梁旭， 王勁松， 周旭陽

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022)

零位儀的電子細(xì)分讀數(shù)方法及實現(xiàn)

梁旭， 王勁松， 周旭陽

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院， 吉林 長春 130022)

為提高輕武器白光和微光瞄具零位測量儀的分辨率和精度，提出了電子細(xì)分讀數(shù)方法。通過內(nèi)置平板玻璃的平行光管模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，調(diào)整水平和俯仰兩個維度的平板玻璃，使無限遠(yuǎn)目標(biāo)像偏移，進(jìn)行光學(xué)對準(zhǔn)補償讀數(shù)。采用兩個高分辨率的角位移傳感器，直接測量出兩個維度上平板玻璃的偏轉(zhuǎn)角，將測得的角度值經(jīng)單片機(jī)數(shù)字化處理后顯示在有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)上，通過耦合棱鏡將OLED上的像耦合到準(zhǔn)直光路中。建立了測量的理論模型，采用高精度光電經(jīng)緯儀標(biāo)定測量，結(jié)果表明：該方法的分辨率可達(dá)到0.001 mil，誤差小于0.03 mil，分辨率和精度較傳統(tǒng)的機(jī)械細(xì)分讀數(shù)方法均有較大改善。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 零位走動量； 角位移傳感器； 有機(jī)電致發(fā)光顯示器

0 引言

零位走動量是指瞄具的瞄準(zhǔn)軸在射擊、振動、溫度、重復(fù)裝卡等情況下的變化量，是衡量瞄具穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一[1-2]。在工廠和試驗靶場通常采用零位儀對瞄具進(jìn)行測量，現(xiàn)有的白光和微光零位儀將光學(xué)對準(zhǔn)粗讀和機(jī)械細(xì)分讀數(shù)相結(jié)合，采用類正切機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)組合的機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)機(jī)構(gòu)來進(jìn)行細(xì)分讀數(shù)，這種機(jī)械細(xì)分讀數(shù)方式對相應(yīng)零件的加工和裝配的工藝要求比較高[3]。另外，在微動對零的過程中螺旋讀數(shù)機(jī)構(gòu)存在機(jī)械空回的現(xiàn)象，導(dǎo)致實際走動量與讀數(shù)不一致，從而引入讀數(shù)誤差。對于微光瞄具，零位走動量必須在暗室中進(jìn)行，看不到機(jī)械細(xì)分讀數(shù)鼓輪上的細(xì)分讀數(shù)，加之粗讀和細(xì)分讀數(shù)不在一處，從而給測量帶來很大的不便，導(dǎo)致測量效率低下。因此，本文提出一種采用高精度角位移傳感器取代機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)機(jī)構(gòu)，通過有機(jī)電致發(fā)光顯示器(OLED)和耦合棱鏡實現(xiàn)內(nèi)置數(shù)顯的電子細(xì)分讀數(shù)方法，以有效地解決上述問題。

1 測量原理

1.1 零位走動量的測量原理

如圖1所示，R0、L0分別為零位儀的瞄準(zhǔn)分劃板和物鏡，L1、R1、L2分別為被測瞄具的物鏡、分劃板和目鏡，f0為零位儀物鏡的焦距，f1為被測瞄具物鏡的焦距，f2為目鏡的焦距，O0為零位移的物鏡中心，O′為瞄具分劃中心點O在零位移分劃板上所成的像，z為像點O′到光軸ll′的距離。當(dāng)瞄具的瞄準(zhǔn)基線位置發(fā)生變化時，瞄具物鏡中心與分劃板的中心連線O1O相對于理想光軸ll′偏轉(zhuǎn)θ(即零位走動量)，此時零位儀分劃板中心F′成像于瞄具分劃板點F[4]. 通過旋轉(zhuǎn)零位儀中的平板玻璃，使射出的平行光相對于瞄具瞄準(zhǔn)基線逆時針旋轉(zhuǎn)θ，則零位儀分劃板中心在瞄具分劃板上的像點F會與瞄具分劃板中心O點重合。由圖1中的幾何關(guān)系可知：

(1)

1.2 電子數(shù)顯零位儀的工作原理

零位儀的數(shù)顯讀數(shù)工作原理如圖2所示。在安置方向和俯仰平板玻璃鏡框的轉(zhuǎn)軸上安裝兩個高精度角位移傳感器，通過聯(lián)軸器對轉(zhuǎn)軸和角位移傳感器進(jìn)行連接。測量時通過旋轉(zhuǎn)手輪來微動調(diào)節(jié)，使零位儀分劃與被測瞄具分劃對準(zhǔn)，進(jìn)而測量水平和俯仰兩個方向上平板玻璃的偏轉(zhuǎn)角，將測得的平板玻璃偏轉(zhuǎn)角輸入單片機(jī)進(jìn)行換算，再將角度制轉(zhuǎn)換為密位制，即得到零位走動量。通過耦合棱鏡的耦合作用，可將OLED顯示的數(shù)據(jù)耦合到準(zhǔn)直光路中，從而實現(xiàn)在微動對零的同時直接讀數(shù)。工作原理框圖如圖3所示。

