激光測量技術(shù)第四章激光準直及多自由測量

第一節(jié)準直測量原理自準直光管和準直望遠鏡測量精度10um，使用白準直光管具有0.1秒級的靈敏度。缺點，如操作不方使，存在瞄準、調(diào)焦誤羌等。同時，在較長的距離下，像質(zhì)模糊，照度低。一般可靠的工作距離小于30m，此外也存在空氣的十擾。1-

物管，帶消色差透鏡的物管1.1

2-

準直測頭，2.1分束器、目鏡刻線2.2及準直刻線2.3

3-目鏡

4-帶燈泡4.1的光源，4.2過濾玻璃及4.3聚光器2006年3月6日星期一當前第1頁\共有51頁\編于星期五\10點自準直光管和準直望遠鏡⑵

叉絲像分劃板視場透光窗反射像旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)鼓輪⑴伸縮目鏡筒⑶

2006年3月6日星期一當前第2頁\共有51頁\編于星期五\10點第一節(jié)準直測量原理20世紀60年代激光出現(xiàn)后， 高亮度、方向性相干件好等優(yōu)點。激光準直儀具有拉鋼絲法的直觀性、簡單性和普通光學準直的精度，并可實現(xiàn)自動控制。激光準直儀按上作原理可分為1)振幅測量法2)干涉測量法3)偏振測量法2006年3月6日星期一當前第3頁\共有51頁\編于星期五\10點1）振幅/光強測量法利用激光的能量中心及其光強分布實現(xiàn)直線度測量其基本原理:2006年3月6日星期一當前第4頁\共有51頁\編于星期五\10點1）振幅/光強測量法缺點:

激光器的光束漂移光束的非均勻性探測器靈敏度不對稱空氣的折射率梯度氣流的擾動等影響思考題:水平,長距離測量,重力是否有影響?振幅/光強測量法常用的準直方法a．菲涅耳波帶片法b.位相板法c.雙光束法2006年3月6日星期一當前第5頁\共有51頁\編于星期五\10點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,光強分布均勻,經(jīng)過擴束后照射波帶片,避免的激光光束的漂移及振動因素的影響2006年3月6日星期一當前第6頁\共有51頁\編于星期五\10點b.位相板法相位板相鄰光程差半波長,即相位相差pi,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,形成四光強點2006年3月6日星期一當前第7頁\共有51頁\編于星期五\10點c.雙光束法采用兩光束的平分線作為準直基準可以克服激光器的漂移和部分空氣擾功影響。2006年3月6日星期一當前第8頁\共有51頁\編于星期五\10點2)干涉測量法干涉測量法是在以激光束作為直線基準的基礎(chǔ)上，又以光的干涉原理進行讀數(shù)來進行直線度測量的。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2006年3月6日星期一當前第9頁\共有51頁\編于星期五\10點1．楔形板干涉法2006年3月6日星期一當前第10頁\共有51頁\編于星期五\10點2.雙頻激光干涉法2006年3月6日星期一當前第11頁\共有51頁\編于星期五\10點3.光柵干涉法2006年3月6日星期一當前第12頁\共有51頁\編于星期五\10點3)偏振測量法光束從光楔組的正中央穿過時，由于左旋和右旋石英的厚度相同，不產(chǎn)生附加的旋光量2006年3月6日星期一當前第13頁\共有51頁\編于星期五\10點第二節(jié)激光準直儀的組成主要組成(三部分):激光器光束準直擴束系統(tǒng)光電接收系統(tǒng)及處理電路部分激光器

