精密小角度校準裝置的研究與設計

李 昆，何學軍，何小妹，張丙玉

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

物體在動態環境下的傾角變化是描述物體運動狀態或特征的重要參數，尤其對于小角度測量無論在軍事測量領域，還是在民用工程領域均有廣泛應用。用于測量小角度的器具主要有光學合象水平儀、框式水平儀、電子水平儀、自準直儀等[1]，這些計量器具不僅是工程技術人員在機床設備及武器裝備的水平姿態調整中使用的必備測量設備，更是武器裝備加工和維修人員不可缺少的計量工具。此類小角度計量器具的準確度對于測量結果至關重要，需定期校準[2]，目前國家對此類器具的校準主要依據JJG 103—2005《電子水平儀和合像水平儀檢定規程》。然而，其要求的標準器較為復雜，對于一般的非專業計量技術機構，在應用過程中存在著一些難度和問題，而且實際應用中大多數現有的小角度校準裝置操作繁瑣，耗時費力，不便于準確讀數與使用，大大影響了一線操作人員的檢定工作效率。故在此，通過利用正弦原理，研究并設計了一種簡易的、低成本的精密小角度校準裝置。

1 系統工作原理及總體方案設計

1.1 小角度校準裝置工作原理

精密小角度校準裝置的工作原理采用的是正弦法，如圖1 所示。

圖1 小角度校準裝置工作原理Fig.1 Working principle of small angle calibration device

當杠桿L 微微抬起一個高度H 后，會產生一個標準小角度α，即：

1.2 小角度校準裝置總體方案設計

精密小角度校準裝置具體機構設計如圖2 所示。小角度校準裝置由大理石平板、角度發生部件、反射鏡、測高傳感器、數顯箱、軟件組成。整套裝置放置在一定尺寸的花崗石平臺上，橫梁的一端連結支承軸，支承軸在V 型機構內轉動（設計有壓簧，使支承軸與V 型機構保持接觸），另一端與微動手輪連結，轉動手輪可以使橫梁抬起或落下，其中反射鏡安裝在橫梁上，與橫梁一起繞V 型機構轉動；傳感器安裝在固定支架上，測頭與橫梁接觸，記錄橫梁的位移量。

圖2 小角度校準裝置機構設計Fig.2 Mechanism design of small angle calibration device

數顯箱根據得到的位移量和已知設定的L 值，計算得到相應的角度并通過數顯表界面實時顯示。此外，角度值還可通過數顯箱配備的USB 接口，直接傳輸到上位機，再經過按規程要求編寫相應的上位機測量軟件，實現對測量角度值及被測器具顯示值的示值誤差等參數的計算與顯示。

所研制的小角度校準裝置技術參數如下：

①測量范圍 -50′～50′；

②分辨率 0.01″；

③最大允許示值誤差 ±0.0025 mm/m；

④外形尺寸 600 mm×300 mm×450 mm；

⑤重量 40 kg。

所研制的小角度校準裝置，如圖3 所示，與傳統的小角度校準裝置相比，操作更簡單快捷，讀數更穩定，結構更緊湊，可以避免操作上引入的人為誤差，且被測物與裝置同處于一塊平板上，抗干擾能力更強。該校準裝置采用高精度傳感器，利用正弦原理，將被測件與設備固定在同一個平臺上，最大限度消除外界的干擾，被校設備方便裝調。

圖3 小角度校準裝置實物Fig.3 Small angle calibration device

小角度校準裝置配有專用上位機測量 （校準）軟件，界面簡潔，便于操作與計算顯示，并且整套上位機測量（校準）軟件的數據處理完全依據現行有效規程編寫。

2 精密小角度校準裝置的各單元設計

2.1 機械平臺單元

小角度校準裝置的機械平臺單元主要包括懸臂梁、轉動機構、微調機構、以大理石為核心的支撐平板等四部分。其中，固定轉動機構安裝在平板上，懸臂梁一端與轉動機構相連，另一端通過拉簧與平板相連；微調機構由滾花高頭螺母通過中心軸承與旋鈕座連成一整體組成，安裝固定在平板上，并在懸臂梁上裝有反射鏡。

2.2 基于CPLD 的數顯箱單元

基于CPLD 的數顯箱單元，作為整個小角度校準裝置的控制中樞部分，主要功能如下：1）實現對高度傳感器輸出的攜帶有方向與高度信息（H 值）的TTL 差分信號的辨向、計數及細分處理；2）通過相關算法計算，得出角度值，并完成實時顯示；3）與上位機軟件的通信，實現相關數據的上下傳輸。

基于CPLD 的數顯箱作為整套裝置研制的技術核心與關鍵點之一，其好壞直接影響小角度校準裝置的總體性能與儀表的可靠性。目前對于高度傳感器輸出信號進行辨相/細分/計數處理，通常采用四倍細分的方法[3]。然而，傳統的四倍細分法常采用分立、復雜的集成電路實現細分功能，往往造成電路信號不穩定性、抗干擾能力差等問題[4-5]，進而影響光柵傳感器與數顯裝置的整體性能。故在此以常見四倍細分電路為基礎，提出基于CPLD 的高穩定性、高集成度的四倍細分電路實現方案。

