零位儀的電子細分讀數方法及實現

梁旭， 王勁松， 周旭陽

(長春理工大學 光電工程學院， 吉林 長春 130022)

零位儀的電子細分讀數方法及實現

梁旭， 王勁松， 周旭陽

(長春理工大學 光電工程學院， 吉林 長春 130022)

為提高輕武器白光和微光瞄具零位測量儀的分辨率和精度，提出了電子細分讀數方法。通過內置平板玻璃的平行光管模擬無窮遠目標，調整水平和俯仰兩個維度的平板玻璃，使無限遠目標像偏移，進行光學對準補償讀數。采用兩個高分辨率的角位移傳感器，直接測量出兩個維度上平板玻璃的偏轉角，將測得的角度值經單片機數字化處理后顯示在有機電致發光顯示器(OLED)上，通過耦合棱鏡將OLED上的像耦合到準直光路中。建立了測量的理論模型，采用高精度光電經緯儀標定測量，結果表明：該方法的分辨率可達到0.001 mil，誤差小于0.03 mil，分辨率和精度較傳統的機械細分讀數方法均有較大改善。

兵器科學與技術； 零位走動量； 角位移傳感器； 有機電致發光顯示器

0 引言

零位走動量是指瞄具的瞄準軸在射擊、振動、溫度、重復裝卡等情況下的變化量，是衡量瞄具穩定性的重要指標之一[1-2]。在工廠和試驗靶場通常采用零位儀對瞄具進行測量，現有的白光和微光零位儀將光學對準粗讀和機械細分讀數相結合，采用類正切機構和螺旋機構組合的機械式細分讀數機構來進行細分讀數，這種機械細分讀數方式對相應零件的加工和裝配的工藝要求比較高[3]。另外，在微動對零的過程中螺旋讀數機構存在機械空回的現象，導致實際走動量與讀數不一致，從而引入讀數誤差。對于微光瞄具，零位走動量必須在暗室中進行，看不到機械細分讀數鼓輪上的細分讀數，加之粗讀和細分讀數不在一處，從而給測量帶來很大的不便，導致測量效率低下。因此，本文提出一種采用高精度角位移傳感器取代機械式細分讀數機構，通過有機電致發光顯示器(OLED)和耦合棱鏡實現內置數顯的電子細分讀數方法，以有效地解決上述問題。

1 測量原理

1.1 零位走動量的測量原理

如圖1所示，R0、L0分別為零位儀的瞄準分劃板和物鏡，L1、R1、L2分別為被測瞄具的物鏡、分劃板和目鏡，f0為零位儀物鏡的焦距，f1為被測瞄具物鏡的焦距，f2為目鏡的焦距，O0為零位移的物鏡中心，O′為瞄具分劃中心點O在零位移分劃板上所成的像，z為像點O′到光軸ll′的距離。當瞄具的瞄準基線位置發生變化時，瞄具物鏡中心與分劃板的中心連線O1O相對于理想光軸ll′偏轉θ(即零位走動量)，此時零位儀分劃板中心F′成像于瞄具分劃板點F[4]. 通過旋轉零位儀中的平板玻璃，使射出的平行光相對于瞄具瞄準基線逆時針旋轉θ，則零位儀分劃板中心在瞄具分劃板上的像點F會與瞄具分劃板中心O點重合。由圖1中的幾何關系可知：

(1)

1.2 電子數顯零位儀的工作原理

零位儀的數顯讀數工作原理如圖2所示。在安置方向和俯仰平板玻璃鏡框的轉軸上安裝兩個高精度角位移傳感器，通過聯軸器對轉軸和角位移傳感器進行連接。測量時通過旋轉手輪來微動調節，使零位儀分劃與被測瞄具分劃對準，進而測量水平和俯仰兩個方向上平板玻璃的偏轉角，將測得的平板玻璃偏轉角輸入單片機進行換算，再將角度制轉換為密位制，即得到零位走動量。通過耦合棱鏡的耦合作用，可將OLED顯示的數據耦合到準直光路中，從而實現在微動對零的同時直接讀數。工作原理框圖如圖3所示。

