精密小角度校准装置的研究与设计

李 昆，何学军，何小妹，张丙玉

（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）

物体在动态环境下的倾角变化是描述物体运动状态或特征的重要参数，尤其对于小角度测量无论在军事测量领域，还是在民用工程领域均有广泛应用。用于测量小角度的器具主要有光学合象水平仪、框式水平仪、电子水平仪、自准直仪等[1]，这些计量器具不仅是工程技术人员在机床设备及武器装备的水平姿态调整中使用的必备测量设备，更是武器装备加工和维修人员不可缺少的计量工具。此类小角度计量器具的准确度对于测量结果至关重要，需定期校准[2]，目前国家对此类器具的校准主要依据JJG 103—2005《电子水平仪和合像水平仪检定规程》。然而，其要求的标准器较为复杂，对于一般的非专业计量技术机构，在应用过程中存在着一些难度和问题，而且实际应用中大多数现有的小角度校准装置操作繁琐，耗时费力，不便于准确读数与使用，大大影响了一线操作人员的检定工作效率。故在此，通过利用正弦原理，研究并设计了一种简易的、低成本的精密小角度校准装置。

1 系统工作原理及总体方案设计

1.1 小角度校准装置工作原理

精密小角度校准装置的工作原理采用的是正弦法，如图1 所示。

图1 小角度校准装置工作原理Fig.1 Working principle of small angle calibration device

当杠杆L 微微抬起一个高度H 后，会产生一个标准小角度α，即：

1.2 小角度校准装置总体方案设计

精密小角度校准装置具体机构设计如图2 所示。小角度校准装置由大理石平板、角度发生部件、反射镜、测高传感器、数显箱、软件组成。整套装置放置在一定尺寸的花岗石平台上，横梁的一端连结支承轴，支承轴在V 型机构内转动（设计有压簧，使支承轴与V 型机构保持接触），另一端与微动手轮连结，转动手轮可以使横梁抬起或落下，其中反射镜安装在横梁上，与横梁一起绕V 型机构转动；传感器安装在固定支架上，测头与横梁接触，记录横梁的位移量。

图2 小角度校准装置机构设计Fig.2 Mechanism design of small angle calibration device

数显箱根据得到的位移量和已知设定的L 值，计算得到相应的角度并通过数显表界面实时显示。此外，角度值还可通过数显箱配备的USB 接口，直接传输到上位机，再经过按规程要求编写相应的上位机测量软件，实现对测量角度值及被测器具显示值的示值误差等参数的计算与显示。

所研制的小角度校准装置技术参数如下：

①测量范围 -50′～50′；

②分辨率 0.01″；

③最大允许示值误差 ±0.0025 mm/m；

④外形尺寸 600 mm×300 mm×450 mm；

⑤重量 40 kg。

所研制的小角度校准装置，如图3 所示，与传统的小角度校准装置相比，操作更简单快捷，读数更稳定，结构更紧凑，可以避免操作上引入的人为误差，且被测物与装置同处于一块平板上，抗干扰能力更强。该校准装置采用高精度传感器，利用正弦原理，将被测件与设备固定在同一个平台上，最大限度消除外界的干扰，被校设备方便装调。

图3 小角度校准装置实物Fig.3 Small angle calibration device

小角度校准装置配有专用上位机测量 （校准）软件，界面简洁，便于操作与计算显示，并且整套上位机测量（校准）软件的数据处理完全依据现行有效规程编写。

2 精密小角度校准装置的各单元设计

2.1 机械平台单元

小角度校准装置的机械平台单元主要包括悬臂梁、转动机构、微调机构、以大理石为核心的支撑平板等四部分。其中，固定转动机构安装在平板上，悬臂梁一端与转动机构相连，另一端通过拉簧与平板相连；微调机构由滚花高头螺母通过中心轴承与旋钮座连成一整体组成，安装固定在平板上，并在悬臂梁上装有反射镜。

2.2 基于CPLD 的数显箱单元

基于CPLD 的数显箱单元，作为整个小角度校准装置的控制中枢部分，主要功能如下：1）实现对高度传感器输出的携带有方向与高度信息（H 值）的TTL 差分信号的辨向、计数及细分处理；2）通过相关算法计算，得出角度值，并完成实时显示；3）与上位机软件的通信，实现相关数据的上下传输。

基于CPLD 的数显箱作为整套装置研制的技术核心与关键点之一，其好坏直接影响小角度校准装置的总体性能与仪表的可靠性。目前对于高度传感器输出信号进行辨相/细分/计数处理，通常采用四倍细分的方法[3]。然而，传统的四倍细分法常采用分立、复杂的集成电路实现细分功能，往往造成电路信号不稳定性、抗干扰能力差等问题[4-5]，进而影响光栅传感器与数显装置的整体性能。故在此以常见四倍细分电路为基础，提出基于CPLD 的高稳定性、高集成度的四倍细分电路实现方案。