利用激光束的能量中心,照射在光電探測器上,因此需要光場能量分布均勻,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),諧振腔的變形(熱,振動)2006年3月6日星期一當前第14頁\共有51頁\編于星期五\10點1.激光器補償措施主要有:熱穩(wěn)定裝置光束補償主動溫控加熱器其他措施隔振材料選用特殊設計等2006年3月6日星期一當前第15頁\共有51頁\編于星期五\10點補償措施:熱穩(wěn)定裝置整個裝置的作用是使激光器沿長度方向的溫度梯度減少，同時使裝置維持在較低的工作溫度，從而減少變形。2006年3月6日星期一當前第16頁\共有51頁\編于星期五\10點補償措施:光束補償腔反射鏡8和5的位置靠得很近，處于相同的環(huán)境條件，因此兩個面之間的相對運動是很小的。所以，當激光器殼體變形時，輸出激光束對原來的位置只產(chǎn)生很小的橫向位移和角度偏移。2006年3月6日星期一當前第17頁\共有51頁\編于星期五\10點補償措施:主動溫控加熱器2006年3月6日星期一當前第18頁\共有51頁\編于星期五\10點補償措施:其他措施采取激光器與其反射鏡系統(tǒng)對周圍環(huán)境隔熱用錐形腔代替圓柱形腔及增加毛細管剛度隔振實驗室環(huán)境控制特殊材料,結(jié)構(gòu)設計等措施都可以降低激光器輸出激光束的漂移。2006年3月6日星期一當前第19頁\共有51頁\編于星期五\10點2.光束準直擴束系統(tǒng)激光是高斯光束:其發(fā)散角:2θ=2λ/πR光斑大小,雖傳輸距離的增大,而增大而實際應用中: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：需要準直及擴束系統(tǒng)2006年3月6日星期一當前第20頁\共有51頁\編于星期五\10點2.光束準直擴束系統(tǒng)常用擴束系統(tǒng)的種類：1）開普勒式望遠鏡2）伽利略式望遠鏡3）組合式倒置望遠鏡2006年3月6日星期一當前第21頁\共有51頁\編于星期五\10點1）開普勒式望遠鏡特點：鏡筒較長，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2006年3月6日星期一當前第22頁\共有51頁\編于星期五\10點2）伽利略式望遠鏡特點：

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，反射回來激光也會造成光輸出強度，產(chǎn)生干涉，或者亮度不均使用時，傾斜L2，增加反射雜散光，使光輸出穩(wěn)定2006年3月6日星期一當前第23頁\共有51頁\編于星期五\10點3）組合式倒置望遠鏡對伽利略式的改進：避免了雜散光，使光束均勻和頻率穩(wěn)定

2006年3月6日星期一當前第24頁\共有51頁\編于星期五\10點3）組合式倒置望遠鏡這種方式，可方便組成準直測量系統(tǒng)，減少可調(diào)節(jié)點2006年3月6日星期一當前第25頁\共有51頁\編于星期五\10點3.光電接收系統(tǒng)及處理電路部分常用激光準直的光電探測器:a.硅光電池

