5 结束语
对 力标准机进行控制, 往往要对多达 30 路以上的 开关量信息进行监测, 并对 10 个以上的执行机构进行 开关控制。采用ST D 工业总线结构, 使得该静重式测力
( 上接第 20 页) 表 1 与穆勒 ELCOM AT 3000 比较结果 ( ″)
ELCO M A T 3000 显 示 本样机显示
( 6354 Inst it ut e of CS SC, Jiuj iang 332000, China)
Abstract: A hig h accur acy t wo -ax is aut ocollimat or is int roduced in this paper , w hich uses t he surf ace array CCD co mpo nents as phot oelect ricy sensor , and t w o-ax is angle by t he t heory of aut ocollimat e are m easur ed. T he measuring scope is ±300″, and the accuracy is ±0. 2″.
1 自准直原理
自准直仪是基于自准直原理, 通过光电瞄准对被 测件的角位移进行精密测量的仪器, 其测量原理如图 1 所示。
图 1 自准直测量原理图
当光源 4 发出的光线照明物镜 2 焦平面上分划板 3 的目标 O 时, 如果 O 点在物镜 2 光轴上, 那么由它发出 的光线通过物镜后, 成一束与光轴平行的平行光束射 向反射镜 1。当反射镜面垂直于光轴时, 光线仍按原路 返回, 经物镜后仍成像在分划板上O 处, 与原目标重合。 如果反射镜与光轴不垂直, 而是偏过一个小角度 , 当
位置
X轴
Y轴 X轴 Y轴
比 较结果 X轴 Y轴
0 0. 00 1 1. 03 2 2. 00 3 3. 01 4 4. 02 5 5. 00 6 6. 01 7 6. 98 8 7. 97 9 8. 97 10 9. 95 20 19. 95 30 29. 94 40 39. 96 50 49. 95 60 59. 90 70 69. 92 80 79. 93 90 89. 92 100 99. 90 200 199. 88 300 299. 85
上两个方向的线值量变化, 通过对 CCD 器件输出信号
的采集, 经过数据处理计算出线值量变化量, 利用自准
直原理公式计算角度变化, 从而实现了对高精度二维
角度变化的测量, 系统结构框图如图 2 所示。
图 2 CCD 自准直系统结构框图
仪器的测量原理是: 光源发出的光束照亮十字线 分划板经光学透镜组后形成平行光射向反射镜( 反射 镜位于被测物体上) , 经反射并成像在 CCD 器件上, 在 驱动电路的作用下, 计算机将 CCD 器件输出的信号进 行采集, 并进行相关计算和处理。
通过相应软件的编制, 该系统可广泛用于全系列 力标准机的自动控制系统, 也可用于其它更为复杂的 开关量工业过程控制。
参 考文 献
[ 1] 何立民. M CS-51 系列单片 机应用系统设计系 统配置与接口 技 术[ M ] . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2001.
[ 2] 蔡正平. 力值与硬度计量手册[M ] . 北京: 科学出版社, 1980. [ 3] 雷霖. 微机自动检测与系统设计[ M ] . 北 京: 电子工业出版 社, 2003. [ 4] 马忠梅, 等. 单片机的 C 语言应用程序设计[M ] . 2003. [ 5] A t mel Corporati on . A T 89C52 D ata Sheet [ Z] . 1999. [ 6] 郑建翔, 等. 杠杆式力标准机自动控制系统[ J] . 航空计测技术, 2001, 21( 6) : 38-41.
