一种基于F-P标准具的微小角度测量装置及其示值误差的评定方法

一种基于f-p标准具的微小角度测量装置及其示值误差的评定方法
技术领域
1.本发明涉及几何量测量领域，尤其涉及一种基于f-p标准具的微小角度测量装置及其示值误差的评定方法。


背景技术：

2.角度是最基本的几何参量之一，其准确测量对人们从事各领域的研究和促进科学进步有十分重要的意义。微小角度测量技术广泛应用于精密机械组件安装、精密与超精密加工、瞄准与定位等场合，在机械、航空航天、军事等领域都具有极其重要的意义和作用。现代工业的生产及制造对精密定位的需求不断提高，对微小角度测量精度提出了更高的要求，有的甚至达到了0.1
″
或更小的量级。一些传统的测量方法，如多齿分度台、圆感应同步器等，受限于测量精度、自动化程度低及接触式测量等缺点，很难满足如今的测量需求，因此必须研究开发新的微小角度测量技术。
3.申请号为201510217472.7公开了一种利用f-p标准具测量转角的方法，即通过计算干涉图片的同心干涉圆环的圆心平移量间接实现对转镜转角的测量，该方法实现高精度测量的难点在于需要选定合适的标准具间隔和成像物镜焦距以及测量前需保证各元器件的中心位于同一高度，以保证获得较高成像质量的干涉图片，同时该方法在测量过程中需要更换滤波片且为了避免杂散光的影响需在黑暗环境下进行，这将为测量带来诸多不便。


