第四章激光准直及多自由度测量

1、第四章 激光准直及多自由度测量第一节 准直测量原理直线度定义：直线度定义：一系列的点列或连续表面对于几何直线的距离.直线度测量是平面度、平行度、垂直度平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础。传统方法传统方法:建筑: 垂线法, 拉钢丝法大型设备安装:拉钢丝法木工: 划线法机械加工: 钳工的划线法, 定位传统方法的特点传统方法的特点: 简单,直观,垂线法, 拉钢丝法易受环境因素影响,精度低1- 物管，带消色差透镜的物管1.12- 准直测头， 2.1分束器、目镜刻线2.2及准直刻线2.33- 目镜4- 带灯泡4.1的光源， 4.2过滤玻璃及4.3聚光器自准直光管和准直望远镜自准直光管和准直望远镜测

2、量精度10um，使用白准直光管具有0.1秒级的灵敏度。缺点，如操作不方使，存在瞄准、调焦误羌等。同时，在较长的距离下，像质模糊，照度低。一般可靠的工作距离小于30 m，此外也存在空气的十扰。自准直光管和准直望远镜自准直光管和准直望远镜 叉丝像分划板视场透光窗反射像旋转目镜调节鼓轮 伸缩目镜筒 20世纪60年代，激光出现：高亮度、 方向性、 相干件好等优点。激光准直仪具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通光学准直的精度，并可实现自动控制激光准直仪按操作原理可分为 1) 振幅测量法 2) 干涉测量法 3) 偏振测量法1）振幅/光强测量法利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量其基本原理: 1）振幅

3、/光强测量法缺点缺点: 激光器的光束漂移 光束的非均匀性 探测器灵敏度不对称 空气的折射率梯度 气流的扰动等影响思考题思考题: 水平,长距离测量,重力是否有影响?振幅振幅/光强测量法常用的准直方法光强测量法常用的准直方法a菲涅耳波带片法b. 位相板法c. 双光束法a.菲涅耳波带片法十字划线,是干涉形成的, 有良好的抗干扰能力, 光强分布均匀, 经过扩束后照射波带片, 避免的激光光束的漂移及振动因素的影响b. 位相板法相位板相邻光程差半波长,即相位相差, 相位板后,任何截面形成暗十字划线, 经方孔后,发生衍射,形成四光强点1241243 314231423()()()()xIIIIxIIIIyI

4、IIIyIIIIc. 双光束法采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰功影响。2) 干涉测量法干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上，又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。主要有以下几种方法:1楔形板干涉法2. 双频激光干涉法3. 光栅干涉法1楔形板干涉法2. 双频激光干涉法3. 光栅干涉法4 4d dK K 3) 偏振测量法 光束从光楔组的正中央穿过时，由于左旋和右旋石英的厚度相同，不产生附加的旋光量= = 4 4 A A S S t t a a n n 第二节 激光准直仪的组成主要组成(三部分): 激光器 光束准直扩束系统 光电接收系统及处理电路部分1.激光

5、器激光器 利用激光束的能量中心, 照射在光电探测器上, 因此需要光场能量分布均匀, TEM00, 常采用单模的He-Ne激光器. 激光束横向漂移(平漂和角漂两种)要小 ,激光器输出功率的稳定及激器的噪声小漂移原因: 谐振腔的两反射镜稳定性差: 反射镜支架变形(热振动), 谐振腔的变形(热,振动)1.激光器激光器补偿措施主要有:a.热稳定装置b.光束补偿c.主动温控加热器d.其他措施 隔振 材料选用 特殊设计等补偿措施:热稳定装置补偿措施:光束补偿腔反射镜8和5的位置靠得很近，处于相同的环境条件，因此两个面之间的相对运动是很小的。所以，当激光器壳体变形时，输出激光束对原来的位置只产生很小的横向位

6、移和角度偏移。补偿措施:主动温控加热器补偿措施:其他措施 采取激光器与其反射镜系统对周围环境隔热 用锥形腔代替圆柱形腔及增加毛细管刚度 隔振 实验室环境控制 特殊材料,结构设计等措施都可以降低激光器输出激光束的漂移。2. 光束准直扩束系统激光是高斯光束: 其发散角: 2=2/R 光斑大小,虽传输距离的增大,而增大而实际应用中: 接收器的尺寸一定 环境、光束出射漂移影响 原理上需要大平面平行光束照射所以： 需要准直及扩束系统2. 光束准直扩束系统常用扩束系统的种类：1）开普勒式望远镜2）伽利略式望远镜3）组合式倒置望远镜121221212 20 01 11 1f ffMfMf fM Mf f 1

