激光准直及多自由度测量

1激光测量技术

LaserMeasurementTechnology2第四章激光准直及多自由度测量§4.1激光准直测量原理直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量；直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础与长度测量的区别：长度测量需要来自外界规定的某种长度基准，被测长度与基准长度相比较而获得被测长度之值。直线本身有确切的几何意义，原理上不需要依赖外界的准绳，测量可以在“无直线基准”的情况下进行。例：利用多个直尺的互检以及误差分离等技术，即可在“无直线基准”条件下获得高精度的直线测量结果。3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、机械加工:划线法传统方法的特点:

简单,直观,易受环境因素影响,精度低实际情况中，为了适应多种被测对象的需要，绝大多数直线度测量又是凭借某种直线基准进行。常用的直线基准：1、实体直线基准：

（1）经过互检或误差分离后的具有高检定精度的平晶、长平晶、长直尺；（2）样板直尺、研磨面平尺、平尺、平板；（3）精密测量机的精密导轨；（4）紧张的钢丝。2、重力基准，包括受重力作用的液面，悬吊重物的铅垂直线3、光线基准，包括准直的光束及激光束。4自准直光管和准直望远镜1-

物管1.1消色差物镜2-

准直测头2.1分束器、2.2目镜刻线及2.3准直刻线3-目镜

4-照明光管4.1带灯泡的光源、4.2过滤玻璃及4.3聚光器测量精度10μm，使用自准直光管具有0.1s级的灵敏度。操作不方使，存在瞄准、调焦误差等；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30m，此外也存在空气的干扰。缺点5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。激光的出现给直线度误差测量开辟了新的途径激光准直仪按工作原理可分为

1)振幅测量法

2)干涉测量法

3)偏振测量法优点6一、振幅（光强）测量法以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收它，光电探测器一般采用光电池或PSD。特征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缺点:由四象限光电池两对象限输出电压的差值决定光束中心位置7振幅测量型准直仪提高基准精度的常用方法1.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主要用于几十米至几百米甚至几千米范围内的准直调节几十米范围内十字亮线的宽度可窄到0.2mm，对中误差可降到10-5以下82.位相板法在暗十字中心插进方孔,光束经方孔后,发生衍射,形成四亮点；这些亮点强度的不对称性随着孔的偏移而增加。位相板由四块扇形涂层组成；相邻涂层光程差半波长,即相位相差π。在位相板后面的光束任何截面上都出现暗十字条纹,暗十字条纹中心的连线可作为基准线进行准直测量偏移的大小和方向可通过测量观察屏上的四个亮点的强度来获得：93.双光束法采用复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个光束的漂移方向相反，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动的影响。10二、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.楔形板干涉法用于测量长导轨直线度误差将靶标沿被测导轨移动，若导轨有直线度误差，将使干涉条纹发生移动测量装置分辨力2",重复性精度2"，示值误差±2"/100m，测量范围335m112.双频激光干涉法双反射镜的下落量测量精度±0.5μm/m，最大检测距离3m，最大下落量可测到1.5mm123.光栅干涉法测量装置以光栅作为敏感元件，以双面反射镜两反射面夹角中分线作为直线基准；测量范围0.1~8m，测量精度±0.3μm/m134.外差莫尔条纹法测量原理：相干光束射向放置在移动拖板上的双棱镜，产生与被测平面平行且等间隔的干涉条纹，干涉条纹分别通过五棱镜和直角棱镜再经透镜在视场处与参考光栅重合产生莫尔条纹。拖板沿被测表面移动，被测表面的轮廓的高低不平引起干涉条纹的垂直移动，形成的两部分莫尔条纹的位相差，便是干涉条纹相位移的两倍。参考光栅以0.75mm/s作匀速运动，以实现对莫尔条纹的调制。若设双棱镜楔形角为1°，棱镜折射率为1.52，则入射光经棱镜后的偏角为0.52°，干涉条纹间距为34.86μm，相位灵敏度A为若用角度分辨力为1°的相位计，则线值分辨力可达0.05μm14主要组成:产生基准光束的激光器、光束准直扩束系统、光电接收及处理电路部分。§4.2激光准直仪的组成一、激光器