技术实现要素：

4.针对背景技术所述的测量需求以及利用f-p标准具实现高精度微小角度测量的难点和测量的不便之处，本发明的目的在于提供一种基于f-p标准具的微小角度测量装置及其示值误差的评定方法。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，包括低压汞灯、滤光模组、会聚镜、f-p标准具、工业定焦镜头、工业相机、计算机。
6.所述的f-p标准具内部两块镜面板的标称间距为3mm，所述的工业定焦镜头的标称焦距为80mm。
7.所述低压汞灯、f-p标准具、工业定焦镜头通过固定孔位保证器件中心在同一高度。
8.低压汞灯固定在侧板1，滤光模组固定在距其中心距离为130mm处，会聚镜固定在距其中心距离为250mm处，f-p标准具固定在侧板3，工业定焦镜头通过侧板4的孔位后和工业相机一起固定在底板；侧板1的长度为350mm，侧板2的长度为327mm，侧板3的长度为125mm，侧板2和侧板3的夹角为135
°
，侧板4的长度为109mm，侧板6的长度为425mm，整个装置的高度为149mm。
9.所述滤光模组、会聚镜、f-p标准具、工业相机与底板间均有一块垫块进行隔振，并通过螺栓连接器件底部的螺纹口固定在底板上。
10.所述滤光模组由滤光片安装座、双孔滑动插条和两块中心波长约为546nm和578nm的滤波片组成，双孔滑动插条用以灵活更换滤波片。
11.所述滤光模组后表面与f-p标准具前表面之间通过长度为230mm、宽度为85mm、高度为81mm的隔板隔离进入f-p标准具的杂散光。
12.一种基于f-p标准具的微小角度测量装置的示值误差的评定方法：以高精度光电自准直仪作为角度标准装置，将双面反射镜固定在精密转台上，本发明的角度测量装置和光电自准直仪分别放置在双面反射镜两侧，二者同时测量双面反射镜转动的角度，微小角度测量装置的示值误差由微小角度测量装置的角度测得值减去光电自准直仪的角度测得值得到。
13.本发明的有益效果：
14.本发明解决了基于f-p标准具实现高精度微小角度测量的难点问题，完成了测量装置内各元器件的合理布局，完成了测量装置的一体化设计；根据所述的评定方法验证了基于f-p标准具的微小角度测量装置可以完成非接触、高准确度的微小角度测量。
附图说明
15.图1是本发明的测量装置内部示意图(俯视图)；
16.图2是本发明的测量装置与光电自准直仪的角度测量实验示意图。
17.图3是
±
150
″
测量范围正反行程拟合直线。
18.图1中：1、低压汞灯，2、滤光模组，3、会聚镜，4、f-p标准具，5、工业定焦镜头，6、工业相机，7、汞灯电源，8、侧板1，9、侧板2，10、侧板3，11、侧板4，12、侧板5，13、侧板6，14、底板，15、光路隔板。
19.图2中：1、本发明的测量装置，2、双面反射镜，3、精密转台，4、elcomat hr自准直仪。
20.图3中：r为相关系数，r越接近1表示线性关系越好。
具体实施方式
21.如图1所示，本发明的测量装置包括低压汞灯1、滤光模组2、会聚镜3、f-p标准具4、工业定焦镜头5、工业相机6、计算机。
22.低压汞灯1低压汞灯发出的光经滤光模组2和会聚镜3后成为准单色扩展光束，该光束在f-p标准具4出射面上产生系列标准圆锥光束，所述圆锥光束经平面反射镜反射，最后经工业定焦镜头5由工业相机6采集干涉图像，由计算机中的微小角度计算软件处理平面反射镜偏转前后采集的干涉图像，得到角度测量结果。
23.下面结合具体的实施例对本发明进行说明：
24.实验仪器：
25.elcomat hr型自准直仪(德国moller-wedel，测量范围：
±
150
″
，测量精度：
±
0.03
″
)，本发明的测量装置，双面反射镜(反射率≥95％，平整度≥λ/20)，精密转台。
26.实验测量过程：
27.1.将本发明的测量装置和elcomat hr自准直仪开机预热一小时以上。
28.2.将双面反射镜安装在精密转台上，本发明的测量装置和光电自准直仪分别放置
在双面反射镜两侧，调整各仪器装置的位置保证双面反射镜能够同时反射两者的测量光束。
29.3.控制精密转台转动以调整双面反射镜的偏摆角度，使得自准直仪的x轴示值回到0值附近，同时使得本发明的测量装置采集到的干涉圆环在图像中心处。
30.4.记录当前环境的温湿度，分别保存使用中心波长约为546nm和579nm的滤波片时采集的干涉图像，通过计算机中的微小角度计算软件计算得到所用f-p标准具间隔的准确值以及所用工业定焦镜头的焦距准确值。
31.5.设定精密转台顺时针转动的步距为3
″
，采集共四个角位置(包括初始位置)的干涉图像，在采集的同时记录elcomat hr自准直仪的示值；将精密转台恢复至初始位置，设定精密转台逆时针转动的步距为3
″
，采集共四个角位置(包括初始位置)的干涉图像，在采集的同时记录elcomat hr自准直仪的示值，完成
±
10
″
测量范围内的角度测量实验。
32.6.设定精密转台顺时针转动的步距为10
″
，采集共五个角位置(包括初始位置)的干涉图像，在采集的同时记录elcomat hr自准直仪的示值；将精密转台恢复至初始位置，设定精密转台逆时针转动的步距为10
″
，采集共五个角位置(包括初始位置)的干涉图像，在采集的同时记录elcomat hr自准直仪的示值，完成
±
40
″
测量范围内的角度测量实验。
33.7.设定精密转台顺时针转动的步距为30
″
，采集共六个角位置(包括初始位置)的干涉图像，在采集的同时记录elcomat hr自准直仪的示值；将精密转台恢复至初始位置，设定精密转台逆时针转动的步距为30
″
，采集共六个角位置(包括初始位置)的干涉图像，在采集的同时记录elcomat hr自准直仪的示值，完成
±
150
″
测量范围内的角度测量实验。
34.实验结果：
35.通过计算机中的微小角度计算软件对不同角度测量范围内采集到的干涉图像进行处理，分别得到
±
10
″
、
±
40
″
、
±
150
″
测量范围的测量结果，见表1-表3。
36.表1
±
10
″
测量范围测量结果
[0037][0038]
表2
ꢀ±
40
″
测量范围测量结果
[0039]
[0040]
表3
ꢀ±
150
″
测量范围测量结果
[0041][0042]
以表3数据为例，以自准直仪x轴示值为自变量、测量装置测角结果为因变量作线性拟合，得到如附图3所示拟合直线。由拟合直线可知，在
±
150
″
测量范围，测量装置测角结果与自准直仪测角结果具有良好的线性关系。根据图3的拟合关系对角度测量值进行修正，得到在
±
150
″
的测量范围微小角度测量装置测量值的修正值α
1*
，结果如表4所示。
[0043]
表4
ꢀ±
150
″
测量范围修正值与示值误差
[0044][0045]
由表1至表4可以看出，在
±
10
″
的测量范围内，本发明的测量装置的测量结果与elcomat hr自准直仪的测量结果相比，两者的示值误差不超过0.02
″
；在
±
40
″
的测量范围内，本发明的测量装置的测量结果与elcomat hr自准直仪的测量结果相比，两者的示值误差不超过0.08
″
；在
±
150
″
的测量范围内，本发明的测量装置的测量结果与elcomat hr自准直仪的测量结果相比，两者的示值误差不超过0.42
″
，经修正后不超过0.03
″
。实验结果表明，本发明的测量装置可以实现非接触、高准确度的微小角度测量。

