《电子度盘角》PPT课件.ppt
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1、测量工程与装备系:范 百 兴,2023年7月20日,电子度盘测角原理及应用,3.10 精密电子测角,本次课程主要内容:,电子测角概述 光栅度盘测角原理 码区度盘测角原理 条码度盘测角原理 动态度盘测角原理 电子测角的比较 ATR测量原理 测角精度评定,光学经纬仪角度测量,课程内容回顾,T2经纬仪的角度观测方法 测微、配置度盘 经纬仪轴系误差的测定和改正 需要人工计算和改正,一、电子测角概述,3.10 电子测角,20世纪60年代,电子度盘的出现,使电子经纬仪实现了角度的自动读数、自动显示、自动记录、自动改正等功能。,一、电子测角概述,3.10 电子测角,电子度盘经纬仪的测量原理可分为以下几种:,
2、1、光栅度盘测角原理,码区度盘 条码度盘,2、编码度盘测角原理,3、动态度盘测角原理,二、光栅度盘测角原理(Optical Grating Circle),3.10 电子测角,1、光栅(Optical Grating),将两张参数相同的光栅沿线条方向小角度相重叠所形成的明暗相间的条纹,即莫尔条纹。,3.10 电子测角,2、莫尔条纹(Moire Pattern),莫尔条纹移动与光栅移动相对应,当光栅移动一个光栅距,莫尔条纹就移动一个条纹宽度B,或莫尔条纹亮暗变化一周期。,3.10 电子测角,2、莫尔条纹,莫尔条纹的位移放大作用,如图中所示:,则莫尔条纹宽度B对光栅距的放大倍数k为:,由于角很小,
3、则:,3.10 电子测角,莫尔条纹宽度随角的减小而增大,有利于在一个条纹 宽度内设置多个光电探测装置。,莫尔条纹对光栅误差的平均作用,原理:莫尔条纹的刻线交点组成的连线应该是直线,光电器件接收的光信号是探测视场内N条线纹数的综合平均结果,设单个栅距误差为,则栅距平均误差为:,3.10 电子测角,(6)把亮暗变化的光信号转换成电信号,实现脉冲计数角度测量,发光管(1)发出的光经照明光学系统(2)后变成平行光,照亮光栅度盘(3)和指示光栅(4),3.10 电子测角,3、光栅度盘测角装置及其测量原理,(3)和(4)相对运动形成莫尔条纹,经接收光学系统(5)后到达光电接收管(6),本质是一个具有对光栅
4、信号进行光电计数功能的光栅读数头。,3.10 电子测角,3、光栅度盘测角装置及其测量原理,测角原理,光栅度盘转动一条光栅,莫尔条纹在接收管上就移动一个条纹宽度,光电接收管中的光电流就变化一周期。,设光栅度盘全周划线为m,则相邻两光栅间的夹角0为:,如果接收管光电计数测得光栅度盘转动的光栅数为n,则其转动的角度为:,3.10 电子测角,3、光栅度盘测角装置及其测量原理,测角原理,光栅度盘是测定光栅转动的增加量,被称为增量式测角 度盘测角误差具有积累性 关机后角度信息不保留 开机需要初始化,4、光栅度盘转动方向判别,光栅度盘应该能自动判断转动方向,即当照准部顺时针旋转时,计数系统做加法计数,逆时针
5、旋转时,做减法计数。,3.10 电子测角,顺时针转动,莫尔条纹从左向右移动,a管电流信号超前b 管电流信号90;,逆时针转动,莫尔条纹 从右向左移动,a管电 流信号滞后b管电流信 号90;,3.10 电子测角,光栅度盘转动方向判别的原理,5、光栅度盘测角中的电子测微技术,3.10 电子测角,当光栅度盘直径为7cm,圆周长约为22cm,线条密度为100,则两光栅刻线对应的夹角:,3.10 电子测角,5、光栅度盘测角中的电子测微技术,四倍频直接测微法(Fourfold-Frequency Direct Micrometry),光电接收管a、b产生两个相位差为90的电流信号,即每个莫尔条纹产生四个脉
