光学平台上的升降台台面偏摆量的检测方法

王 浩 杨 峰 谭 宇 上官永平 王艳维

(西安应用光学研究所，西安 710065)



光学平台上的升降台台面偏摆量的检测方法

王 浩 杨 峰 谭 宇 上官永平 王艳维

(西安应用光学研究所，西安 710065)

本文论述了利用自准直仪、平面反射镜、百分表和直角铁建成一套测量装置对在光学平台上使用的升降台台面偏摆量(俯仰角度变化和水平位移偏离)进行检测取得了较好的实验效果。该方法原理正确，设备简单、操作容易，在同行中有较好的推广应用前景。

光学平台；升降台；俯仰角度变化量；水平位移偏离量

0 引言

光学平台上架设的升降平台在升降过程中，要能满足各种实验要求，就必须保证升降平台在升降过程中，其台面始终保持直上直下，不产生较大的俯仰角度变化或者水平位置的偏离。

实际上不论哪一种升降平台在升降过程中，都会呈现不同程度的摇摆晃动，这个偏摆过程会导致两种不合格情况发生：第一种是升降平台台面与光学平台台面有一个夹角，这个角度时大时小，可以判定升降平台不合格；第二种是升降平台台面始终保持和光学平台平行，但出现平行位移，所以升降平台仍然不合格。

偏摆量增大了升降平台底部的载荷，使其不稳定，因此必须知道偏摆量的大小，进而得知因为偏摆量而引起的误差，以便对实验数据进行修正。所以对升降平台偏摆量进行讨论具有很大的现实意义。

本文以载剪切式升降平台(以下简称升降台)为例，介绍一种简便可靠的升降台台面俯仰角度变化量和水平位移偏离量的检测方法。

1 升降台台面俯仰角度变化量

升降台台面俯仰角度变化量：升降台台面在升降过程中，台面角度时大时小，在升降到某一高度时，其台面相对于光学平台台面产生旋转和倾斜的角度大小。

如图1所示，采用一个支架，一台精度为±2″的自准直仪和一个平面度为二分之一个光波波长的平面反射镜，组成一套测量装置，实现对升降台台面俯仰角度变化量的检测。

图1 升降台台面俯仰角度变化量的检测

首先在支架上架设好自准直仪(也可以选取在任意一个升降台上架设，把这个升降台当作支架)，再在另一个升降台T上架设好平面反射镜，把升降台T降到最低，调节自准直仪与平面反射镜垂直，这时自准直仪自身分化板的十字像和反射回来的十字像重合。升起升降台，在升降的过程中，如果十字分化像出现双影就说明升降台在升降过程中有角度摆动，直接从十字双影中就可以读出上下角度变化量和左右角度变化量。然后再把升降台T旋转90°，重新固定平面反射镜并调节自准直仪与平面反射镜垂直，用同样的办法可以检测出升降台台面另一个方向的俯仰角度变化量。

2 升降台台面水平位移偏离量的检测方法

升降台台面水平位移偏离量：升降台并非垂直升降，而是在升降过程中，其台面升降到某一高度时，向前﹑后方向，或左﹑右方向上，相对于光学平台台面平行移动的最大距离。

如图2所示，这套检定装置任意选用一个升降台作为支架，采用0.01mm精度的百分表和0级精度的直角铁一个，来检测升降台台面位移偏离量。

图2 升降台台面水平位移偏离量的检测

任意选取升降台1和升降台2，用2测1的位移量。先将百分表架设在升降台2上，在升降台1上架设好直角铁，把2个升降台都降落到最低，将百分表表头接触直角铁，调好百分表接触量，旋转表盘，表针指到零位，然后同时转动升降台手柄，使其从最低点上升到最高点，此过程中百分表的最大伸长量为m；卸下直角铁旋转180°，将其固定到升降台1的对面一端，升降台1旋转180°，重新调好表后，再同时从最低点上升到最高点，而这个过程中百分表的最大伸长量为n，则升降台1在升降过程中，台面最大水平移动量为：S1=(m-n)/2。比如：开始检验时百分表伸长量m=20μm，旋转180°后，百分表伸长量n=-30μm，则升降台1在升降过程中台面最大水平移动量：S1=[20-(-30)]/2=25μm。

以上是检测升降台在前后方向的平移量，左右方向的平移量检测方法相同。

3 俯仰角度变化量和水平位移偏离量的误差分析

不同的光路对升降平台偏摆量的精度要求是不一样的：有高、有低、有的甚至没有精度要求。针对不同的偏摆量精度要求，要选择不同精度的自准直仪和量表。采用不同精度的测量装置会直接影响到升降台台面俯仰角度变化量和水平位移偏离量的测量不确定度。

一般来说，升降台俯仰角度最大变化量为±4″，水平位移最大偏离量为±0.02mm，就能满足绝大多数实验。针对此精度应选择精度为±2″的自准直仪和精度为0.01mm的百分表。

自准直仪的视场大小就是升降台台面俯仰角度变化量的测量范围，视场越大测量范围越大，通常与之相应的精度也会有不同程度的降低。

测量用表(百分表或千分表)的量程大小就是升降台台面水平位移偏离量的测量范围，百分表的量程通常足够，但千分表的量程只有1mm或2mm两种。

对于个别精度更高要求的升降台，就要使用更高精度自准直仪和更高的，精度为0.001mm的量表(千分表)。

自准直仪的精度就是俯仰角度变化量的检验精度，而测量用表精度的2倍就是水平位移偏离量的检验精度。

平面反射镜应当选择高精度的光学平面反射镜，其平面度一般只有几分之一个光波的波长，这样高的精度能够使得从反射镜中反射回来的光线再次在分划板上形成清晰的十字像便于观察，反射镜的平面度只会影响到反射回来的十字像是否清晰，而不会因此造成十字像位置的变化而影响精度。

由于升降台在升降过程中配合间隙在变化，所以只检测一次就得出结果是不完善的，应至少重复往返检测三次以上取平均值作为最终结果。

4 安装要求和注意事项

自准直仪和反射镜安装一定要牢固，不能因受力而晃动，但位置度要求不高。量表安装也要牢固，不能松动，否则测出的是假值。根据经验，一般将百分表接触量调为0.20mm即可。自准直仪或反射镜上下、前后、左右的微小水平偏离，丝毫不会影响到反射回来的十字像位置。俯仰角度的微小偏离量会有明显的影响，但总共要读取最大值和最小值各一次，求二次读数之差。由于对二次影响量的大小正负均相同，对于二次读数之差没有任何影响。所以安装允许有一定的偏差。

5 结论

这种检测方法，任意选取一个升降台，能够测出其它多个升降台的精度，实现互相测量，效率高、准确度高，简便而实用，能满足对各种实验的要求。

对于在实验室里光学平台上架设的各类升降平台台面的偏摆量，目前国内外还没有更好的检测方法。在此也希望能起到抛砖引玉的作用。

由于载剪切式升降平台结构特点的限制，升降平台的偏摆是不可消除的。但是我们通过以上检测方法，测得偏摆量的大小，在实验时能很好地消除升降平台的误差，实践证明是有效的。

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[2] 李树波．自准直仪在垂直度测量中的应用．计量技术，2001(2)

[3] 喻萍．用自准直仪检测角度块工作角．计量技术，2002(7)

[4] 周晓尧，范大鹏，张智永．升降式光电探测平台定位原理与误差分析．宇航学报，2011(6)

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.12