精密測角儀的誤差溯源及其補償方法研究

馬娜娜，付西紅，段戰(zhàn)軍，周美英，李　碩

(中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119)

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精密測角儀的誤差溯源及其補償方法研究

馬娜娜，付西紅，段戰(zhàn)軍，周美英，李碩

(中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119)

為了簡化精密測角儀的誤差分析及數(shù)據(jù)處理過程，根據(jù)精密測角儀的結(jié)構(gòu)組成及測量原理，對精密測角儀的誤差進行溯源，并分析了各種誤差源對測量精度的影響；根據(jù)精密測角儀的角度測量機理提出了一種基于被測面自準直像位置的誤差補償方法；采用精密測角儀進行被測面自準直像在不同位置時的角度測量實驗，根據(jù)測量實驗數(shù)據(jù)給出了誤差補償線性方程.實驗結(jié)果表明：應(yīng)用此誤差補償方法可有效縮減前期測量準備調(diào)整過程，使精密測角儀的應(yīng)用更加便捷，簡化了精密測角儀的誤差分析及數(shù)據(jù)處理過程，為實現(xiàn)全自動精密測量提供基礎(chǔ).

精密測角儀；測量精度；誤差溯源；補償方程

精密測角儀是一種光學元件重要參數(shù)的測量檢測儀器.早期測角儀多由自準直儀、旋轉(zhuǎn)平臺等部分組成.國內(nèi)外的學者也從測量的方法[1-3]、測量誤差的分析[4-7]、儀器應(yīng)用領(lǐng)域[3,6]等多方面進行了廣泛深入的研究，取得了較好的成果.近些年來，隨著CCD成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新式測角儀采用CCD采集成像技術(shù)代替了人眼觀察，使測量更加便捷，精度得到了進一步的提高.而新式測角儀在使用過程中依然需要對光學元件平面進行自準直成像來調(diào)整光學元件的擺放位置.由于人眼的對線誤差使光學元件表面自準直像產(chǎn)生的位置誤差以及光學元件位置擺放調(diào)整誤差必然會對系統(tǒng)測量結(jié)果有一定影響[8-13].本文對精密測角儀在測量過程中的誤差進行溯源分析，針對光學元件自準直成像中的對線誤差，結(jié)合儀器測量機理，從實驗數(shù)據(jù)及理論分析兩個方面繪制精密測角儀的補償曲線，使精密測角儀的使用更加便捷，測量精度得到進一步的提高.

1　精密測角儀組成及測量過程

現(xiàn)階段精密測角儀的結(jié)構(gòu)主要包括精密旋轉(zhuǎn)平臺、自準直光管、圖像采集及處理系統(tǒng)等.以德國Trioptics公司生產(chǎn)的PrismMaster HR MOT精密測角儀為例進行詳細介紹，其單次測量精度為0.5″，重復(fù)測量精度為0.2″.圖1為精密測角儀，圖2為精密測角儀硬件組成部分，包含精密旋轉(zhuǎn)平臺、自準直平行光管、轉(zhuǎn)臺及光源控制系統(tǒng)、后置的圖像采集裝置等.

圖1　精密測角儀Fig.1　Precision goniometer

圖2　精密測角儀硬件部分Fig.2　Hardware of precision goniometer

圖3　自準直像在接收器中位置Fig.3　Collimation image position in the Receiver

精密測角儀的測量過程為，首先將被測零件放置在精密旋轉(zhuǎn)平臺中央，使被測光學零件的各個平面所成自準直像均在接收范圍內(nèi)，然后根據(jù)光管自準直像的位置微調(diào)精密旋轉(zhuǎn)平臺，使各個面的自準直像均位于接收器的中央.圖3為自準直像在接收器中的位置.

啟動精密旋轉(zhuǎn)平臺使被測平面旋轉(zhuǎn)，此時記錄下旋轉(zhuǎn)角度的實際值及兩個平面自準直成像在接收器上的位置便可以計算出兩被測平面的夾角.對于被測零件，將上述測量過程進行閉環(huán)測量，即各個被測平面夾角依次測量，就可以完成對被測光學零件的檢測.現(xiàn)階段，精密測角儀已將數(shù)據(jù)的存儲與后續(xù)處理內(nèi)置在測量軟件系統(tǒng)中，可以直接得出兩被測平面的夾角.另外，德國Trioptics公司生產(chǎn)的PrismMaster HR MOT精密測角儀還可以在檢測前將被測零件各平面夾角建模，測量時可自動進行旋轉(zhuǎn)測量，檢測過程實現(xiàn)了較高的自動化.

2　精密測角儀誤差溯源及分析

由精密測角儀的組成及測量過程可知，精密測角儀的測量誤差主要為精密旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)誤差、調(diào)平誤差、圖像處理系統(tǒng)識別邊緣的軟件處理誤差、自準直像與接收器中心的對線誤差等.

