第四章激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量

1、第四章 激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量第一節(jié) 準(zhǔn)直測(cè)量原理直線度定義：直線度定義：一系列的點(diǎn)列或連續(xù)表面對(duì)于幾何直線的距離.直線度測(cè)量是平面度、平行度、垂直度平面度、平行度、垂直度等幾何量測(cè)量的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法:建筑: 垂線法, 拉鋼絲法大型設(shè)備安裝:拉鋼絲法木工: 劃線法機(jī)械加工: 鉗工的劃線法, 定位傳統(tǒng)方法的特點(diǎn)傳統(tǒng)方法的特點(diǎn): 簡(jiǎn)單,直觀,垂線法, 拉鋼絲法易受環(huán)境因素影響,精度低1- 物管，帶消色差透鏡的物管1.12- 準(zhǔn)直測(cè)頭， 2.1分束器、目鏡刻線2.2及準(zhǔn)直刻線2.33- 目鏡4- 帶燈泡4.1的光源， 4.2過(guò)濾玻璃及4.3聚光器自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡測(cè)

2、量精度10um，使用白準(zhǔn)直光管具有0.1秒級(jí)的靈敏度。缺點(diǎn)，如操作不方使，存在瞄準(zhǔn)、調(diào)焦誤羌等。同時(shí)，在較長(zhǎng)的距離下，像質(zhì)模糊，照度低。一般可靠的工作距離小于30 m，此外也存在空氣的十?dāng)_。自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡 叉絲像分劃板視場(chǎng)透光窗反射像旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪 伸縮目鏡筒 20世紀(jì)60年代，激光出現(xiàn)：高亮度、 方向性、 相干件好等優(yōu)點(diǎn)。激光準(zhǔn)直儀具有拉鋼絲法的直觀性、簡(jiǎn)單性和普通光學(xué)準(zhǔn)直的精度，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制激光準(zhǔn)直儀按操作原理可分為 1) 振幅測(cè)量法 2) 干涉測(cè)量法 3) 偏振測(cè)量法1）振幅/光強(qiáng)測(cè)量法利用激光的能量中心及其光強(qiáng)分布實(shí)現(xiàn)直線度測(cè)量其基本原理: 1）振幅

3、/光強(qiáng)測(cè)量法缺點(diǎn)缺點(diǎn): 激光器的光束漂移 光束的非均勻性 探測(cè)器靈敏度不對(duì)稱 空氣的折射率梯度 氣流的擾動(dòng)等影響思考題思考題: 水平,長(zhǎng)距離測(cè)量,重力是否有影響?振幅振幅/光強(qiáng)測(cè)量法常用的準(zhǔn)直方法光強(qiáng)測(cè)量法常用的準(zhǔn)直方法a菲涅耳波帶片法b. 位相板法c. 雙光束法a.菲涅耳波帶片法十字劃線,是干涉形成的, 有良好的抗干擾能力, 光強(qiáng)分布均勻, 經(jīng)過(guò)擴(kuò)束后照射波帶片, 避免的激光光束的漂移及振動(dòng)因素的影響b. 位相板法相位板相鄰光程差半波長(zhǎng),即相位相差, 相位板后,任何截面形成暗十字劃線, 經(jīng)方孔后,發(fā)生衍射,形成四光強(qiáng)點(diǎn)1241243 314231423()()()()xIIIIxIIIIyI

4、IIIyIIIIc. 雙光束法采用兩光束的平分線作為準(zhǔn)直基準(zhǔn)可以克服激光器的漂移和部分空氣擾功影響。2) 干涉測(cè)量法干涉測(cè)量法是在以激光束作為直線基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，又以光的干涉原理進(jìn)行讀數(shù)來(lái)進(jìn)行直線度測(cè)量的。主要有以下幾種方法:1楔形板干涉法2. 雙頻激光干涉法3. 光柵干涉法1楔形板干涉法2. 雙頻激光干涉法3. 光柵干涉法4 4d dK K 3) 偏振測(cè)量法 光束從光楔組的正中央穿過(guò)時(shí)，由于左旋和右旋石英的厚度相同，不產(chǎn)生附加的旋光量= = 4 4 A A S S t t a a n n 第二節(jié) 激光準(zhǔn)直儀的組成主要組成(三部分): 激光器 光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng) 光電接收系統(tǒng)及處理電路部分1.激光