7、）开普勒式望远镜特点： 镜筒较长， 可以方便的加空间滤波器 4.13 方式，镜筒较短，体积较小，增加了反射杂散光和光能吸收2）伽利略式望远镜特点： 镜筒短， 体积小，不可以加空间滤波器 光可能反射回激光器，使激光器频率不稳定，反射回来激光也会造成光输出强度，产生干涉，或者亮度不均 使用时，倾斜L2，增加反射杂散光， 使光输出稳定3）组合式倒置望远镜对伽利略式的改进： 避免了杂散光，使光束均匀和频率稳定 3）组合式倒置望远镜 这种方式，可方便组成准直测量系统， 减少可调节点3.光电接收系统及处理电路部分常用激光准直的光电探测器:a. 硅光电池 二分型 四象限器(四分型)b. PSD 一维PSD

8、二维PSDc.光电倍增管d.CCDa. 硅光电池在同一硅片上制作的光电池, 价格便宜, 缺点暗电流较大, 各个单元的转换效率不一致142314231234123414231423123412341234123412341234()()()()()()()()x xx xx xx xVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVororVVVVVVVVV VVVVVVVVVVVVVVVVVV VVVVVVVVV b. PSD位置敏感探测器(Position Sensitive Detector)简称PSD，是一种具有特殊结构的大光敏面的光电二极管，又称为pn结光电传感器。PSD与象限位置探测器和CCD

9、不同，它有一个完整的光敏面，通过不同电极之间的电流输出，能连续给出入射光点中心在光敏面上的位置。常用的结构类型有: 一维PSD 二维PSD一维PSD设: AB电阻率均匀, 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 二维PSDc. 光电倍增管对于弱光,常采用此法d. CCD线阵CCD 一维测量面阵CCD 二维测量特点: 可采集光斑的大小,及其能量分布, 计算机识别能量中心的位移大小及方向第三节 大气扰动及激光束漂移大气挠动的静态模型: 实际大气存在: 气流,温度梯度等,使空气密度变化,从而折射率n变化实际空气折射率变化一般用结构函数来表示: 经验与理论公式: Cn称作l0到L0区间的结

11、构参数是折射率起伏变化的描述，它与大气参数如热流、风速,高度有关。l0为最小非均幻旋涡的尺寸，典型值为1-10mm、；L0为最大非均匀尺度，它和离地面的高度有关，近地表面处的干扰要大一些。2 22 2LdnLdnh hdrdr2 22121( ) ()()( ) ()()n nDn rn rDn rn r 23 / 223 / 20000( );( );nnnnDCLDCL 第三节 大气扰动及激光束漂移克服大气挠动的方法主要有:n机械法n光学法机械法常用: 1)选择空气扰动最小的时间工作，如在早晨太阳升起之前。另外，控制外界环境也能起到一定作用，如在光束传输路程上避免有热源和温度梯度及气流等的

12、影响 2)将光束用套管屏蔽，甚至将管子内抽成真空 3)沿着激光束前进的方向以适当流速的空气流喷射，因为空气流提高空气扰动的频率，可用时间常数比较小的低通滤波器，消除输出信号的交变成分。 4)对频率为5060Hz的扰动可采取积分电路消除光学法光学法第四节 激光淮直测量的应用应用场合: 测绘 建筑施工 大型设备安装 仪器设备制造 形位误差测量 误差修正一、直线度测量二、同轴度测量三、用激光准立仪制导镗内孔生产上自动控制第五节 激光多自由度测量技术多自由度测量的必要性多自由度测量的必要性: 1. 空间物体的姿态: 飞机、火箭等风洞实验 2. 机器运动部件的装配、运行精度： 导轨精度 3. 空间吊装的

13、运动轨迹误差需要测量的参数主要测量参数: x , y, z: 平动测量参数 x, y, z: 转角测量参数注： 各角度方向自由度的命名，以其主要运动方向而言一、多自由度测量系统的划分一般根据测量的自由度的数量划分：1. 两自由度测量系统2. 四自由度测量系统3. 五/六自由度测量系统4. 测量滚转角二、两自由度测量系统测量的原理： 激光准直仪测量的参数： 一般为x，y两者或者其一光电探测器： 硅光电池： 四象限器： x，y 二象限器： x或y 光敏电阻： 一般电桥式x或y CCD：线阵 x或y 面阵： x，y二、两自由度测量系统结构类型： 平面式 反射式 x xy yV VK Kx xV VK Ky y 三、四自由度测量系统测量原理同前测量参数：x，y， x 、 y 测