2 電子讀數細分的實現

與機械式細分讀數結構相比，圖2所示的微調機構中螺旋機構僅僅起到微動對零的作用，對螺桿的傳動精度無嚴格要求，只要傳動平穩，調整分辨率足夠即可，大大降低了零件的加工和裝配難度，螺旋副的機械空回對讀數不會產生影響。由于機械式細分讀數機構細分的是平板玻璃偏轉角度所對應的弦長而并非弧長，存在原理誤差[5]；而利用角位移傳感器直接測出的是平板玻璃的偏轉角度，整個機構的讀數不存在原理誤差，因此減少了誤差傳遞環節，使讀數更加精確。當前瞄具對零位儀關鍵參數的技術指標要求如表1所示。

下面根據技術指標要求，對零位儀細分讀數方法的實現進行分析計算。根據被測瞄具的檢測要求，白光和微光瞄具口徑一般都小于55 mm，在此將零位儀口徑設定為60 mm；為了降低測量誤差，設定零位儀的焦距為待檢測儀器焦距的3～5倍，約為220 mm. 最終由光學設計軟件ZEMAX優化得到準直物鏡組的焦距為219.45 mm，零位儀分劃板分劃格值為5 mil，對此值進行細分，測量角度θ與光軸的旁位移量zd的關系為

zd=f×tanθ=1.15 mm.

(2)

如圖4所示，當玻璃的偏轉角I比較小時，

(3)

式中：d為平板玻璃的厚度(mm)；n為玻璃的折射率。將zd=1.15 mm，d=18 mm，n=1.516 3代入(3)式，得I=0.187 6 rad=10.75°.

由(2)式和(3)式可推導出θ和I的關系為

(4)

當手輪直徑在5～80 mm范圍內時，人手所能達到的最小調節量ξ可取手輪外緣轉動1 mm的弧線，以便于調節[6]。設Ph為螺桿的螺距，Dh為微調手輪的直徑，R為平板玻璃的擺動半徑，則有

5.23×10-4rad=0.029°.

(5)

因此在選擇角位移傳感器時，其分辨率要高于0.029°(即1.75′)，才能保證系統的測量分辨率。在此選擇位數為16、分辨率為0.33′、精度為±4′的單圈絕對式角度傳感器。

3 誤差分析

影響測量精度的因素包括人眼觀測時的對準誤差、零位儀本身作為內置平板玻璃平行光管的光管誤差、角位移傳感器與平板玻璃鏡框中心軸之間的同軸誤差以及傳感器自身的誤差。

3.1 對準誤差σ1

(6)

3.2 光管誤差σ2

光管中的視差、分劃板的定心誤差可通過裝調予以消除，在此忽略不計。光管誤差的主要來源為分劃板刻線的制作誤差，通過精密加工可保證分劃板刻線的精度Δ=0.01 mm，光管焦距f0≈220 mm. 該誤差服從正態分布[8]時置信因子K2=3，則光管誤差為

(7)

3.3 軸系誤差σ3

補償玻璃鏡框的旋轉軸采用半運動式結構[9]，如圖5所示。由于軸系配合間隙Δdg導致軸系產生了一定的角度晃動，軸系偏離理想中軸線的極限晃動角度Δα為

(8)

(9)

根據平板玻璃的偏轉角度即傳感器的偏轉角度10.75°，則最后的軸系誤差為

σ3=σα·tan(2I)=5.77tan 21.5°=
2.27″=0.011 mil.

