪操作复杂，对使用环境要求苛刻的不足，同时克服了高精度科学实验中量角器精度不高的缺点。本专利技术原理简单，易于实现，可以有效地实现通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量，测量误差低于1.3″，而且误差不会随通用水平转台的旋转不断累加。若进一步提高光谱仪的分辨率或使用波长更短的宽带光源，则测量精度可进一步提高，在工业生产和高精度科学实验中有一定的应用价值。附图说明图1是利用角锥确定测量装置相对位置和角度的示意图。图2是通用水平转台绝对角度和旋转角度测量装置的结构图。图3示出了平面镜对增大光束在光栅上入射角的原理。图4示出了平面镜对减小光束在光栅上入射角的原理。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明，其中相同的标号始终表示相同的部件，下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本专利技术。本专利技术通用水平转台绝对角度和旋转角度的测量方法，包括下列步骤：1)图1是利用角锥确定测量装置相对位置和角度的示意图：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1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)如图2所示，移除角锥7,旋转通用水平转台至零刻度位置，旋转次数n记为零，即n＝0，此时通用水平转台初始角度θ0＝0，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：其中，d为光栅常数，λ1为峰值波长，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n＝n+1，第n次旋转所述的通用水平转台9至第n个非零刻度处，对应的刻度值为αn，所述的光纤光谱仪13将测得另一峰值波长λ2，计算机14通过如下公式计算出通用水平转台9的第n次的旋转角度Δθn：Δθn＝arcsin(λ2/2d)-arcsin(λ1/2d)累积的旋转角度所述的通用水平转台9的第n个非零刻度对应的绝对角度测量值θn为初始角度θ0和累积的旋转角度Δθ之和；5)将步骤4)得到的第n个非零刻度对应的绝对角度测量值θn与通用水平转台9的第n个刻度值αn比较，得到所述的通用水平转台9第n个刻度值αn与绝对角度测量值θn的误差；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(1)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n记为零，即n＝0，此时通用水平转台初始角度θ0＝0，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：其中，d为光栅常数，λ1为峰值波长，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n＝n+1，第n次旋转所述的通用水平转台(9)至第n个非零刻度处，对应的刻度值为αn，所述的光纤光谱仪(13)将测得另一峰值波长λ2，计算机(14)通过如下公式计算出通用水平转台(9)的第n次的旋转角度Δθn：Δθn＝arcsin(λ2/2d)‑arcsin(λ1/2d)累积的旋转角度Δθ=Σi=1nΔθn]]>所述的通用水平转台(9)的第n个非零刻度对应的绝对角度测量值θn为初始角度θ0和累积的旋转角度Δθ之和；5)将步骤4)得到的第n个非零刻度对应的绝对角度测量值θn与通用水平转台(9)的第n个刻度值αn比较，得到所述的通用水平转台(9)第n个刻度值θn与绝对角度测量值αn的误差；6)令所述的光纤光谱仪(13)的峰值波长为λ1，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λ1；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Δθ等于相对应的纵坐标之差。...

【技术特征摘要】
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(1)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n记为零，即n＝0，此时通用水平转台初始角度θ0＝0，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)的初始角度：计算机(14)利用如下光栅方程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：其中，d为光栅常数，λ1为峰值波长，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李帅，李朝阳，王乘，李妍妍，许毅，陈运，冷雨欣，李儒新，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31