針對傳統設計方案存在的問題，所設計的方案主要利用EPM570 可編程邏輯器件的特點，簡化功能電路[6]，不僅從結構、體積上簡化了硬件電路的設計，還提高了電路的抗干擾能力。

基于EPM570 的細分電路硬件模塊設計如圖4所示。圖中，clk_in 為時鐘信號輸入；byte_en_in［1：0］為字節輸出選擇，可最多實現32 位數據的輸出；wave_sin_in 為輸入信號A；wave_cos_in 為輸入信號B；rst_n_i 為復位端；data_o 為輸出數據（8 位）。

圖4 基于EPM570 的細分電路硬件模塊設計Fig.4 Hardware module design of subdivision circuit based on EPM570

2.3 測高傳感器單元

圖5 測高傳感器單元實物Fig.5 Physical object of height sensor unit

該校準裝置的測高傳感器單元主要采用高精度微位移傳感器（如圖5 所示）。這一傳感器主要運用光柵莫爾條紋，輸出2 路相位差90°的TTL 數字信號[7]。該測高傳感器具有測量范圍大，精度高，且堅固耐用等特點，完全滿足精密小角度校準裝置的設計要求。

微位移傳感器可選用12，25，30，60，100 mm 等多種測量量程的產品。因此，一款小角度校準裝置可以通過選用不同測量范圍的產品來測量不同的零件，從而避免頻繁地更換或者重復采購價格昂貴的測量設備。該傳感器技術參數見表1。

表1 微位移傳感器技術參數Tab.1 Technical parameters of micro displacement sensor

3 精密小角度校準裝置的程序設計

該校準裝置的程序設計主要有控制單元的驅動程序和校準裝置上位機應用界面。

3.1 控制單元的驅動程序

控制單元的驅動程序主要采用keilC51 軟件編寫。驅動程序首先完成對各個芯片的初始化設計，然后是利用外部中斷，接收外部觸摸控件的觸發指令，完成相應的數據處理與控制函數執行，實現人機信息實時交互。其具體流程如圖6 所示。

圖6 小角度校準裝置執行流程Fig.6 Flow chart of small angle calibration device

首先將傳感器連接于數顯表，接通數顯表后電源，將數顯表后的開關調至ON，此時校準裝置設備已經打開。將被測儀器按照不同測量功能放置于指定的待檢位置。測量前，如果需要對裝置進行調零或者L 值修改操作，則通過觸摸控件進入設置界面，通過相應的觸摸控件設置完成具體操作。該校準裝置具有位置開關機記憶功能，故上次關機或掉電的位置即為此次上電時顯示的初始位置，按“清零”鍵可將當前初始位置清零開始測量。

為保障測量的準確性和量程范圍的最大化，建議盡量選擇傳感器測量量程的中間位置作為測量初始位置，通過旋轉旋鈕產生角度，由數顯表讀出確切數據，用于自準直儀、電子水平儀等的測量。

3.2 校準裝置上位機應用界面

該校準裝置上位機應用界面的設計采用了Visual Studio，主要實現串口數據的讀寫、分析與數據儲存等功能。小角度校準裝置的應用界面如圖7 所示。

圖7 小角度校準裝置的應用界面Fig.7 Application interface of small angle calibration device

4 裝置測試試驗

為驗證本設計方案的可行性，搭建了試驗樣機系統，并在某型傳動傾斜運動平臺上進行了相關實際測量試驗，其測試結果見表2。電子水平儀與小角度檢查儀的比對試驗數據見表3。

表2 1 級自準直儀與小角度檢查儀比對的試驗數據Tab.2 Experimental data of comparison between level 1 autocollimator and small angle tester

表3 電子水平儀與小角度檢查儀比對的試驗數據Tab.3 Experimental data of comparison between electronic level and small angle tester

由表2 和表3 可知，在各點處所研制的小角度校準裝置儀的示值均滿足最大允許示值誤差±0.0025 mm/m 的技術指標要求。

后期的客戶使用情況表明，該裝置能夠滿足客戶單位對專用的位移傳感器校準裝置的應用需求，并對角度類儀器的檢查起著至關重要的作用，成為科研工作不可缺少的檢定儀器，可為廣大科研單位、各二三級計量站、主機場所使用，不僅可用于檢定自準直儀、合像水平儀、電子水平儀等計量器具，還可用于其他需要產生小角度的科研生產場所。該裝置可以提高工作效率，具有性能穩定，重復性好等優點，完全滿足國防軍工系統內對小角度校準高精度、高效率和自動化校準的迫切需要，有利于國防檢定校準系統的量值傳遞和溯源。

5 結語

在此提出了一種精密小角度校準裝置的設計方案，并研制出了實物裝置。測試試驗表明，不僅在功能上驗證了設計方案的可行性，完全能夠滿足工業現場及校準實驗室環境下對于小角度測量的要求，該設計方案也為開展高精度的小角度測量方法研究提供了一種參考思路。