(10)

3.4 傳感器誤差σ4

實驗中選擇的角位移傳感器精度為±4′，在(4)式中將θ對I求偏導，得

(11)

該誤差服從正態分布時置信因子K4=3，則傳感器誤差

(12)

遠遠小于測量精度要求的0.03 mil，在此可忽略不計。因此，總的測試誤差σ為

(13)

由(13)式可知，電子細分讀數測量方法的檢測精度為0.03 mil，達到了本文的技術指標要求。

4 驗證實驗

實驗裝置包括基座、經緯儀(精度為2″)、機械式細分讀數零位儀、角位移傳感器和數顯表，如圖6所示。在機械式細分讀數零位儀的基礎上將角位移傳感器安裝到補償玻璃轉軸上，將其改造為電子式細分讀數零位儀，既能通過手輪讀數也能通過OLED讀數，進而通過對比實驗來驗證新的細分讀數方法精度。在實驗中，以精度為2″的經緯儀作為標準器來判讀零位儀的讀數誤差。

實驗時用經緯儀上的光學瞄具初步瞄準零位儀中的分劃板，轉動瞄準望遠鏡調焦手輪使零位儀中的分劃板影像清晰，再用經緯儀中的十字線精確對準零位儀分劃板中心[7]。對準后將經緯儀分別調到1 mil、2 mil、3 mil、4 mil、5 mil對應的角度值0°3′36″、0°7′12″、0°10′48″、0°14′24″、0°18′00″，通過旋轉手輪使零位儀中的分劃刻線與經緯儀中的刻線分別一一對準，讀出OLED上顯示的數據以及機械機構分劃窗和讀數手輪上的數據，從而既能對電子細分讀數方法進行標定，又能對兩種讀數方法進行比較。對比實驗數據如表2和表3所示，由表中的實驗數據可知：機械式讀數方法在水平和豎直方向的最大絕對誤差分別為0.054 mil和0.062 mil；電子式讀數方法在兩個方向的最大絕對誤差分別為0.023 3 mil和0.016 7 mil. 由此可見，電子式讀數方式的分辨率和精度比機械式的讀數方式要高。

5 結論

1)本文提出了一種零位儀電子細分讀數方法，與機械式細分讀數方法相比，該方法采用角位移傳感器直接讀取補償平板玻璃的轉角值，利用電子細分技術和計算機數字化處理技術將該角度值解算成最終的零位走動量值，省卻了復雜的位移細分讀數裝置，通過耦合棱鏡將OLED顯示的零位走動量的數值耦合到準直光路中，實現了在微動對零過程中的直接讀數。

2)本文方法在提高檢測分辨率和精度的同時，大大簡化了設備結構，對提高設備性能、降低制造成本具有工程意義。

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ElectronicSubdivisionReadingMethodofZeroMeasuringInstrumentandItsImplementation

LIANG Xu, WANG Jin-song, ZHOU Xu-yang

(School of Photo-Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022, Jilin, China)

An electronic subdivision reading method is proposed to improve the resolution and accuracy of zero testing instrument for day and night sights of small arms. The alignment readings are compensated by simulating an infinity target with the built-in flat glass collimator and adjusting the two pieces of flat glasses which are in horizontal and pitch dimensions, respectively, to offset the infinity target image. Two high-resolution angular displacement sensors are used to measure the deflection angles of the flat glasses in two dimensions, the measured angle values are digitally processed by using the microcontroller and displayed on an organic light-emitting diode (OLED) display, and the image on OLED is coupled to the collimated light path through a coupling prism. A theoretical model of measurement is established, and the measured results are calibrated using high precision photoelectric theodolite. The result shows that the resolution of the method is up to 0.001 mil and the error is less than 0.03 mil. Compared with the traditional mechanical subdivision reading method, the resolution and measuring accuracy of the proposed method are improved significantly.

ordnance science and technology; zero momentum; angular displacement sensor; organic light-emitting diode display

TH745.4； TJ203+.9

A

1000-1093(2017)12-2423-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.016

2017-04-23

吉林省科技支撐計劃重點項目(20130206013GX)

梁旭(1993—)， 男， 碩士研究生。 E-mail： 1754377378@qq.com

王勁松(1973—)， 男， 教授， 博士生導師。 E-mail： soldier_1973@163.com