常采用单模（TEM00）输出的He-Ne激光器，其功率约为1~5mW（根据准直距离而定），波长632.8nm。主要要求：光束方向的漂移(平漂和角漂两种)尽可能小；激光器输出功率的稳定及激光器的噪声小；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。15普通He-Ne激光器，光束方向稳定性大约是10-4~10-6rad性能优良的外腔式He-Ne激光器，光束方向稳定性为2.5×10-7rad漂移原因:

谐振腔的两反射镜稳定性差:反射镜支架变形、激光器发热或环境温度变化引起的毛细管的变形或谐振腔的变形。激光谐振腔的平面反射镜有微小的角度变化将引起激光束产生横向位移的变化；若凹面反射镜有横向位移将引起激光束的角度变化。161.热稳定装置作用：使激光器沿长度方向的温度梯度减少，同时使装置维持在较低的工作温度，从而减少变形。为减小激光器输出光束的漂移，可以采取以下措施：172.光束补偿装置作用：角锥棱镜4变动时，它所反射的激光束并不改变原来的路程；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。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移和角度偏移。183.主动温控加热器工作原理：若光束漂移，则四象限光电池将光信号输出给自动温控装置，使一组加热器开始工作，以使管壳形成微小变形来校正光点回到硅光电池零位。194.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20二、光学准直扩束系统激光是高斯光束，其发散角:

在实际应用中，由于接收器有一定的尺寸，并考虑到环境、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。21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221.开普勒式望远镜镜筒较短，体积较小，增加了反射杂散光和光能吸收特点镜筒较长，可以方便的加空间滤波器232.伽利略式望远镜镜筒短，体积小，不可以加空间滤波器特点为了消除杂散光，可以将负目镜倾斜一小角度，使得杂散光和多次反射光以更大角度离轴而射向镜筒，而通过物镜射向探测器的只是有用的准直光束，这样可以提高稳定性和光束几何中心的直线性。241.四象限光电池在同一硅片上制作的光电池,价格便宜,缺点是暗电流较大,各个单元的转换效率不一致三、光电探测器及处理电路252.PSD位置敏感探测器(PositionSensitiveDetector)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P-N结光电传感器。PSD与象限位置探测器和CCD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,RAC=R1，RBC=R2光电流分别经R1、R2并由A和B电极流出，其值分别为设入射光点能量中心C相对于PSD中心o位置的坐标为x,则有26二维PSD分为一般型和改进型两种；有五个电极，有一个为加反偏电压的公共极，另外四个为x方向和y方向的电流输出电极。一般型PSD暗电流小，但位置输出非线性误差大；改进型采用弧形电极，信号在对角线引出，这样不仅可以减小位置输出的非线性误差，同时暗电流小，加反偏电压容易。一般型在x和y方向上的二维坐标改进型在x和y方向上的二维坐标27光电倍增管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28电光偏转§4.3大气扰动及激光束漂移一、大气挠动光束偏转模型

