摘要：光學測角法是高精度動態(tài)角度測量的一種有效的解決途徑。對目前發(fā)展較快的幾種角度測量的光學方法----圓光柵測角法、光學內反射小角度測量法、激光干涉測角法和環(huán)形激光測角法進行了詳細的介紹，并且分別給出了每種方法的測量原理和發(fā)展現(xiàn)狀，比較了各種方法的優(yōu)缺點，給出了每種方法的應用場合和發(fā)展前景。
關 鍵 詞：角度測量；光學方法；轉角；整周
中圖分類號：TH741.2 文獻標識碼：A
Angle measurement with optical methods
Abstract: Optical methods are one of the most effective way of dynamic angle measurement with high accuracy .Several well developed optical methods of angle measurement with radical gratings, angle measurement based on internal-reflection effect, laser interference angle measurement system and ring laser goniomcters, are described in detail. The principle, present status and application situation of each method is displayed .The superiority and defects of these methods are lined out. The development future of each method is given at last.
Keyword : angle measurement; optical methods; optical methods ; rotation angle ; whole round.
1.引言
角度測量是幾何量計量技術的重要組成部分，發(fā)展較為完備，各種測量手段的綜合運用使測量準確度達到了很高的水平。角度測量技術可以分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量兩種。對于靜態(tài)測量技術來說，目前的主要任務集中在如何提高測量精度和測量分辨力[1~3]上。隨著工業(yè)的發(fā)展，對回轉量的測量要求也越來越多，因此人們在靜態(tài)測角的基礎上，對旋轉物體的轉角測量問題進行了大量的研究，產(chǎn)生了許多新的測角方法。
測角技術中研究最早的是機械式和電磁式測角技術，如多齒分度臺和圓磁柵等，這些方法的主要缺點大多為手工測量，不容易實現(xiàn)自動化，測量精度受到限制[1~5]。光學測角方法由于具有非接觸、高準確度和高靈敏度的特點而倍受人們的重視，尤其是穩(wěn)定的激光光源的發(fā)展使工業(yè)現(xiàn)場測量成為可能，因此使光學測角法的應用越來越廣泛，各種新的光學測角方法也應運而生。目前，光學測角法除眾所周知的光學分度頭法和多面棱體法外，常用的還有光電編碼器法[6]、衍射法[7，8]、自準直法，[9，10]、光纖法[11]、聲光調制法[12，13]、圓光柵法[14~17]、光學內反射法[18~23]、激光干涉法[24~28]、平行干涉圖法[29，30]以及環(huán)形激光法[31~33]等。這些方法中的很多方法在小角度的精密測量中已經(jīng)得到了成功的應用，并得到了較高的測量精度和測量靈敏度，通過適當?shù)母倪M還可對360度整周角度進行測量對于眾所周知的光學分度盤、軸角編碼器、光電光楔測角法等來說，由于應用較多，技術比較成熟，本文不作具體介紹。下面主要介紹幾種近幾年來發(fā)展起來的小角度測量方法和可用于整周角測量的方法。
2.圓光柵測角法
圓光柵是角度測量中最常用的器件之一。作為角度測量基準的光柵可以用平均讀數(shù)原理來減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數(shù)誤差，因此其準確度高、穩(wěn)定可靠。但在動態(tài)測量時，在10r/s 的轉速下，要想達到1'的分辨率都非常困難。目前我國的國家線角度基準采用64800線/周的圓光柵系統(tǒng)，分辨率為0.001''，總的測量不確定度為0.05''。該測量方法主要是在靜態(tài)下的相對角度測量。英國國家物理實驗室（NPL）的E W Palmer 介紹了一臺作為角度基準的徑向光柵測角儀，如圖1所示，既可用于測角，又可用于標定。其原理是利用兩塊32400線的徑向光柵安裝在0.5r/s 的同一個軸套上，兩個讀數(shù)頭一個固定，一個裝在轉臺上連續(xù)旋轉，信號間的相位差變化與轉角成正比。儀器中用一個自準直儀作為基準指示器，可以測得絕對角度，利用光柵細分原理可測360度范圍內的任意角度，附加零伺服機構可以對轉臺進行實時調整，限制零漂。用干涉儀作為讀數(shù)頭，可進行高精度測量。按95%置信度水平確定其系統(tǒng)誤差的不確定度為0.05''[15]。