5 与 Moller 光管进行比对实验
德国穆勒公司的 EL COMAT 3000 型自准直仪在 全量程( ±1000″) 范围内示值误差不超过 0. 25″, 在任意 20″内示值误差不超过0. 10″。我们将研制样机与其进行 了比对, 结果非常接近。特别是在小范围内几乎一致。 比对结果如表1 所示。
在光路设计中, 采用了折返式光路, 光线经两个反 射镜反 射, 有效地 减小了仪 器的长度, 使仪器 便于携 带, 并且通过实验证明是可行的。
4 仪器主要技术指标
1) 分辨力: 0. 01″; 2) 测量范围: ±300″; 3) 示值误差: 在±300″内不超过±0. 2″, 在±10″范 围内不超过±0. 1″。
图 6 自动方式检定流程图
4 试验结果
我们将该方法设计的控制系统应用在北京长城计
量测试技术研究所的 1 kN 静重式测力机上( 该机器的
测量范围为10 N～1 kN) , 对T S100 型标准测力仪进行 检定, 检定数据分析如表 1 所示。
表1
负荷/ N
压向读数 平均值/ N
重复性/ % 示值误差/ %
图 3 光学系统图
光学系统的原理是: 光源经聚光镜聚焦后汇聚在 十字线分划板上, 由于分划板位于物镜的焦面上, 通过 十字线的光通过分光棱镜、两块反射镜的折射、再通过 物镜后成平行光射出; 出射的平行光被反射镜反射后 仍为平行光, 反射回的平行光经原路返回后, 在分光棱 镜处分成两路相互垂直的光路, 一路光线经折射后汇 聚在位于物镜另一焦平面的CCD 器件上, 并成像。当反 射镜垂直主光轴时, 十字线成像在 CCD 器件的中心位 置; 当反射镜有一 个空间偏 转时, 十 字线成像 将偏离 CCD 器件的中心位置, 测量十字线交点偏离中心位置 的距离, 利用等式 1 即可求出两个偏转角的角度值。
20
19. 99
0
0. 1
40
39. 99
0
0. 1
60
60. 00
0
0
80
80. 01
0. 1
0. 1
10 0
100. 01
0. 1
0. 1
由表1 可知, 该系统能实现对力传感器各项检定的 自动化功能。且测量重复性小于 0. 1% , 长期稳定度不 大于 0. 1% / 年, 力标准机的测量不确定度可维持在 2× 10- 4 。
关键词: 高精度; 自准直仪; 二维 中图分类号: T H741. 14 文献标识码: B 文章编号: 1002-6061( 2006) 05-0019-02
Research of A High Accuracy Two-axis Autocollimator Z OU Jiu-gui, GAN Jun-ho ng , JI Guo -ding
3 光学系统
光学系统的设计主要有以下几个部分: 第一, 光电 转换器的选择。作为图像传感器的光电转换器的选择 直接影响测量系统的测量精度、分辨力等技术指标, 因 此它的选择非常关键。本课题中, 选择了面阵CCD 器件 作为图像传感器。第二, 光源设计。光源是光电自准直 系统的重要组成部分, 光源的发光强度、光强稳定性及 光源的发热量等特性对于仪器的测量距离和测量精度
传统自准直仪测量准确度和测量范围受许多因素 的限制, 尤其是由于人眼瞄准和读数产生的瞄准误差 及估读误差难以改善。近年来, 人们开始进行将各种光 电探测器用于自准直仪的探索性研究工作, 并取得了 很多成果。仪器的分辨力、测角精度以及在动态测量方 面都有了不同程度的进展。
随着CCD 技术的成熟运用, 将 CCD 技术引入自准 直仪已成为可能。据所能查阅到的资料, 推向市场的光 电自准直仪中, 德国M OLL ER 公司生产的 ELCOM AT HR 和 ELCOM AT 3000 均采用高分辨 力的线阵 CCD 作为光电探测器。由于其性能较高, 许多用户开始引进 该型号的产品, 但因价格昂贵, 且受国际政治的影响, 引进遇到许多困难。
都有很大的影响, 因此选择合适的光源是很重要的。本 系统采用高亮度L ED 作为光源。第三, 分划板设计。分 划板形 式的研究是近 来自准直仪研究 较为活 跃的领
2006 年第 26 卷第 5 期
域, 分划板往往与光电探测器件配合使用, 设计优良的 分划板形式可以使系统容易实现二维角度测量, 还可 避免测量的盲区。本系统采用十字狭缝分划板。第四, 系统主光路设计。系统主光路由光源、毛玻璃、聚光镜、 分划板、分光棱镜、物镜等组成, 主光路用来实现光源 光束转折、准直焦距的缩减和回射光束分离等作用。光 学系统如图 3 所示。
·20· 新技术与新仪器 平行光轴的光线射向反射镜时, 光线按反射定律与原
光线成 2 角返回, 通过物镜后成像在分划板的O′处, 与
原目标 O 不重合而有 OO′位移量。
根据几何光学原理, 位移量 x = OO′可按下式计算:
x = f ′t g2
式中: f ′为物镜焦距, m m。
由于 角很小, 所以上式可近似为
0. 00 1. 00 2. 02 3. 05 3. 95 5. 01 5. 99 6. 94 7. 98 9. 00 10. 05 20. 02 30. 02 40. 10 50. 05 60. 08 70. 04 80. 03 90. 03 100. 04 200. 05 300. 06
0. 00 0. 00 0. 00 1. 02 1. 02 - 0. 01 2. 01 2. 02 + 0. 01 3. 00 3. 05 - 0. 01 3. 98 3. 98 - 0. 04 4. 95 4. 99 - 0. 05 5. 97 5. 94 - 0. 04 6. 95 6. 95 - 0. 03 7. 93 8. 00 - 0. 04 8. 92 9. 05 - 0. 05 9. 90 10. 09 - 0. 05 19. 84 20. 10 - 0. 01 29. 80 30. 12 - 0. 14 39. 88 40. 17 - 0. 08 49. 80 50. 16 - 0. 15 59. 75 60. 18 - 0. 15 69. 78 70. 20 - 0. 14 79. 76 80. 19 - 0. 17 89. 75 90. 20 - 0. 17 99. 75 100. 22 - 0. 15 199. 68 200. 23 - 0. 20 299. 64 300. 20 - 0. 18