技术特征：
1.一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，其特征在于：包括低压汞灯、滤光模组、会聚镜、f-p标准具、工业定焦镜头、工业相机、计算机；所述低压汞灯发出的光经滤光模组和会聚镜后成为准单色扩展光束，该光束在f-p标准具出射面上产生系列标准圆锥光束，所述圆锥光束经平面反射镜反射，最后经工业定焦镜头由工业相机采集同心圆环干涉图像，当平面反射镜偏转一个微小角度，该同心圆环位置产生一个位移量，由计算机对偏转前后的干涉图像进行处理得到平面反射镜偏转角。2.根据权利要求1所述的一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，其特征在于：所述的f-p标准具内部两块镜面板的标称间距不超过5mm，所述的工业定焦镜头为中焦镜头。3.根据权利要求1所述的一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，其特征在于：所述低压汞灯、f-p标准具、工业定焦镜头通过固定孔位保证器件中心在同一高度。4.根据权利要求1所述的一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，其特征在于：所述滤光模组、会聚镜、f-p标准具、工业相机与底板间均有一块垫块进行隔振，并通过螺栓连接器件底部的螺纹口固定在底板上。5.根据权利要求1所述的一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，其特征在于：所述滤光模组由滤光片安装座、双孔滑动插条和两块中心波长约为546nm和578nm的滤波片组成，双孔滑动插条用于灵活更换滤波片。6.根据权利要求1所述的一种基于f-p标准具的微小角度测量装置，其特征在于：所述滤光模组后表面与f-p标准具前表面之间通过光路隔板隔绝进入f-p标准具的杂散光。7.一种基于f-p标准具的微小角度测量装置的示值误差评定方法，其特征在于：以高精度光电自准直仪作为角度标准装置，将双面反射镜固定在精密转台上，本发明的角度测量装置和光电自准直仪分别放置在双面反射镜两侧，二者同时测量双面反射镜转动的角度，微小角度测量装置的示值误差由微小角度测量装置的角度测得值减去光电自准直仪的角度测得值得到。

技术总结
本发明公开了一种基于F-P标准具的微小角度测量装置及其示值误差的评定方法，测量装置的主要元器件包括低压汞灯、滤光模组、会聚镜、F-P标准具、工业定焦镜头、工业相机、计算机；通过将本发明的测量装置和高精度光电自准直仪分别放置在双面反射镜两侧，二者同时测量双面反射镜转动的角度，通过比较二者的角度测量结果完成测量装置示值误差的评定；该装置解决了基于F-P标准具实现高精度微小角度测量的难点问题，实现了测量装置的一体化；该评定方法简单易操作，能够大幅度提高该测量装置的示值误差评定效率。差评定效率。差评定效率。


技术研发人员：李蕾 沈小燕 李昕民 叶圣哲 吴晨光
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/15