自准直仪

测量微小角度变化的仪器

自准直仪，亦称“自准直光管”、“光学平直度检查仪”，是一种利用光的自准直原理将角度测量转换为线性测量的一种计量仪器。它广泛用于小角度测量、平板的平面度测量、导轨的平直度与平行度测量等方面。主要包括光学自准直仪、光电自准直仪、激光准直仪等。词条介绍了光学自准直仪、光电自准直仪、激光准直仪，并重点详细介绍了国产HYQ—03型自准直仪。

发展历史

光学自准直仪在20世纪30年代中期便开始用于角度测量，但是到了20世纪40年代后期，这种准确度为1秒的仪器才被承认。到20世纪50年代，虽然光学自准直仪的设计原理仍未改变，但在光电检测取代肉眼观察之后，其准确度提高了一个数量级以上。在20世纪60年代，美国、英国及德国制造商已生产了多种光电式的商用自准直仪。之后数十年来．自准直仪得到了飞速的发展。自准直仪经历了目视式、光电指零式和数字式三个发展阶段。当前主要使用数字式自准直仪。目视式自准直仪虽然是目视、手动操作，准确度也不高，但工作可靠；携带方便，价格低廉，因此至今尚在使用中。而光电指零式自准直仪由于仍用目视、手动操作，仅以肉眼观察电表代替肉眼观察自准直像，其性能并无实质性的提高，因此当前已被淘汰，只作为自准直仪由目视式至数字式、由光机式向光电式发展过程中的一个过渡阶段。

定义

自准直仪，亦称“自准直光管”、“光学平直度检查仪”。它是一种利用光的自准直原理测量平直度的仪器。当狭缝光源位于物镜的焦平面上时，光线将通过物镜折射为平行光束，再经由一垂直于光轴的平面反射镜将光束循原路反射回来。若是平面反射镜有偏斜，则放射光束聚焦后成的像，将偏离狭缝光源的原始位置。同过目镜读数，可测出反射镜对光轴垂直面的微小倾角。

原理

由光源发出的光经分划板、半透反射镜和物镜后射到反射镜上。光线通过位于物镜焦平面的分划板后，经物镜形成平行光。平行光被垂直于光轴的反射镜反射回来，再通过物镜后在焦平面上形成分划板标线像与标线重合。当反射镜倾斜一个微小角度α角时，反射回来的光束就倾斜2α角。

组成结构

自准直仪通常由三部分组成:

1.体外反射镜

2.物镜光管部件

3.测微目镜部件

由于分划板和各个光学元件的位置、结构不同，自准直仪有以下三种基本光路。

光学自准直仪

高斯型自准直仪

（一）光路原理

如果反射镜严格与光轴垂直，则十字线在分划板上所成的像与原来的十字线完全重合。若反射镜有一微小转角α ，则十字线的像将偏离原来的十字线，其偏离量的大小可从测微目镜6中读出。

1-反射镜；2-物镜；3-分划板； 4-光源；5-分光镜；6-目镜

（二）高斯型系统特点

优点：高斯型系统是目镜视场不受遮挡，且分划板上的刻划位于视场正中，观察方便。

缺点：是亮度损失大，因而自准直像较暗；另外，为安置分光镜，目镜焦距较长，因而无法获得较大的放大倍数

高斯型主要应用于普通光学自准直仪的光学系统。

阿贝型自准直仪

（一）光路原理

1-物镜；2-分划板；3-棱镜；4-光源；5-反射镜

若平面反射镜对光轴产生微小转角α ，则十字线像将发生偏离，偏离量可从刻度尺上读出。

（二）阿贝型系统特点

优点：是光强度大，亮度损失只有10-15%

缺点：是它的视场被胶合棱镜遮挡了一半，又因光管出射光和反射光的方向不同，当反射镜和物镜间的距离超过一定数值后，反射光线就不能进入物镜成像，所以仪器工作距离较短。阿贝型应用于光学计的光学系统。