6、冲,使脉冲周期缩短四分之一。,TC1全站仪反射光栅度盘,反射式光栅度盘直径为8cm,共有12500个线条,角度分划值104。为了达到3的最小分辨率,需要测微因子32。,反射度盘和相位指示光 栅,得测微因子2;度盘对径位置安置两套测量 装置,得测微因子2;四枚硅光电池产生四个相位 差为90的正弦信号,可得 测微因子8,3.10 电子测角,5、光栅度盘测角中的电子测微技术,3.10 电子测角,三、码区度盘测角原理,1二进制编码度盘测角(Binary Coding Circle),码道:编码度盘分为若干宽度相同的同心圆环,码区 在码道的基础上,将编码度盘分成数目一定、面积相等的扇形区,关系 设码道数
7、为n,则相应的码区数S为:,码区的各码道处理成透光(1)、不透光(0),通过光电二极管将光信号转换为电信号,即获得该码区的二进制读数。,3.10 电子测角,1二进制编码度盘测角,二进制数经译码器转换成十进制值,然后乘以一个权重,则每一组二进制码一一对应度盘分划中的某一角度值,从而实现角度测量的自动读数与显示。,3.10 电子测角,1二进制编码度盘测角,编码度盘的角度信息刻制在玻璃度盘上,因此编码度盘具有以下两方面的优点:仪器一开机即可读取和显示角度信息 关机后角度信息不丢失 度盘测角误差不积累,码区度盘测角的优点,因此,常称编码度盘测角为绝对式测角。,3.10 电子测角,1二进制编码度盘测角,
8、由于制造误差的影响,相邻两码区的交界线存在锯齿误差,此处易产生读数错误。,相邻码区的码道状态有几个同时发生变化。,码区度盘测角的缺点,粗差产生的根本原因.,图中:正确0000(相当0读数)实际1000(相当180读数),3.10 电子测角,1二进制编码度盘测角,葛莱于1953发明了新的编码方式葛莱码(Gray Code),亦称循环码。当二进制的位数为n时,循环码数也有n位,两者之间的逻辑关系为:,式中:B表示二进制码,G表示葛莱码,i为1至n-1之间的整数。,3.10 电子测角,葛莱码盘测角(Gray Code Circle),4位二进制码、葛莱码和对应的十进制数之间的关系如表所示:,3.10
9、 电子测角,葛莱码盘测角,即使葛莱码盘存在锯齿误差,由此产生的误差只影响到相邻码区,不大于一个码区对应的角度值。,葛莱码度盘的特点是:各位数均为无权代码;相邻两数之间只有一位码发生变化。,3.10 电子测角,葛莱码盘测角,原因 要提高角度分辨率,需要增加码区数量。而码区数的增加,显然要减小码区弧长和面积,增加制作难度。,示例 若角度最小分辨率为10,仪器度盘直径为80mm,则有:码区数为129600 码区最外沿的弧长为0.002mm,码区度盘的电子测微原理,3.10 电子测角,基本结构外侧:八码道葛莱码刻划 角度分划为1.4 决定角度的度、分值内侧:全圆128个周期的正弦刻缝,基本原理 对每个
10、正弦刻缝内插1000个脉冲,即把全圆分为128000个分划,每一分划约为10,决定角度中的分、秒值。,3.10 电子测角,码区度盘的电子测微原理,多码道码区度盘的加工工艺比较复杂,成本较高。20世纪90年代以后,徕卡全站仪普通采用了条码度盘。条码是由一组按一定编码规则排列的条、空符号,用以表示一定的字符、数字及符号组成的信息。条码系统是由条码符号设计、制作及扫描阅读组成的自动识别系统。,条形编码,3.10 电子测角,四、条码度盘测角原理,徕卡全站仪条码度盘,3.10 电子测角,四、条码度盘测角原理,条码度盘使用条形系统区分和识别度盘的角度信息,其主要特点是只需一个刻划码道。,1发光管2光路系统
11、3条码度盘4线性CCD阵列,由发光管发出的光线通过一定光路照亮度盘上的一组条形码,该条形码由一线性CCD阵列识别,经一个8位A/D(模/数)转换器读出,提供大约0.3gon(0.27)精度的概略读数。,3.10 电子测角,四、条码度盘测角原理,3.10 电子测角,四、条码度盘测角原理,在对径设置多个条码探测装置,其作用为:提高角度的读数精度 消除度盘偏心差,徕卡TC1800对径安装一对条码探测装置;而TC2003对径设置两对条码探测装置,采用专用角度计量仪器TPM对全站仪度盘偏心的幅度和度盘偏心的相位角进行测定,测角精度随着CCD阵列的增加而增加。,3.10 电子测角,四、条码度盘测角原理,条