精密旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)誤差直接與系統(tǒng)機械件的配合精度有關(guān)，屬于系統(tǒng)誤差，可進行一定的補償.而旋轉(zhuǎn)平臺的調(diào)平誤差與對線誤差有一定關(guān)聯(lián)，檢測中對線誤差直接影響調(diào)平精度.

精密測角儀圖像處理系統(tǒng)邊緣識別的誤差與軟件的處理算法及成像系統(tǒng)的分辨力有關(guān).圖像邊緣目前的識別精度可達到0.02個像元，圖像處理結(jié)果精度較高.

自準直成像的對線誤差一般在4″左右.根據(jù)檢測人員的不同其對線誤差有很大的隨機性，屬于隨機誤差.但由于精密測角儀成像系統(tǒng)的輔助，可根據(jù)成像位置進行對線.

由以上對各種誤差源的分析可知，精密旋轉(zhuǎn)平臺的機械誤差屬于系統(tǒng)誤差，可進行一定的補償.除此誤差外，系統(tǒng)的調(diào)平誤差、對線誤差、軟件的邊緣識別誤差均與系統(tǒng)成像位置的識別有關(guān).因此，直接利用被測面自準直像的位置進行誤差補償既可使系統(tǒng)誤差分析及數(shù)據(jù)處理更加直觀，也可簡化測量前的調(diào)整，不再需要使各個面的自準直像均位于接收器的中央，在接收視場范圍內(nèi)即可.

3　精密測角儀誤差補償

利用以上分析，對一個四面體棱鏡進行測量實驗.四面體各平面之間的夾角實際值見表1.

表1　四面體各平面之間夾角實際值

調(diào)節(jié)精密旋轉(zhuǎn)平臺使被測面自準直像中心與接收器中心在Y軸方向偏差在±8″變化，三次測量平均值見表2.

表2　四面體各平面之間夾角測量值

圖4　接收器Y軸偏差與夾角角度相對偏差值關(guān)系Fig.4　The relationship between the X axis deviation of the receiver and the angle measurement deviation

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，精密測角儀測量結(jié)果與被測面自準直像的Y軸方向位置偏差呈現(xiàn)一定的數(shù)學關(guān)系.

從圖4可知，接收器Y軸偏差與夾角角度相對偏差值之間呈線性關(guān)系.對數(shù)據(jù)進行擬合得到補償方程為：y=0.077 6x-0.019 4，其中x為接收器Y軸位置偏差，單位為角分(′)，y為夾角角度補償值，單位為角秒(″)，其極限偏差在0.1″以內(nèi).在以后的測量中，定義實際角度值用γ表示，測量值用α表示，補償值用β表示，則存在公式：γ=α+β.

運用此方法同樣可以對其他3組數(shù)據(jù)進行處理得到其補償方程，補償后的數(shù)據(jù)與四面體各平面之間夾角實際值的偏差也在0.1″以內(nèi).可知補償方程可有效補償被測平面自準直像與接收器的位置偏差，從而進一步提高兩平面之間夾角角度的測量精度.

4　結(jié)　論

基于被測面自準直像位置的誤差補償方法能夠有效地對精密測角儀的測量結(jié)果進行補償，縮減了測量準備過程，使測量更加便捷，且將精密測角儀測量誤差源進行了統(tǒng)一處理，簡化了測角儀的誤差分析及數(shù)據(jù)處理過程.補償過程依賴于被測面自準直像位置的識別，對精密測角儀的誤差補償?shù)倪M一步研究，需要對系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、成像系統(tǒng)等部分全面進行分析.另外，誤差補償方程為數(shù)據(jù)擬合方程，可較好地補償誤差，但系統(tǒng)的理論補償方程還需要進一步的細化研究.

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Research on Error Tracing and Compensation Method of Precision Goniometer

MA Nana,FU Xihong,DUAN Zhanjun,ZHOU Meiying,LI Shuo

(Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710119,China)

For simplifying error analysis and data-processing of precision goniometer,first of all,according to the structure and measuring principle of precision goniometer,first of all,error source are traced and analyzed the influence of each error source on the measurement accuracy.Secondly,An error compensation method based on the self-collimation image position of the measured surface is proposed according to the angle measurement mechanism of precision goniometer.Finally,The precision goniometer was used to measure the angle of the measured surface from self-collimation image from different position ,the error compensation linear equation is given by fitting the experiment data.Experimental results indicate that the precision can be improved by using the error compensation method,and the method which can effectively reduce the prophase measurement preparation adjustment process,the error analysis and data processing of precision goniometer is simplified and more convenient,and provides the basis for realizing full automatic precision measurement.

precision goniometer；precision；error tracing；compensation equation

1671-7449(2016)05-0457-04

2015-12-20

馬娜娜(1989-)，女，助理工程師，主要從事光學元件的檢測工作.

O435

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.016