双分划板型自准直仪

（一）光路原理

1-物镜；2-指示分划板；3-立方直角棱镜；4-刻度分划板

若平面反射镜对光轴有偏转，将引起自准直像偏离十字线，由测微机构测出其偏离量，即可得出反射镜对光轴的偏转角。

（二）双分划板型系统特点

优点: 是视场不被遮挡，刻线可位于视场中央；目镜焦距短，可获得较大的放大倍率。另外目镜和光源可互换位置，给使用带来方便。

缺点: 是结构比较复杂，亮度损失较大（介于前两者之间）。

光电自准直仪

如果狭缝振动中心与十字线像重合，则指示电表15的指针指零，这就是瞄准位置；如果狭缝中心偏离了十字线像，则指示电表的指针就离开零位。当电表指针归零时，刻度分划板的刻线和十字线像了正好处于对准的位置。这就是起到了精确瞄准的作用。

1－光源；2－聚光镜；3－分划板；4-立方直角棱镜；5-物镜；6-反射镜；7-振子；8-聚光镜；9-狭缝；10-分光镜；11-刻度分划板；12-目镜；13-光电元件；14-测微鼓轮；15-指示电表

激光准直仪

激光准直仪是利用激光具有能量高、方向性好等特点，提供了一条直线性极好的可见激光束，以作为测量基准。激光准直仪的测量距离大，测量精度高。

激光准直仪是用激光束作为测量的基准，易受温度和气流等因素的影响。除了仪器本身要采取一些防范措施外，对其测量环境即防震、防热、防气流抖动等都提出较高的要求，否则将会影响测量精度。

1—氦氖激光器 2—平行光管 3—针孔光阑 4—激光束 5—光电探测器（四象限靶） 6—运算电路 7—指示电表

HYQ03型

HYQ—03型自准直仪常称平直度检查仪，是国产自准直仪中应用较多的一种（以下称平直度检查仪）。

仪器光学系统

（一）光路原理

1-光源；2-滤光片；3-分划板；4-立方直角棱镜；5、6-反射镜；7-物镜；8-体外反射镜；9-固定分划板；10-活动分划板； 11-目镜； 12-测微螺杆；13-测微鼓轮

（二）测微原理

仪器的f物为400mm，测微螺杆12的螺距和固定分划板9上刻线的分度间隔都是0.4mm，即测微螺杆每转一圈，活动分划板10上的长刻线在固定分划板9的刻度上移动一格，其对应的反射镜的倾角α为1/2000。

和测微螺杆12同轴相连的测微鼓轮13上有100格圆周刻度，每格代表反射镜的倾角α为0.005/1000弧度。

仪器基本结构

如图《平直度检查仪结构》所示1~4组成了测微目镜部件，测量前可松开定位螺钉5，由于两锥孔在圆周上互成90o ，可使整个目镜头就可精确地转过90度。

仪器的操作与使用

操作过程

1、将仪器主体放置在被测件的一端或被测件以外稳固的基础上，反射镜座放在被测件上，并且要与仪器主体在同一水平面内；

2、接通电源后，将反射镜座靠近自准直仪的主体，使反射镜正对物镜，使十字线像出现在目镜视场的正中或附近；

3、仔细地沿测量方向移动反射镜座，在各预定测量位置上读数，并进行数据处理。

仪器的主要技术参数

1、分度值 0.005/1000≈1角/秒

2、物镜焦距 400mm

3、目镜放大倍数 20倍

4、示值范围 ±500格

5、最大测距 5000mm

6、示值误差

当测微鼓轮不超过一圈时 ±(0.5+0.01n)格

当刻度鼓超过一圈时 ±(1.5+0.01n)格

n----为测量时测微鼓轮转过的格数

偏差来源

①测角公式的近似所带来的原理误差、出射光非严格平行光线所引起的误差以及光学系统的畸变；

②人眼瞄准和读数会产生瞄准误差及估读误差；

③光电探测器灵敏度非均匀性以及响应非线性误差。

应用

常用于测量导轨的直线度、平板的平面度(这时称为平面度测量仪)等，也可借助于转向棱镜附件测量垂直度等。光电自准直仪多应用于航空航天、船舶、军工等要求精密度极高的行业，例如机械加工工业的质量保证（平直度、平面度、垂直度、平行度等）、计量检定行业中角度测试标准、棱镜角度定位及监控、光学元件的测试及安装精度控制等等。

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