设入射波前与光楔ABB΄的AB面平行由A到A΄，光程为l，由B到B΄，光程为nl，由c到c΄，光程为由A到B，玻璃厚度线性增加，透射波前仍为平面，与入射波前夹角为光在下棱镜的折射率:双KDP楔形棱镜偏转器电场沿x3方向，两块棱镜x3方向相反光束通过光楔的偏转光在上棱镜的折射率:偏转角为:29大气挠动的静态模型:由于空气是流动的且是非均匀介质，导致激光准直自出现以来，精度并无显著提高；当准直距离达到30m时，示值跳动可达到0.1mm。假设在垂直方向上，空气折射率梯度保持常数，即在高度相同的位置折射率相同，是理想的层流。光束在测量的起点和终点都是平面波，由于存在空气折射率差dn使光线弯曲，设弯曲量为h，则例：距离温度梯度为1℃/m，l=10m，则h约为-45μm30克服大气挠动的方法主要有：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50-60Hz的扰动可采取积分电路消除。31二、激光束漂移激光束的漂移主要有平漂和角漂两种采用激光束的能力中心作为直线基准，均方差为6nm/m平漂在近端测量，补偿元件采用平板玻璃角漂在远端测量，通过控制扩束镜的横向移动来补偿32应用场合：飞机、轮船等大型设备的安装、制造，大型机床制造中机床导轨直线度、各种轴系同轴度和机床工作台运动误差的检测。§4.4激光准直测量的应用一、直线度测量33二、同轴度测量同轴度测量由激光准直仪和定心靶完成把测量靶依次放入各轴承孔，测量靶中心相对于激光束基准的偏移值。直线度基准的建立：在轴承座1两端的轴承孔中各置一定心靶，并调整激光准直仪3使其光束通过两定心靶中心。调整定心靶标为简化仪器结构，方便调整，可设计使激光光轴通过支撑球体中心34优点：可在球心o处设置定心靶，检查光束漂移情况光束漂移后可通过调整物镜与目镜的径向位置使光轴重新通过球心，消除仪器激光束漂移带来的误差。35三、用激光准直仪制导镗内孔36多自由度测量的必要性:§4.5

激光多自由度测量技术任何一个物体在空间都有六个自由度，即三个方向的平动和绕三个轴的转动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.空间吊装的运动轨迹误差37一、两自由度测量系统平面型结构

反射型结构

测量参数：Δx，Δy结构类型：1.平面式2.反射式38二、四自由度测量系统测量参数：Δx，Δy，Δθx，Δθy主要结构类型：1.中心孔式2.分光式3.反射式39三、五/六自由度测量系统1.五自由度角锥棱镜具有对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线度误差；平面反射镜仅对光束的偏摆和俯仰敏感，从平面镜反射回的光束可得到两个角位移误差（Pitcherror和Yawerror）经反射镜5、2、3反射回的光束携带有滚转角误差的信息（Rollerror）402.六自由度测量系统Nihon和Sophia413.全息法测量5自由度原理：利用全息光栅的分光特性，在激光准直光束中加入一个全息光栅，进行五个自由度的测量。全息光栅制作：利用具有平面波前的参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条纹，曝光、定影形成。42衍射光束：光束2是照明光波的继续，全部保留入射光的光学特性；光束1为会聚的一级光束，是透镜A所产生的物光波前的真实再现，其偏角与物光束偏角一样，聚焦距离和全息干板到透镜A焦点的距离也完全一样；另一光束3为物光波的共轭光波。测量过程：用二维PSD接收光束2的光，测量出靶标沿X、Y方向上的位移Δx，Δy；另一个二维PSD放在会聚光束1的焦点上，如果靶标只沿X、Y方向有移动，则全息光栅的焦点不会动，如果靶标在水平和垂直方向上作偏摆和俯仰运动，即产生偏角θx，θy，则光束1的焦点沿着PSD表面移动，将PSD输出的位置移动量转换成角度，即可测出θx，θy；光束3经过沃拉斯顿棱镜分为o光和e光，当靶标沿入射光转动时，入射面也随之相对转动，因而两束光光强之比出现变化，通过两个光电探测器测出滚转角θz。在激光光源距靶标1m范围内，该系统的线位移测量精度为±4μm，偏摆、俯仰角的测量精度为±5”，但该转角的测量精度较低。43五、磁光调制测量滚转角法拉第旋光效应：将磁光介质放入磁场中，当光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，旋转角可表示为θ=VLH激光干涉仪的细分方法——锁相跟踪法