5、器激光器 利用激光束的能量中心, 照射在光電探測(cè)器上, 因此需要光場(chǎng)能量分布均勻, TEM00, 常采用單模的He-Ne激光器. 激光束橫向漂移(平漂和角漂兩種)要小 ,激光器輸出功率的穩(wěn)定及激器的噪聲小漂移原因: 諧振腔的兩反射鏡穩(wěn)定性差: 反射鏡支架變形(熱振動(dòng)), 諧振腔的變形(熱,振動(dòng))1.激光器激光器補(bǔ)償措施主要有:a.熱穩(wěn)定裝置b.光束補(bǔ)償c.主動(dòng)溫控加熱器d.其他措施 隔振 材料選用 特殊設(shè)計(jì)等補(bǔ)償措施:熱穩(wěn)定裝置補(bǔ)償措施:光束補(bǔ)償腔反射鏡8和5的位置靠得很近，處于相同的環(huán)境條件，因此兩個(gè)面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是很小的。所以，當(dāng)激光器殼體變形時(shí)，輸出激光束對(duì)原來(lái)的位置只產(chǎn)生很小的橫向位

6、移和角度偏移。補(bǔ)償措施:主動(dòng)溫控加熱器補(bǔ)償措施:其他措施 采取激光器與其反射鏡系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境隔熱 用錐形腔代替圓柱形腔及增加毛細(xì)管剛度 隔振 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境控制 特殊材料,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等措施都可以降低激光器輸出激光束的漂移。2. 光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)激光是高斯光束: 其發(fā)散角: 2=2/R 光斑大小,雖傳輸距離的增大,而增大而實(shí)際應(yīng)用中: 接收器的尺寸一定 環(huán)境、光束出射漂移影響 原理上需要大平面平行光束照射所以： 需要準(zhǔn)直及擴(kuò)束系統(tǒng)2. 光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)常用擴(kuò)束系統(tǒng)的種類：1）開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡2）伽利略式望遠(yuǎn)鏡3）組合式倒置望遠(yuǎn)鏡121221212 20 01 11 1f ffMfMf fM Mf f 1

7、）開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡特點(diǎn)： 鏡筒較長(zhǎng)， 可以方便的加空間濾波器 4.13 方式，鏡筒較短，體積較小，增加了反射雜散光和光能吸收2）伽利略式望遠(yuǎn)鏡特點(diǎn)： 鏡筒短， 體積小，不可以加空間濾波器 光可能反射回激光器，使激光器頻率不穩(wěn)定，反射回來(lái)激光也會(huì)造成光輸出強(qiáng)度，產(chǎn)生干涉，或者亮度不均 使用時(shí)，傾斜L2，增加反射雜散光， 使光輸出穩(wěn)定3）組合式倒置望遠(yuǎn)鏡對(duì)伽利略式的改進(jìn)： 避免了雜散光，使光束均勻和頻率穩(wěn)定 3）組合式倒置望遠(yuǎn)鏡 這種方式，可方便組成準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)， 減少可調(diào)節(jié)點(diǎn)3.光電接收系統(tǒng)及處理電路部分常用激光準(zhǔn)直的光電探測(cè)器:a. 硅光電池 二分型 四象限器(四分型)b. PSD 一維PSD

8、二維PSDc.光電倍增管d.CCDa. 硅光電池在同一硅片上制作的光電池, 價(jià)格便宜, 缺點(diǎn)暗電流較大, 各個(gè)單元的轉(zhuǎn)換效率不一致142314231234123414231423123412341234123412341234()()()()()()()()x xx xx xx xVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVororVVVVVVVVV VVVVVVVVVVVVVVVVVV VVVVVVVVV b. PSD位置敏感探測(cè)器(Position Sensitive Detector)簡(jiǎn)稱PSD，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的大光敏面的光電二極管，又稱為pn結(jié)光電傳感器。PSD與象限位置探測(cè)器和CCD

9、不同，它有一個(gè)完整的光敏面，通過(guò)不同電極之間的電流輸出，能連續(xù)給出入射光點(diǎn)中心在光敏面上的位置。常用的結(jié)構(gòu)類型有: 一維PSD 二維PSD一維PSD設(shè): AB電阻率均勻, RAB=R()()2 2()()2 2L Lx xACACL LL Lx xBCBCL LRRRRRRRR 2222(0.25)(0.25)2 2/R RLxLxandBCACandBCACL LRRRRRR 2 222220 0(0.25)(0.25)()()2 2()()2 2UULUULR RRLxRLxandandUULUULL LACACR RACACRxRxUULUULL LBCBCR RACACRxRxI II