2 電子讀數(shù)細(xì)分的實現(xiàn)

與機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)結(jié)構(gòu)相比，圖2所示的微調(diào)機(jī)構(gòu)中螺旋機(jī)構(gòu)僅僅起到微動對零的作用，對螺桿的傳動精度無嚴(yán)格要求，只要傳動平穩(wěn)，調(diào)整分辨率足夠即可，大大降低了零件的加工和裝配難度，螺旋副的機(jī)械空回對讀數(shù)不會產(chǎn)生影響。由于機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)機(jī)構(gòu)細(xì)分的是平板玻璃偏轉(zhuǎn)角度所對應(yīng)的弦長而并非弧長，存在原理誤差[5]；而利用角位移傳感器直接測出的是平板玻璃的偏轉(zhuǎn)角度，整個機(jī)構(gòu)的讀數(shù)不存在原理誤差，因此減少了誤差傳遞環(huán)節(jié)，使讀數(shù)更加精確。當(dāng)前瞄具對零位儀關(guān)鍵參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

下面根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，對零位儀細(xì)分讀數(shù)方法的實現(xiàn)進(jìn)行分析計算。根據(jù)被測瞄具的檢測要求，白光和微光瞄具口徑一般都小于55 mm，在此將零位儀口徑設(shè)定為60 mm；為了降低測量誤差，設(shè)定零位儀的焦距為待檢測儀器焦距的3～5倍，約為220 mm. 最終由光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX優(yōu)化得到準(zhǔn)直物鏡組的焦距為219.45 mm，零位儀分劃板分劃格值為5 mil，對此值進(jìn)行細(xì)分，測量角度θ與光軸的旁位移量zd的關(guān)系為

zd=f×tanθ=1.15 mm.

(2)

如圖4所示，當(dāng)玻璃的偏轉(zhuǎn)角I比較小時，

(3)

式中：d為平板玻璃的厚度(mm)；n為玻璃的折射率。將zd=1.15 mm，d=18 mm，n=1.516 3代入(3)式，得I=0.187 6 rad=10.75°.

由(2)式和(3)式可推導(dǎo)出θ和I的關(guān)系為

(4)

當(dāng)手輪直徑在5～80 mm范圍內(nèi)時，人手所能達(dá)到的最小調(diào)節(jié)量ξ可取手輪外緣轉(zhuǎn)動1 mm的弧線，以便于調(diào)節(jié)[6]。設(shè)Ph為螺桿的螺距，Dh為微調(diào)手輪的直徑，R為平板玻璃的擺動半徑，則有

5.23×10-4rad=0.029°.

(5)

因此在選擇角位移傳感器時，其分辨率要高于0.029°(即1.75′)，才能保證系統(tǒng)的測量分辨率。在此選擇位數(shù)為16、分辨率為0.33′、精度為±4′的單圈絕對式角度傳感器。

3 誤差分析

影響測量精度的因素包括人眼觀測時的對準(zhǔn)誤差、零位儀本身作為內(nèi)置平板玻璃平行光管的光管誤差、角位移傳感器與平板玻璃鏡框中心軸之間的同軸誤差以及傳感器自身的誤差。

3.1 對準(zhǔn)誤差σ1

(6)

3.2 光管誤差σ2

光管中的視差、分劃板的定心誤差可通過裝調(diào)予以消除，在此忽略不計。光管誤差的主要來源為分劃板刻線的制作誤差，通過精密加工可保證分劃板刻線的精度Δ=0.01 mm，光管焦距f0≈220 mm. 該誤差服從正態(tài)分布[8]時置信因子K2=3，則光管誤差為

(7)

3.3 軸系誤差σ3

補償玻璃鏡框的旋轉(zhuǎn)軸采用半運動式結(jié)構(gòu)[9]，如圖5所示。由于軸系配合間隙Δdg導(dǎo)致軸系產(chǎn)生了一定的角度晃動，軸系偏離理想中軸線的極限晃動角度Δα為

(8)

(9)

根據(jù)平板玻璃的偏轉(zhuǎn)角度即傳感器的偏轉(zhuǎn)角度10.75°，則最后的軸系誤差為

σ3=σα·tan(2I)=5.77tan 21.5°=
2.27″=0.011 mil.

