激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量

1激光測(cè)量技術(shù)

LaserMeasurementTechnology2第四章激光準(zhǔn)直及多自由度測(cè)量§4.1激光準(zhǔn)直測(cè)量原理直線度誤差是指被測(cè)實(shí)際輪廓線相對(duì)于理想直線的變動(dòng)量；直線度測(cè)量是平面度、平行度、垂直度等幾何量測(cè)量的基礎(chǔ)與長(zhǎng)度測(cè)量的區(qū)別：長(zhǎng)度測(cè)量需要來(lái)自外界規(guī)定的某種長(zhǎng)度基準(zhǔn)，被測(cè)長(zhǎng)度與基準(zhǔn)長(zhǎng)度相比較而獲得被測(cè)長(zhǎng)度之值。直線本身有確切的幾何意義，原理上不需要依賴外界的準(zhǔn)繩，測(cè)量可以在“無(wú)直線基準(zhǔn)”的情況下進(jìn)行。例：利用多個(gè)直尺的互檢以及誤差分離等技術(shù)，即可在“無(wú)直線基準(zhǔn)”條件下獲得高精度的直線測(cè)量結(jié)果。3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、機(jī)械加工:劃線法傳統(tǒng)方法的特點(diǎn):

簡(jiǎn)單,直觀,易受環(huán)境因素影響,精度低實(shí)際情況中，為了適應(yīng)多種被測(cè)對(duì)象的需要，絕大多數(shù)直線度測(cè)量又是憑借某種直線基準(zhǔn)進(jìn)行。常用的直線基準(zhǔn)：1、實(shí)體直線基準(zhǔn)：

（1）經(jīng)過(guò)互檢或誤差分離后的具有高檢定精度的平晶、長(zhǎng)平晶、長(zhǎng)直尺；（2）樣板直尺、研磨面平尺、平尺、平板；（3）精密測(cè)量機(jī)的精密導(dǎo)軌；（4）緊張的鋼絲。2、重力基準(zhǔn)，包括受重力作用的液面，懸吊重物的鉛垂直線3、光線基準(zhǔn)，包括準(zhǔn)直的光束及激光束。4自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡1-

物管1.1消色差物鏡2-

準(zhǔn)直測(cè)頭2.1分束器、2.2目鏡刻線及2.3準(zhǔn)直刻線3-目鏡

4-照明光管4.1帶燈泡的光源、4.2過(guò)濾玻璃及4.3聚光器測(cè)量精度10μm，使用自準(zhǔn)直光管具有0.1s級(jí)的靈敏度。操作不方使，存在瞄準(zhǔn)、調(diào)焦誤差等；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30m，此外也存在空氣的干擾。缺點(diǎn)5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。激光的出現(xiàn)給直線度誤差測(cè)量開(kāi)辟了新的途徑激光準(zhǔn)直儀按工作原理可分為