二分型四象限器(四分型)b.PSD一維PSD二維PSD光電倍增管CCD2006年3月6日星期一當前第26頁\共有51頁\編于星期五\10點a.硅光電池在同一硅片上制作的光電池,價格便宜,缺點暗電流較大,各個單元的轉(zhuǎn)換效率不一致2006年3月6日星期一當前第27頁\共有51頁\編于星期五\10點b.PSD位置敏感探測器(PositionSensitiveDetector)簡稱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p—n結(jié)光電傳感器。PSD與象限位置探測器和CCD不同，它有一個完整的光敏面，通過不同電極之間的電流輸出，能連續(xù)給出入射光點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PSD2006年3月6日星期一當前第28頁\共有51頁\編于星期五\10點一維PSD設:AB電阻率均勻,RAB=R2006年3月6日星期一當前第29頁\共有51頁\編于星期五\10點二維PSD2006年3月6日星期一當前第30頁\共有51頁\編于星期五\10點c.光電倍增管對于弱光,常采用此法2006年3月6日星期一當前第31頁\共有51頁\編于星期五\10點d.CCD線陣CCD一維測量面陣CCD二維測量特點:可采集光斑的大小,及其能量分布,計算機識別能量中心的位移大小及方向2006年3月6日星期一當前第32頁\共有51頁\編于星期五\10點第三節(jié)大氣擾動及激光束漂移大氣撓動的靜態(tài)模型:實際大氣存在:氣流,溫度梯度等,使空氣密度變化,從而折射率n變化實際空氣折射率變化一般用結(jié)構(gòu)函數(shù)來表示:經(jīng)驗與理論公式:Cn稱作l0到L0區(qū)間的結(jié)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。2006年3月6日星期一當前第33頁\共有51頁\編于星期五\10點第三節(jié)大氣擾動及激光束漂移克服大氣撓動的方法主要有:機械法光學法機械法常用:1)選擇空氣擾動最小的時間工作，如在早晨太陽升起之前。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)沿著激光束前進的方向以適當流速的空氣流噴射，因為空氣流提高空氣擾動的頻率，可用時間常數(shù)比較小的低通濾波器，消除輸出信號的交變成分。4)對頻率為50—60Hz的擾動可采取積分電路消除2006年3月6日星期一當前第34頁\共有51頁\編于星期五\10點光學法2006年3月6日星期一當前第35頁\共有51頁\編于星期五\10點光學法2006年3月6日星期一當前第36頁\共有51頁\編于星期五\10點第四節(jié)激光淮直測量的應用應用場合:測繪建筑施工大型設備安裝儀器設備制造形位誤差測量誤差修正2006年3月6日星期一當前第37頁\共有51頁\編于星期五\10點一、直線度測量2006年3月6日星期一當前第38頁\共有51頁\編于星期五\10點二、同軸度測量2006年3月6日星期一當前第39頁\共有51頁\編于星期五\10點三、用激光準立儀制導鏜內(nèi)孔生產(chǎn)上自動控制2006年3月6日星期一當前第40頁\共有51頁\編于星期五\10點第五節(jié)激光多自由度測量技術(shù)多自由度測量的必要性:1.空間物體的姿態(tài):飛機、火箭等風洞實驗2.機器運動部件的裝配、運行精度：導軌精度3.空間吊裝的運動軌跡誤差2006年3月6日星期一當前第41頁\共有51頁\編于星期五\10點需要測量的參數(shù)主要測量參數(shù):Δx,Δy,Δz:平動測量參數(shù)Δθx,Δθy,Δθz:

轉(zhuǎn)角測量參數(shù)注：各角度方向自由度的命名，以其主要運動方向而言2006年3月6日星期一當前第42頁\共有51頁\編于星期五\10點一、多自由度測量系統(tǒng)的劃分一般根據(jù)測量的自由度的數(shù)量劃分：兩自由度測量系統(tǒng)四自由度測量系統(tǒng)五/六自由度測量系統(tǒng)測量滾轉(zhuǎn)角2006年3月6日星期一當前第43頁\共有51頁\編于星期五\10點二、兩自由度測量系統(tǒng)測量的原理：激光準直儀測量的參數(shù)：一般為Δx，Δy兩者或者其一光電探測器：

硅光電池：四象限器：Δx，Δy二象限器：Δx或Δy光敏電阻：一般電橋式Δx或ΔyCCD：線陣Δx或Δy面陣：Δx，ΔyΔθ？2006年3月6日星期一當前第44頁\共有51頁\編于星期五\10點二、兩自由度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型：平面式反射式

X,y是單純平動引起嗎？2006年3月6日星期一當前第45頁\共有51頁\編于星期五\10點三、四自由度測量系統(tǒng)測量原理同前測量參數(shù)：Δx，Δy，Δθx，Δθy測量的結(jié)構(gòu)類型主要有：中心孔式2.分光式3.反射式2006年3月6日星期一當前第46頁\共有51頁\編于星期五\10點四、五/六自由度測量系統(tǒng)1.五自由度Michigan2006年3月6日星期一當前第47頁\共有51頁\編于星期五\10點2.六自由度測量系統(tǒng)Nihon和Sophia200