摘要：论述了动态全积分法的基本原理和误差分析，比较了几种墓本结构和信号处理方法的优缺点，对实现方法的关键技术进行了讨论。组合装配成原理实验装五，并作了三个对比实验.取得了较好的初步结果。实验表明动态全积分法能很好地消除光栅或11划误差及偏心的影响，提高了园分度精度。此法适用于高精度$.l量系统。
引言
度盘、光栅盘是测角仪器的关键元件，测角精度取决于度盘、光栅盘本身的精度和读取角位移的方法.1907年Herry.Wild提出了对径读数方法，使以度盘为基准的测角仪器精度大有提高。光栅莫尔技术问世后，由于它的平均效应，放大作用，以及莫尔条纹信号周期变化与光栅节距变化一一对应的特点，被广泛应用于高精度的自动化测角仪器中。以后又发展为多头平均读数方法，可较好地消除光栅制造、安装偏心及长周期误差的影响，大多应用于测角系统、码检仪及圆刻机中。多头读数法还可经频谱分析，选择消除较大误差谐量相应的读数头个数及其位置分布，以实现用最少的读数头个数和合理的位置分布，达到最好的消误差效果。二十世纪六十年代又提出了静态全积分法，理论上可全部消除光栅刻划误差及偏心的影响，但静态全积分法一般要用环形棱镜或环形光电池和环形光导纤维，加工难、成本高、实用性较差。随着科学技术的发展，八十年代国外学者提出了动态全积分法，用于圆分度测试仪器中。该法的特点是只采用一个转动读数头和一个静止读数头以及主光栅连续旋转的装置，即可很好地消除光栅刻划误差及偏心的影响。动态全积分法用在圆分度装置中，结构简单、精度高，是一种较好的角位移信息读取方法。
动态全积分法已应用于瑞士Wild厂的T2o00电子经纬仪及NPL的角度基准中，但未见动态全积分法有关技术的详细报道。国内有的院所正处于探索阶段。随着对圆分度精度要求的不断提高，为使这种新的角位移读取方法在我国得到实际应用，剖析该法的基本原理，分析实现此法的基本结构、信号处理方法及关键技术.并进行实验研究是很有必要的。
1基本原理
1.1原理
所谓动态全积分法分度，就是用一电机带动一主光栅作恒角速度(动转动，在主光栅上安装转动读数头(R砂和静止读数头(R.)，通过主光栅上不同栅线位置对尺m与R.间的夹角(中)进行多次(即K，N次，K为转动圈数，N为主光栅刻线数)重复测量，得到全积分效果，从而较好地消除圆光栅刻划误差、安装偏心误差的影响以实现精确分度.如图1所示，R二，尺产生的信号分别为:(令其幅值为l)
一般测角方法中，相位差只从某一光栅线周期内一次测量得到，受光栅刻划误差的影响较大;而该方法中，由于主光栅作恒速转动，因此相位差是经积分平均测量的结果。若主光栅栅线数为N，主光栅旋转K圈，则相位差是由KN次平均测试的结果。由于圆光栅分度误差的封闭性，理论上积分平均结果的误差为零。因而应用动态全积分法，可以提高圆分度的精度。按式(2)，只要求出n，△巾，即可求出必。下面分别讨论求取n和△币的具体方法。
1.2大数(n)的获得
(1)模拟乘法器法
利用判向电路，对了整形后的信号计数，即可得中中所包含的光栅节距叭的个数(n)。
(2)差值计数法
由于转角的变化与.间的相位差的变化一一对应，故采用两套计数器分别对S。，S.计数，两者之差即为所求的n。
上述两种方法，第一种方法需要用低通滤波器消除高频信号，所以要求主光栅转速较高，否则会滤除有用信号。还需用高精度的模拟乘法器和高精度电阻。第二种方法多用了一套计数器，但只要信号频率在计数器频响范围内即可实现.
1.3小数的获得
(l)VCO法
由式(7)中知，对于一定的转角，就有相应的信号幅值，用VCO转化为频率，在主光栅旋转K圈的时间内，计数器计数结果为Ncl。设，对应的电压为V伏，VCO的灵敏度为Fvc。(Hz/V)，主光栅每转所花的时间为T.秒，则，
此处，VCO属于开环应用，应采取措施抑制漂移，提高VCO的灵敏度，消除VCO非线性误差的影响。
(2)插值法
①同步插值法
用两套计数器分别对晶振信号和晶振信号同比相信号相与后的信号进行计数，结果分别为，那么，
但该法要多用一套计数器。
②倍频插值法
将S，整形后的信号倍频I倍，与比相信号相与后，送入计数器时钟端，设计数结果为N。，那么，主光栅旋转K圈后可得:
2误差分析
对式(5)进行全微分得:
式中n是大数计数值，只要电子线路正常工作时，一般不会发生差错，故第二项为光栅节距误差(即光栅刻划位置误差)，偏心也影响中也包含偏心的影响，而动态全积分法是采用全部光栅线条平均及多圈平均的，由于圆光栅刻线误差的封闭性和偏心影响的周期性，所以近似为零。
(l)主光栅转动平稳性影响
电机转速带来的影响为:
由以上分析可知，动态全积分法中，电机转速平稳性的影响最大，光栅刻划误差及安装偏心的影响是较小的。另外，光栅节距氨越小，对提高圆分度测试精度是有利的。
3实验装置
3.1基本结构
(l)单盘双圈刻线结构(或单圈长刻线结构):
参见图1。此结构光栅误差影响小，因为内、外圈光栅刻线为同一次分度时刻制而成。但常用光栅的刻线较短(约12mm)，不能分别在内、外圈布置转动读数头和静止读数头.故光栅盘需专门刻制，才能实现此结构。
(2)主光栅双盘结构:
在两块光栅上分别安放转动读数头和静止读数头，这种结构原理上要求两块光栅盘在同一轴向位置上的光栅刻线误差相同。否则会减弱动态全积分法的效果。
(3)“转动读数头”静止的双盘结构(指示光栅为整盘)
该结构将上述的“转动读数头”布置为静止的，而用一块光栅盘作为“转动读数头”的指示光栅，转动指示光栅就相当于转动上述的转动读数头。指示光栅转动可通过其转轴与经纬仪的照准架或转台中的工作台相连接来实现。这样可以减少转动读数头转动过程中导线的干扰，增加系统的稳定性。但指示光栅盘的长周期误差对测量有影响。
3.2实验装置
实验装置中的转动读数头和静止读数头都在旋转主光栅的外圈，相当于基本结构(l)所述的单盘双圈结构，由于结构和条件所限，转动读数头的转动范围约为1200.