1)振幅測(cè)量法

2)干涉測(cè)量法

3)偏振測(cè)量法優(yōu)點(diǎn)6一、振幅（光強(qiáng)）測(cè)量法以激光束的強(qiáng)度中心作為直線基準(zhǔn)，在需要準(zhǔn)直的點(diǎn)上用光電探測(cè)器接收它，光電探測(cè)器一般采用光電池或PSD。特征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(chēng)空氣的折射率梯度氣流的擾動(dòng)等影響缺點(diǎn):由四象限光電池兩對(duì)象限輸出電壓的差值決定光束中心位置7振幅測(cè)量型準(zhǔn)直儀提高基準(zhǔn)精度的常用方法1.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)因素的影響主要用于幾十米至幾百米甚至幾千米范圍內(nèi)的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)幾十米范圍內(nèi)十字亮線的寬度可窄到0.2mm，對(duì)中誤差可降到10-5以下82.位相板法在暗十字中心插進(jìn)方孔,光束經(jīng)方孔后,發(fā)生衍射,形成四亮點(diǎn)；這些亮點(diǎn)強(qiáng)度的不對(duì)稱(chēng)性隨著孔的偏移而增加。位相板由四塊扇形涂層組成；相鄰?fù)繉庸獬滩畎氩ㄩL(zhǎng),即相位相差π。在位相板后面的光束任何截面上都出現(xiàn)暗十字條紋,暗十字條紋中心的連線可作為基準(zhǔn)線進(jìn)行準(zhǔn)直測(cè)量偏移的大小和方向可通過(guò)測(cè)量觀察屏上的四個(gè)亮點(diǎn)的強(qiáng)度來(lái)獲得：93.雙光束法采用復(fù)合棱鏡將光束分為兩束，當(dāng)激光器的出射光束漂移時(shí)，經(jīng)過(guò)棱鏡以后的兩個(gè)光束的漂移方向相反，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動(dòng)的影響。10二、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.楔形板干涉法用于測(cè)量長(zhǎng)導(dǎo)軌直線度誤差將靶標(biāo)沿被測(cè)導(dǎo)軌移動(dòng)，若導(dǎo)軌有直線度誤差，將使干涉條紋發(fā)生移動(dòng)測(cè)量裝置分辨力2",重復(fù)性精度2"，示值誤差±2"/100m，測(cè)量范圍335m112.雙頻激光干涉法雙反射鏡的下落量測(cè)量精度±0.5μm/m，最大檢測(cè)距離3m，最大下落量可測(cè)到1.5mm123.光柵干涉法測(cè)量裝置以光柵作為敏感元件，以雙面反射鏡兩反射面夾角中分線作為直線基準(zhǔn)；測(cè)量范圍0.1~8m，測(cè)量精度±0.3μm/m134.外差莫爾條紋法測(cè)量原理：相干光束射向放置在移動(dòng)拖板上的雙棱鏡，產(chǎn)生與被測(cè)平面平行且等間隔的干涉條紋，干涉條紋分別通過(guò)五棱鏡和直角棱鏡再經(jīng)透鏡在視場(chǎng)處與參考光柵重合產(chǎn)生莫爾條紋。拖板沿被測(cè)表面移動(dòng)，被測(cè)表面的輪廓的高低不平引起干涉條紋的垂直移動(dòng)，形成的兩部分莫爾條紋的位相差，便是干涉條紋相位移的兩倍。參考光柵以0.75mm/s作勻速運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)莫爾條紋的調(diào)制。若設(shè)雙棱鏡楔形角為1°，棱鏡折射率為1.52，則入射光經(jīng)棱鏡后的偏角為0.52°，干涉條紋間距為34.86μm，相位靈敏度A為若用角度分辨力為1°的相位計(jì)，則線值分辨力可達(dá)0.05μm14主要組成:產(chǎn)生基準(zhǔn)光束的激光器、光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、光電接收及處理電路部分。§4.2激光準(zhǔn)直儀的組成一、激光器

常采用單模（TEM00）輸出的He-Ne激光器，其功率約為1~5mW（根據(jù)準(zhǔn)直距離而定），波長(zhǎng)632.8nm。主要要求：光束方向的漂移(平漂和角漂兩種)盡可能??；激光器輸出功率的穩(wěn)定及激光器的噪聲小；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。15普通He-Ne激光器，光束方向穩(wěn)定性大約是10-4~10-6rad性能優(yōu)良的外腔式He-Ne激光器，光束方向穩(wěn)定性為2.5×10-7rad漂移原因:

諧振腔的兩反射鏡穩(wěn)定性差:反射鏡支架變形、激光器發(fā)熱或環(huán)境溫度變化引起的毛細(xì)管的變形或諧振腔的變形。激光諧振腔的平面反射鏡有微小的角度變化將引起激光束產(chǎn)生橫向位移的變化；若凹面反射鏡有橫向位移將引起激光束的角度變化。161.熱穩(wěn)定裝置作用：使激光器沿長(zhǎng)度方向的溫度梯度減少，同時(shí)使裝置維持在較低的工作溫度，從而減少變形。為減小激光器輸出光束的漂移，可以采取以下措施：172.光束補(bǔ)償裝置作用：角錐棱鏡4變動(dòng)時(shí)，它所反射的激光束并不改變?cè)瓉?lái)的路程；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。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)生很小的橫向位移和角度偏移。183.主動(dòng)溫控加熱器工作原理：若光束漂移，則四象限光電池將光信號(hào)輸出給自動(dòng)溫控裝置，使一組加熱器開(kāi)始工作，以使管殼形成微小變形來(lái)校正光點(diǎn)回到硅光電池零位。194.其他措施采取激光器與其反射鏡系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(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20二、光學(xué)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)激光是高斯光束，其發(fā)散角:

在實(shí)際應(yīng)用中，由于接收器有一定的尺寸，并考慮到環(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)。21常用擴(kuò)束系統(tǒng)的種類(lèi)：1）開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡2）伽利略式望遠(yuǎn)鏡221.開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡鏡筒較短，體積較小，增加了反射雜散光和光能吸收特點(diǎn)鏡筒較長(zhǎng)，可以方便的加空間濾波器232.伽利略式望遠(yuǎn)鏡鏡筒短，體積小，不可以加空間濾波器特點(diǎn)為了消除雜散光，可以將負(fù)目鏡傾斜一小角度，使得雜散光和多次反射光以更大角度離軸而射向鏡筒，而通過(guò)物鏡射向探測(cè)器的只是有用的準(zhǔn)直光束，這樣可以提高穩(wěn)定性和光束幾何中心的直線性。241.四象限光電池在同一硅片上制作的光電池,價(jià)格便宜,缺點(diǎn)是暗電流較大,各個(gè)單元的轉(zhuǎn)換效率不一致三、光電探測(cè)器及處理電路252.PSD位置敏感探測(cè)器(PositionSensitiveDetector)簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為P-N結(jié)光電傳感器。PSD與象限位置探測(cè)器和CCD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(lèi)型有:一維PSD二維PSD一維PSD設(shè):AB電阻率均勻,RAC=R1，RBC=R2光電流分別經(jīng)R1、R2并由A和B電極流出，其值分別為設(shè)入射光點(diǎn)能量中心C相對(duì)于PSD中心o位置的坐標(biāo)為x,則有26二維PSD分為一般型和改進(jìn)型兩種；有五個(gè)電極，有一個(gè)為加反偏電壓的公共極，另外四個(gè)為x方向和y方向的電流輸出電極。一般型PSD暗電流小，但位置輸出非線性誤差大；改進(jìn)型采用弧形電極，信號(hào)在對(duì)角線引出，這樣不僅可以減小位置輸出的非線性誤差，同時(shí)暗電流小，加反偏電壓容易。一般型在x和y方向上的二維坐標(biāo)改進(jìn)型在x和y方向上的二維坐標(biāo)27光電倍增管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28電光偏轉(zhuǎn)§4.3大氣擾動(dòng)及激光束漂移一、大氣撓動(dòng)光束偏轉(zhuǎn)模型

設(shè)入射波前與光楔ABB?的AB面平行由A到A?，光程為l，由B到B?，光程為nl，由c到c?，光程為由A到B，玻璃厚度線性增加，透射波前仍為平面，與入射波前夾角為光在下棱鏡的折射率:雙KDP楔形棱鏡偏轉(zhuǎn)器電場(chǎng)沿x3方向，兩塊棱鏡x3方向相反光束通過(guò)光楔的偏轉(zhuǎn)光在上棱鏡的折射率:偏轉(zhuǎn)角為:29大氣撓動(dòng)的靜態(tài)模型:由于空氣是流動(dòng)的且是非均勻介質(zhì)，導(dǎo)致激光準(zhǔn)直自出現(xiàn)以來(lái)，精度并無(wú)顯著提高；當(dāng)準(zhǔn)直距離達(dá)到30m時(shí)，示值跳動(dòng)可達(dá)到0.1mm。假設(shè)在垂直方向上，空氣折射率梯度保持常數(shù)，即在高度相同的位置折射率相同，是理想的層流。光束在測(cè)量的起點(diǎn)和終點(diǎn)都是平面波，由于存在空氣折射率差dn使光線彎曲，設(shè)彎曲量為h，則例：距離溫度梯度為1℃/m，l=10m，則h約為-45μm30克服大氣撓動(dòng)的方法主要有：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50-60Hz的擾動(dòng)可采取積分電路消除。31二、激光束漂移激光束的漂移主要有平漂和角漂兩種采用激光束的能力中心作為直線基準(zhǔn)，均方差為6nm/m平漂在近端測(cè)量，補(bǔ)償元件采用平板玻璃角漂在遠(yuǎn)端測(cè)量，通過(guò)控制擴(kuò)束鏡的橫向移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償32應(yīng)用場(chǎng)合：飛機(jī)、輪船等大型設(shè)備的安裝、制造，大型機(jī)床制造中機(jī)床導(dǎo)軌直線度、各種軸系同軸度和機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)?！?.4激光準(zhǔn)直測(cè)量的應(yīng)用一、直線度測(cè)量33二、同軸度測(cè)量同軸度測(cè)量由激光準(zhǔn)直儀和定心靶完成把測(cè)量靶依次放入各軸承孔，測(cè)量靶中心相對(duì)于激光束基準(zhǔn)的偏移值。直線度基準(zhǔn)的建立：在軸承座1兩端的軸承孔中各置一定心靶，并調(diào)整激光準(zhǔn)直儀3使其光束通過(guò)兩定心靶中心。調(diào)整定心靶標(biāo)為簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)，方便調(diào)整，可設(shè)計(jì)使激光光軸通過(guò)支撐球體中心34優(yōu)點(diǎn)：可在球心o處設(shè)置定心靶，檢查光束漂移情況光束漂移后可通過(guò)調(diào)整物鏡與目鏡的徑向位置使光軸重新通過(guò)球心，消除儀器激光束漂移帶來(lái)的誤差。35三、用激光準(zhǔn)直儀制導(dǎo)鏜內(nèi)孔36多自由度測(cè)量的必要性:§4.5