(10)

3.4 傳感器誤差σ4

實驗中選擇的角位移傳感器精度為±4′，在(4)式中將θ對I求偏導(dǎo)，得

(11)

該誤差服從正態(tài)分布時置信因子K4=3，則傳感器誤差

(12)

遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測量精度要求的0.03 mil，在此可忽略不計。因此，總的測試誤差σ為

(13)

由(13)式可知，電子細(xì)分讀數(shù)測量方法的檢測精度為0.03 mil，達(dá)到了本文的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 驗證實驗

實驗裝置包括基座、經(jīng)緯儀(精度為2″)、機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)零位儀、角位移傳感器和數(shù)顯表，如圖6所示。在機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)零位儀的基礎(chǔ)上將角位移傳感器安裝到補償玻璃轉(zhuǎn)軸上，將其改造為電子式細(xì)分讀數(shù)零位儀，既能通過手輪讀數(shù)也能通過OLED讀數(shù)，進(jìn)而通過對比實驗來驗證新的細(xì)分讀數(shù)方法精度。在實驗中，以精度為2″的經(jīng)緯儀作為標(biāo)準(zhǔn)器來判讀零位儀的讀數(shù)誤差。

實驗時用經(jīng)緯儀上的光學(xué)瞄具初步瞄準(zhǔn)零位儀中的分劃板，轉(zhuǎn)動瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦手輪使零位儀中的分劃板影像清晰，再用經(jīng)緯儀中的十字線精確對準(zhǔn)零位儀分劃板中心[7]。對準(zhǔn)后將經(jīng)緯儀分別調(diào)到1 mil、2 mil、3 mil、4 mil、5 mil對應(yīng)的角度值0°3′36″、0°7′12″、0°10′48″、0°14′24″、0°18′00″，通過旋轉(zhuǎn)手輪使零位儀中的分劃刻線與經(jīng)緯儀中的刻線分別一一對準(zhǔn)，讀出OLED上顯示的數(shù)據(jù)以及機(jī)械機(jī)構(gòu)分劃窗和讀數(shù)手輪上的數(shù)據(jù)，從而既能對電子細(xì)分讀數(shù)方法進(jìn)行標(biāo)定，又能對兩種讀數(shù)方法進(jìn)行比較。對比實驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示，由表中的實驗數(shù)據(jù)可知：機(jī)械式讀數(shù)方法在水平和豎直方向的最大絕對誤差分別為0.054 mil和0.062 mil；電子式讀數(shù)方法在兩個方向的最大絕對誤差分別為0.023 3 mil和0.016 7 mil. 由此可見，電子式讀數(shù)方式的分辨率和精度比機(jī)械式的讀數(shù)方式要高。

5 結(jié)論

1)本文提出了一種零位儀電子細(xì)分讀數(shù)方法，與機(jī)械式細(xì)分讀數(shù)方法相比，該方法采用角位移傳感器直接讀取補償平板玻璃的轉(zhuǎn)角值，利用電子細(xì)分技術(shù)和計算機(jī)數(shù)字化處理技術(shù)將該角度值解算成最終的零位走動量值，省卻了復(fù)雜的位移細(xì)分讀數(shù)裝置，通過耦合棱鏡將OLED顯示的零位走動量的數(shù)值耦合到準(zhǔn)直光路中，實現(xiàn)了在微動對零過程中的直接讀數(shù)。

2)本文方法在提高檢測分辨率和精度的同時，大大簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，對提高設(shè)備性能、降低制造成本具有工程意義。

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ElectronicSubdivisionReadingMethodofZeroMeasuringInstrumentandItsImplementation

LIANG Xu, WANG Jin-song, ZHOU Xu-yang

(School of Photo-Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022, Jilin, China)

An electronic subdivision reading method is proposed to improve the resolution and accuracy of zero testing instrument for day and night sights of small arms. The alignment readings are compensated by simulating an infinity target with the built-in flat glass collimator and adjusting the two pieces of flat glasses which are in horizontal and pitch dimensions, respectively, to offset the infinity target image. Two high-resolution angular displacement sensors are used to measure the deflection angles of the flat glasses in two dimensions, the measured angle values are digitally processed by using the microcontroller and displayed on an organic light-emitting diode (OLED) display, and the image on OLED is coupled to the collimated light path through a coupling prism. A theoretical model of measurement is established, and the measured results are calibrated using high precision photoelectric theodolite. The result shows that the resolution of the method is up to 0.001 mil and the error is less than 0.03 mil. Compared with the traditional mechanical subdivision reading method, the resolution and measuring accuracy of the proposed method are improved significantly.

ordnance science and technology; zero momentum; angular displacement sensor; organic light-emitting diode display

TH745.4； TJ203+.9

A

1000-1093(2017)12-2423-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.12.016

2017-04-23

吉林省科技支撐計劃重點項目(20130206013GX)

梁旭(1993—)， 男， 碩士研究生。 E-mail： 1754377378@qq.com

王勁松(1973—)， 男， 教授， 博士生導(dǎo)師。 E-mail： soldier_1973@163.com