10、 II I 2 22 22 20 02 22 22 20 02 2L Lx xLxLxACACLLLLL Lx xLxLxBCBCLLLLIIIIL LACBCACBCIIIIACBCACBCI II II II Ix x 二維PSDc. 光電倍增管對(duì)于弱光,常采用此法d. CCD線陣CCD 一維測(cè)量面陣CCD 二維測(cè)量特點(diǎn): 可采集光斑的大小,及其能量分布, 計(jì)算機(jī)識(shí)別能量中心的位移大小及方向第三節(jié) 大氣擾動(dòng)及激光束漂移大氣撓動(dòng)的靜態(tài)模型: 實(shí)際大氣存在: 氣流,溫度梯度等,使空氣密度變化,從而折射率n變化實(shí)際空氣折射率變化一般用結(jié)構(gòu)函數(shù)來(lái)表示: 經(jīng)驗(yàn)與理論公式: Cn稱作l0到L0區(qū)間的結(jié)

11、構(gòu)參數(shù)是折射率起伏變化的描述，它與大氣參數(shù)如熱流、風(fēng)速,高度有關(guān)。l0為最小非均幻旋渦的尺寸，典型值為1-10mm、；L0為最大非均勻尺度，它和離地面的高度有關(guān)，近地表面處的干擾要大一些。2 22 2LdnLdnh hdrdr2 22121( ) ()()( ) ()()n nDn rn rDn rn r 23 / 223 / 20000( );( );nnnnDCLDCL 第三節(jié) 大氣擾動(dòng)及激光束漂移克服大氣撓動(dòng)的方法主要有:n機(jī)械法n光學(xué)法機(jī)械法常用: 1)選擇空氣擾動(dòng)最小的時(shí)間工作，如在早晨太陽(yáng)升起之前。另外，控制外界環(huán)境也能起到一定作用，如在光束傳輸路程上避免有熱源和溫度梯度及氣流等的

12、影響 2)將光束用套管屏蔽，甚至將管子內(nèi)抽成真空 3)沿著激光束前進(jìn)的方向以適當(dāng)流速的空氣流噴射，因?yàn)榭諝饬魈岣呖諝鈹_動(dòng)的頻率，可用時(shí)間常數(shù)比較小的低通濾波器，消除輸出信號(hào)的交變成分。 4)對(duì)頻率為5060Hz的擾動(dòng)可采取積分電路消除光學(xué)法光學(xué)法第四節(jié) 激光淮直測(cè)量的應(yīng)用應(yīng)用場(chǎng)合: 測(cè)繪 建筑施工 大型設(shè)備安裝 儀器設(shè)備制造 形位誤差測(cè)量 誤差修正一、直線度測(cè)量二、同軸度測(cè)量三、用激光準(zhǔn)立儀制導(dǎo)鏜內(nèi)孔生產(chǎn)上自動(dòng)控制第五節(jié) 激光多自由度測(cè)量技術(shù)多自由度測(cè)量的必要性多自由度測(cè)量的必要性: 1. 空間物體的姿態(tài): 飛機(jī)、火箭等風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 2. 機(jī)器運(yùn)動(dòng)部件的裝配、運(yùn)行精度： 導(dǎo)軌精度 3. 空間吊裝的

13、運(yùn)動(dòng)軌跡誤差需要測(cè)量的參數(shù)主要測(cè)量參數(shù): x , y, z: 平動(dòng)測(cè)量參數(shù) x, y, z: 轉(zhuǎn)角測(cè)量參數(shù)注： 各角度方向自由度的命名，以其主要運(yùn)動(dòng)方向而言一、多自由度測(cè)量系統(tǒng)的劃分一般根據(jù)測(cè)量的自由度的數(shù)量劃分：1. 兩自由度測(cè)量系統(tǒng)2. 四自由度測(cè)量系統(tǒng)3. 五/六自由度測(cè)量系統(tǒng)4. 測(cè)量滾轉(zhuǎn)角二、兩自由度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的原理： 激光準(zhǔn)直儀測(cè)量的參數(shù)： 一般為x，y兩者或者其一光電探測(cè)器： 硅光電池： 四象限器： x，y 二象限器： x或y 光敏電阻： 一般電橋式x或y CCD：線陣 x或y 面陣： x，y二、兩自由度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型： 平面式 反射式 x xy yV VK Kx xV VK Ky y 三、四自由度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理同前測(cè)量參數(shù)：x，y， x 、 y 測(cè)