激光多自由度測(cè)量技術(shù)任何一個(gè)物體在空間都有六個(gè)自由度，即三個(gè)方向的平動(dòng)和繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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.空間吊裝的運(yùn)動(dòng)軌跡誤差37一、兩自由度測(cè)量系統(tǒng)平面型結(jié)構(gòu)

反射型結(jié)構(gòu)

測(cè)量參數(shù)：Δx，Δy結(jié)構(gòu)類(lèi)型：1.平面式2.反射式38二、四自由度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)：Δx，Δy，Δθx，Δθy主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型：1.中心孔式2.分光式3.反射式39三、五/六自由度測(cè)量系統(tǒng)1.五自由度角錐棱鏡具有對(duì)光束方向不敏感的特性，由其反射回的光束所得的位置信息可反映水平和垂直方向上的直線度誤差；平面反射鏡僅對(duì)光束的偏擺和俯仰敏感，從平面鏡反射回的光束可得到兩個(gè)角位移誤差（Pitcherror和Yawerror）經(jīng)反射鏡5、2、3反射回的光束攜帶有滾轉(zhuǎn)角誤差的信息（Rollerror）402.六自由度測(cè)量系統(tǒng)Nihon和Sophia413.全息法測(cè)量5自由度原理：利用全息光柵的分光特性，在激光準(zhǔn)直光束中加入一個(gè)全息光柵，進(jìn)行五個(gè)自由度的測(cè)量。全息光柵制作：利用具有平面波前的參考光束和具有球面波前的物光光束在全息干板上干涉形成干涉條紋，曝光、定影形成。42衍射光束：光束2是照明光波的繼續(xù)，全部保留入射光的光學(xué)特性；光束1為會(huì)聚的一級(jí)光束，是透鏡A所產(chǎn)生的物光波前的真實(shí)再現(xiàn)，其偏角與物光束偏角一樣，聚焦距離和全息干板到透鏡A焦點(diǎn)的距離也完全一樣；另一光束3為物光波的共軛光波。測(cè)量過(guò)程：用二維PSD接收光束2的光，測(cè)量出靶標(biāo)沿X、Y方向上的位移Δx，Δy；另一個(gè)二維PSD放在會(huì)聚光束1的焦點(diǎn)上，如果靶標(biāo)只沿X、Y方向有移動(dòng)，則全息光柵的焦點(diǎn)不會(huì)動(dòng)，如果靶標(biāo)在水平和垂直方向上作偏擺和俯仰運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生偏角θx，θy，則光束1的焦點(diǎn)沿著PSD表面移動(dòng)，將PSD輸出的位置移動(dòng)量轉(zhuǎn)換成角度，即可測(cè)出θx，θy；光束3經(jīng)過(guò)沃拉斯頓棱鏡分為o光和e光，當(dāng)靶標(biāo)沿入射光轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，入射面也隨之相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而兩束光光強(qiáng)之比出現(xiàn)變化，通過(guò)兩個(gè)光電探測(cè)器測(cè)出滾轉(zhuǎn)角θz。在激光光源距靶標(biāo)1m范圍內(nèi)，該系統(tǒng)的線位移測(cè)量精度為±4μm，偏擺、俯仰角的測(cè)量精度為±5”，但該轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度較低。43五、磁光調(diào)制測(cè)量滾轉(zhuǎn)角法拉第旋光效應(yīng)：將磁光介質(zhì)放入磁場(chǎng)中，當(dāng)光線平行于磁場(chǎng)方向通過(guò)介質(zhì)時(shí)，入射的平面偏振光的振動(dòng)方向就會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角可表示為θ=VLH激光干涉儀的細(xì)分方法——鎖相跟蹤法