第四章激光準直及多自由度測量

1、第四章 激光準直及多自由度測量第一節(jié) 準直測量原理直線度定義：直線度定義：一系列的點列或連續(xù)表面對于幾何直線的距離.直線度測量是平面度、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: 劃線法機械加工: 鉗工的劃線法, 定位傳統(tǒng)方法的特點傳統(tǒng)方法的特點: 簡單,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- 準直測頭， 2.1分束器、目鏡刻線2.2及準直刻線2.33- 目鏡4- 帶燈泡4.1的光源， 4.2過濾玻璃及4.3聚光器自準直光管和準直望遠鏡自準直光管和準直望遠鏡測

2、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30 m，此外也存在空氣的十擾。自準直光管和準直望遠鏡自準直光管和準直望遠鏡 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 伸縮目鏡筒 20世紀60年代，激光出現(xiàn)：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(xué)準直的精度，并可實現(xiàn)自動控制激光準直儀按操作原理可分為 1) 振幅測量法 2) 干涉測量法 3) 偏振測量法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: 1）振幅

3、/光強測量法缺點缺點: 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思考題: 水平,長距離測量,重力是否有影響?振幅振幅/光強測量法常用的準直方法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b. 位相板法相位板相鄰光程差半波長,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,形成四光強點1241243 314231423()()()()xIIIIxIIIIyI

4、IIIyIIIIc. 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。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= = 4 4 A A S S t t a a n n 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)1.激光器激光器補償措施主要有:a.熱穩(wěn)定裝置b.光束補償c.主動溫控加熱器d.其他措施 隔振 材料選用 特殊設(shè)計等補償措施:熱穩(wěn)定裝置補償措施: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

6、移和角度偏移。補償措施:主動溫控加熱器補償措施: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(shè)計等措施都可以降低激光器輸出激光束的漂移。2. 光束準直擴束系統(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： 需要準直及擴束系統(tǒng)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121221212 20 01 11 1f ffMfMf fM Mf f 1

7、）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 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

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, 價格便宜, 缺點暗電流較大, 各個單元的轉(zhuǎn)換效率不一致142314231234123414231423123412341234123412341234()()()()()()()()x xx xx xx xVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVororVVVVVVVVV VVVVVVVVVVVVVVVVVV VVVVVVVVV b. PSD位置敏感探測器(Position Sensitive Detector)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pn結(jié)光電傳感器。PSD與象限位置探測器和CCD

9、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. 光電倍增管對于弱光,常采用此法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)

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) 大氣擾動及激光束漂移克服大氣撓動的方法主要有:n機械法n光學(xué)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

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5060Hz的擾動可采取積分電路消除光學(xué)法光學(xué)法第四節(jié) 激光淮直測量的應(yīng)用應(yīng)用場合: 測繪 建筑施工 大型設(shè)備安裝 儀器設(shè)備制造 形位誤差測量 誤差修正一、直線度測量二、同軸度測量三、用激光準立儀制導(dǎo)鏜內(nèi)孔生產(chǎn)上自動控制第五節(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(fēng)洞實驗 2. 機器運動部件的裝配、運行精度： 導(dǎo)軌精度 3. 空間吊裝的

13、運動軌跡誤差需要測量的參數(shù)主要測量參數(shù): x , y, z: 平動測量參數(shù) x, y, z: 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：1. 兩自由度測量系統(tǒng)2. 四自由度測量系統(tǒng)3. 五/六自由度測量系統(tǒng)4. 測量滾轉(zhuǎn)角二、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x，y兩者或者其一光電探測器： 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、四自由度測量系統(tǒng)測量原理同前測量參數(shù)：x，y， x 、 y 測