1前言
随着科学研究的不断进步，角度测量技术发展非常迅速，在工程、生产中的应用不断增加，测量准确度也非常高。不同角度测量技术差异相对较大，通过圆光栅来开展测量工作，可以有效保证测量精度，但很难实现非接触测量。通过使用光幕测量技术，虽然可以得到多种信息，并确定两种物品初始角度，但测量精度相对较低，测量范围也相对较小，难以保证使用的灵活性，虽然经过计算能够得到转动角度，但随着距离光栅距离不断加大，衍射现象会越来越明显。为了有效解决这个问题，有必要研究出一种高速、大范围、高精度的非接触角度测量技术，该技术是在激光三角测距上发展起来的，可以直接使用两个激光器来测量载体的运动位移，并采用了同步采集通道，可以直接使用光纤陀螺输出角速度积分来得到角度基准。根据相关试验表明，其角度动态范围在10度左右，具有非常快的响应速度，但必须保证被测量物体表明不能存在严重的损伤。
2激光测量位移原理
图一：测量系统组成
2.1激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量，下面分别介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。一、激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体表面散射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离【1】。二、回波分析法。激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。即所谓的脉冲时间法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低，最远检测距离可达250m。
2.2特殊的光源发出的光线在通过透镜聚焦后，会直接垂直入射到被测量物体表面，在物体发生位移或者位置发生变动后，就会直接导致光敏元件的成像点位置发生变化，通过对CCD输出电信号进行处理计算就可以得到传感器与被测物体表面的距离信息。可以直接在接受透镜和CCD之间安装一个滤光片，其可以有效滤除90%的无用波段光，避免外界环境对测量结果造成严重的影响，另外还可以在激光器和聚光器之间安装孔径光阑，从而将光斑直径保持在合理的范围之内。
2.3在实际测量过程中，应该保证传感器激光束与被测面垂直，并保持一个相对准确的调焦位置，并保证其他位置的像都应该保持一定程度的偏离，一旦出现离焦的现象，就容易导致像点弥散的现象，难以保证系统工作精度。为了保证测量结果的精度，可以设计专门的恒焦光路，保证成像面、测量物体表面和透明表明都可以直接相交，这样物体表面不论如何移动，都可以保证光斑正确成像。
2.4角度测量系统设计。在实际设计角度测量系统过程中，通常会搭建激光位移传感器、信息采集系统、信息同步系统和PC软件，为了保证角度测量效果，可以直接使用高精度的光纤陀螺来对测量系统开展标定工作，从而得到误差数据【2】。
2.5在测量作业中，需要将被测量面安装在高精度摇摆台上，并直接使用计算机来控制转台的摆幅和频率，使用激光位移传感器来测量转台转动过程得到的各种测量数据，然后将得到的测量数据通过信息采集和同步模块来实现与光纤陀螺的同步输出，然后将相关数据传输给计算机进行处理。在测量初始阶段需要保证测量表面与测量方向垂直，然后利用激光测量器得到测量位移s1和s2，然后让被测面绕着发现顺时针转动一定的角度，这个时候得到两个激光传感器测量距离s11和s22，通过将得到的数据代入相关的公式，就可以非常得到被测物体的转动角度。
3实验结果
在实际实验过程中，需要将光纤陀螺仪安装到被测高精度摇摆台上，然后调准陀螺敏感轴与摆动平面保持垂直的位置，并使用激光传感器发出两束平行的光束。实验中使用了摆动角度在正负十度的高精度角位置转台，摆动频率为1赫兹，并使用计算机进行采样，使用光纤陀螺角位移作为参照，并对激光位移传感器测量值进行对比。
4误差分析
4.1对测量结果精度造成影响的各种精度相对较多，如被测面不能准确与激光位移传感器保持垂直，以及两个激光位移传感器的平行度等。为了能够让被测面与激光传播方向保持垂直，需要调节转台，让光束能够原路返回，并将该角度作为初始位置，但由于采用了手动调整的方式，往往难以完全消除误差，根据相关计算，如果初始位置与激光束的不垂直度保持在了0.33度，往往会存在0.01029度的误差，需要通过计算来得到光束理想垂直位置。实际开展测量作业中，需要分别找两个位置，然后得到激光传感器1的位置s1和s2，以及激光传感器2的位移s11和s22，在理想的情况下，通过计算s1和s2之间的差值，就可以得到相关角度信息，对于激光位移传感器的不平行误差，可以直接利用软件来进行补偿【3】。
4.2从测量数据来看，如果工件的表面粗糙度不能得到保证，角度存在一定程度误差。为了有效解决这个问题，就需要在测量作业开始前，认真做好打磨工作。激光位移传感器本身精度对测量精度，也有着非常直接的影响，不同位置传感器的测量精度差异较大，温漂、电压变化都会对测量精度造成非常直接的影响。在试验过程中，固定架是使用步进电机来带动运动，步进电机运行精度对测量精度有着非常直接的影响。在通常的情况下，电机步长越小，越能够得到高精度的结果，需要合理对步距进行选择，可以直接利用斩波电流来保证步进电机的运行精度。还有一个非常重要的因素就是激光位移传感器方向与导轨不垂直。
4.3该测量方法是建立在光学三角新型角度测量技术之上的，对物体表面粗糙度和光洁度并没有特殊的要求，需要对陀螺仪输出角速度进行积分处理，该测量方法的角度测量范围在正负十度以内，测量精度为正负0.005度，能够实时对角度进行测量，属于一种非常实用的动态角度测量技术。
结语
随着时代的不断发展，对开展角度测量，提出了更高的要求。针对传统接触测量技术应用中出现的问题，现在出现了一种非接触式测量技术，其直接利用激光传感器来开展角度测量，在保证角度测量精度的同时，能够有效保证测量工作效率，避免直接接触工件对工件表面造成不良的影响。
【参考文献】
[1]吴奎先,杨仁平,张国雄,李敬杰,裘祖荣,于复生,冷长林. 三角法光学非接触测量头应用中的关键技术[J]. 天津大学学报. 2005(01)：22-23.
[2]王晓嘉,高隽,王磊.激光三角法综述[J]. 仪器仪表学报. 2004(S2)：37-38.
[3]王文卓,李大勇,陈捷.表面粗糙度非接触式测量技术研究概况[J]. 机械工程师. 2004(11)：55-56.