借用JC一1精密测角仪的主轴和传统系统，转速约每3分钟一圈，转动平稳性约为3编。在主轴上，通过光栅托架安置一块6480。线的主光栅(最大直径间隔误差为。7角秒)，调整托架上的调节螺钉，可调平主光栅.在机架横梁上，固定转动读数头转轴的支撑盘，将转动读数头支板直接与转轴相连，调整好转动读数头转轴精度及其与主轴的同轴度，调整好主光栅水平与偏心.在转轴上端安置多面棱体，和自准直仪组成检测用的角度标准.调整好多面棱体和自准直仪，调试好信号处理电路，即可进行实验.信号处理电路显示结果与自准直仪读数比较，得出此实验结果的误差大小。
4信号处理电路
信号处理电路主要由放大、整形、微分、比相、PLL、判断电路、清零脉冲形成电路、锁存脉冲形成电路及单片机系统组成。由于本实验装置借用的JC一1精密测角仪的传动系统速率很慢而传动平稳性很高，只宜用差值计数法获取大数(n)，用锁相环(PLL)倍频插值法获取小数
由于光栅刻划误差及安装误差的影响，两路信号比相时，在靠近0o、360。(电角度)处，会发生边界抖动现象。只要将其中一路信号反向即可消除。本系统的传动精度很高，适于利用锁相环细分。
单片机广泛应用于控制、检测等领域中，利用软件编程，可减少硬件，它的运行速度快，使用方便。本实验采用8031单片机最小系统，执行预采集、控制、运算、显示等功能。
5实验结果
由前述可知，由于转动读数头只能转动1200，转轴与主轴的同轴度难以调节，故只做了单头、小角度测试实验。主要进行了以下三个对比实验，每个实验共测10组数据，分别用均方根误差(的表示误差大小，其结果如下:
(l)重复性实验
重复性实验误差的标准差(的为0.14”。
(2)单圈平均测试与静态测试对比实验
分别将转轴转到多面棱体的0o、15。、600、105。位置，静态测试结果的均方根误差分别为:士0.52”、士0.66’’、士0.61”、士0.72’’。动态全积分法单圈平均测试结果的均方根误差分别为:士0.21”、士0.20即、士0.15即、士0.1711.
(3)单、双圈平均测试对比实验
分别将转轴转到多面棱体的0o、105。位置进行测试，动态全积分法单圈平均测试结果的均方根误差分别为:士0.21’‘、士0.17’’。双圈平均测试结果的均方根误差分别为:士0.14’’、士0.23”。
(4)偏心实验
以上实验结果数据中，单、双圈间的数据相差不大，主要是本实验装置采用空气轴系，精度很高，无明显双圈晃动，因此双圈的效果不明显。
结束语
经理论分析及初步实验结果表明动态全积分法具有以下特点:
1.能很好地消除圆光栅刻划误差;
2.采用多圈平均的办法，能较好地消除主轴双周晃动及随机误差的影响;
3.能很好地消除主光栅偏心的影响;
4.与静态全积分法相比，精度高，结构简单，成本低。
但系统对电机转速平稳性、频响的匹配以及机械稳定性要求高。总之，动态全积分系统的圆分度精度较高，适用于高精度测量仪器。本工作得到了陆德基、李永德、魏爱敏、阮丽江、肖时江等同志帮助，在此一一致谢。
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作者简介：
叶大华:男，1968年生，1990年毕业于成都科技大学精仪专业，1993年毕业于中国科学院光电技术研究所光学专业(硕士)。
叶盛祥:男，194。年n月生，1964年毕业于浙江大学光学仪器专业.研究员，科研部主任，从事光学仪器研究.负贵的“19位绝对式光电轴角编码器”获1979年国防科委三等奖、“ZFJ一1500自动测风经纬仪”获199。年中国科学院科技进步三等奖和“全精码对径模拟量相加的雷达测角系统”获1992年中国科学院科技进步三等奖.