针对传统设计方案存在的问题，所设计的方案主要利用EPM570 可编程逻辑器件的特点，简化功能电路[6]，不仅从结构、体积上简化了硬件电路的设计，还提高了电路的抗干扰能力。

基于EPM570 的细分电路硬件模块设计如图4所示。图中，clk_in 为时钟信号输入；byte_en_in［1：0］为字节输出选择，可最多实现32 位数据的输出；wave_sin_in 为输入信号A；wave_cos_in 为输入信号B；rst_n_i 为复位端；data_o 为输出数据（8 位）。

图4 基于EPM570 的细分电路硬件模块设计Fig.4 Hardware module design of subdivision circuit based on EPM570

2.3 测高传感器单元

图5 测高传感器单元实物Fig.5 Physical object of height sensor unit

该校准装置的测高传感器单元主要采用高精度微位移传感器（如图5 所示）。这一传感器主要运用光栅莫尔条纹，输出2 路相位差90°的TTL 数字信号[7]。该测高传感器具有测量范围大，精度高，且坚固耐用等特点，完全满足精密小角度校准装置的设计要求。

微位移传感器可选用12，25，30，60，100 mm 等多种测量量程的产品。因此，一款小角度校准装置可以通过选用不同测量范围的产品来测量不同的零件，从而避免频繁地更换或者重复采购价格昂贵的测量设备。该传感器技术参数见表1。

表1 微位移传感器技术参数Tab.1 Technical parameters of micro displacement sensor

3 精密小角度校准装置的程序设计

该校准装置的程序设计主要有控制单元的驱动程序和校准装置上位机应用界面。

3.1 控制单元的驱动程序

控制单元的驱动程序主要采用keilC51 软件编写。驱动程序首先完成对各个芯片的初始化设计，然后是利用外部中断，接收外部触摸控件的触发指令，完成相应的数据处理与控制函数执行，实现人机信息实时交互。其具体流程如图6 所示。

图6 小角度校准装置执行流程Fig.6 Flow chart of small angle calibration device

首先将传感器连接于数显表，接通数显表后电源，将数显表后的开关调至ON，此时校准装置设备已经打开。将被测仪器按照不同测量功能放置于指定的待检位置。测量前，如果需要对装置进行调零或者L 值修改操作，则通过触摸控件进入设置界面，通过相应的触摸控件设置完成具体操作。该校准装置具有位置开关机记忆功能，故上次关机或掉电的位置即为此次上电时显示的初始位置，按“清零”键可将当前初始位置清零开始测量。

为保障测量的准确性和量程范围的最大化，建议尽量选择传感器测量量程的中间位置作为测量初始位置，通过旋转旋钮产生角度，由数显表读出确切数据，用于自准直仪、电子水平仪等的测量。

3.2 校准装置上位机应用界面

该校准装置上位机应用界面的设计采用了Visual Studio，主要实现串口数据的读写、分析与数据储存等功能。小角度校准装置的应用界面如图7 所示。

图7 小角度校准装置的应用界面Fig.7 Application interface of small angle calibration device

4 装置测试试验

为验证本设计方案的可行性，搭建了试验样机系统，并在某型传动倾斜运动平台上进行了相关实际测量试验，其测试结果见表2。电子水平仪与小角度检查仪的比对试验数据见表3。

表2 1 级自准直仪与小角度检查仪比对的试验数据Tab.2 Experimental data of comparison between level 1 autocollimator and small angle tester

表3 电子水平仪与小角度检查仪比对的试验数据Tab.3 Experimental data of comparison between electronic level and small angle tester

由表2 和表3 可知，在各点处所研制的小角度校准装置仪的示值均满足最大允许示值误差±0.0025 mm/m 的技术指标要求。

后期的客户使用情况表明，该装置能够满足客户单位对专用的位移传感器校准装置的应用需求，并对角度类仪器的检查起着至关重要的作用，成为科研工作不可缺少的检定仪器，可为广大科研单位、各二三级计量站、主机场所使用，不仅可用于检定自准直仪、合像水平仪、电子水平仪等计量器具，还可用于其他需要产生小角度的科研生产场所。该装置可以提高工作效率，具有性能稳定，重复性好等优点，完全满足国防军工系统内对小角度校准高精度、高效率和自动化校准的迫切需要，有利于国防检定校准系统的量值传递和溯源。

5 结语

在此提出了一种精密小角度校准装置的设计方案，并研制出了实物装置。测试试验表明，不仅在功能上验证了设计方案的可行性，完全能够满足工业现场及校准实验室环境下对于小角度测量的要求，该设计方案也为开展高精度的小角度测量方法研究提供了一种参考思路。