12、形码识别,3.10 电子测角,四、条码度盘测角原理,确定CCD阵列上独立编码线的中心位置 使用适当的计算方法求得平均值,完成精密测量 捕获至少10条编码线才能确定位置,通常情况下,单次测量可包含大约60条编码线,因此改进了角度内插精度,进一步提高了角度测量的可靠性。,补充:,常用的角度单位:1、360度六十进制:2、360度十进制:3、哥恩(gon):400gon=360 4、密位(mil):6400mil=360 5、弧度(rad):2=360,3.10 电子测角,3.10 电子测角,五、动态度盘测角原理,原理 在度盘的外缘设置有与基座连结的固定光电探测器LS,而在内缘设置有与照准部连接在一
13、起随照准部旋转的活动光电探测器LR。如果将LS视为零位,则LR相当于望远镜的视准方向,LS与LR之间的夹角 即为待测的角度。,3.10 电子测角,度盘全周的所有刻划都参与了 的测量,故有利于消除度盘分划误差的影响。,原理 度盘旋转时,当透光条纹通过光电探测器时,则输出高电平;当不透光条纹通过光电探测器时,则输出低电平。随着度盘的连续旋转,探测器分别输出方波信号。,3.10 电子测角,原理 度盘一个刻划周期对应的圆周角为:0=2/N 则探测器LS、LR之间夹角可表示为:=n0+在度盘转速恒定的情况下,测定夹角实质上是测定某一度盘刻划分别经过两探测器的时间差T,即:T=nT0+t,3.10 电子测
14、角,原理 在度盘中设置角度粗测刻划标志,在每隔90的位置上设置4个标志A、B、C、D。如果测定标志A分别通过LS、LR探测器的时间差为TA,则待测角中0个数为:,同样,通过标志B、C、D也可分别测得n值,用于相互检核。如果有差异,则自动重复测量一次,以保证值的正确性。,3.10 电子测角,特点 动态度盘测角的最大特点是度盘全周分划都参与扫描测角,有效地消除了度盘分划误差的影响。通过对径设置两对LS、LR 探测器,可进一步消除度盘偏心差的影响。,应用 动态度盘测角原理常用于高精度电子测角,但因耗电量高、测量速度相对较慢等原因,近年来已不大使用。,3.10 电子测角,五、动态度盘测角原理,度盘测角
15、原理,光栅度盘 测角测定的是指示光栅相对光栅度盘的转动量的累计,故称光栅度盘测角为相对增量式测角。,编码度盘 角度信息直接刻在度盘上,度盘区域与角度值一一对应,传感器将编码信息解读得到角度信息,被称为绝对式测角。,动态度盘 角度信息体现在运动传感器与固定传感器之间所形成的夹角,通过累计测定某一光栅度盘刻线分别经过两传感器的时间差而求得,因此属增量式测角方式。,3.10 电子测角,六、电子测角的比较,关机后角度信息的保留,光栅度盘 指示光栅相对光栅度盘的转动信息是一个过程概念,没有物质载体,仪器关机后该信息即消失,仪器次开机时角度为零,或者转动仪器探测度盘零位后才能显示角度信息。,编码度盘 角度
16、信息直接刻在度盘上,有具体的物质载体,当仪器关机时角度信息保留,在仪器开机时即可显示角度信息。,动态度盘 角度信息由两个传感器之间的夹角来表示,有具体的物质载体,因此当仪器关机时角度信息仍然保留,并且在仪器开机时即可显示角度信息。,3.10 电子测角,度盘测角误差的积累,光栅度盘 采用指示光栅相对光栅度盘转动的增量式测角方式,因此度盘光栅刻划误差、角度读数电路噪声误差等都有积累的影响,编码度盘 采用绝对式测角方式,直接获取度盘某一区域的角度信息,没有累计测量过程,因此不存在度盘测角误差的积累。,动态度盘 动态度盘因所有刻划参加积分扫描测角,可消除度盘分划误差的影响,但同样有角度读数电路噪声误差
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