激光測量技術(shù)第四章激光準(zhǔn)直及多自由測量

第一節(jié)準(zhǔn)直測量原理直線度是指一系列的點(diǎn)列或連續(xù)表面對(duì)于幾何直線的距離.直線度測量是平面度、平行度、垂直度等幾何量測量的基礎(chǔ)。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(jī)械加工:鉗工的劃線法,定位傳統(tǒng)方法的特點(diǎn):

簡單,直觀,垂線法,拉鋼絲法易受環(huán)境因素影響,精度低2006年3月6日星期一目前一頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)第一節(jié)準(zhǔn)直測量原理自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡測量精度10um，使用白準(zhǔn)直光管具有0.1秒級(jí)的靈敏度。缺點(diǎn)，如操作不方使，存在瞄準(zhǔn)、調(diào)焦誤羌等。同時(shí)，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?dāng)_。1-

物管，帶消色差透鏡的物管1.1

2-

準(zhǔn)直測頭，2.1分束器、目鏡刻線2.2及準(zhǔn)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日星期一目前二頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠(yuǎn)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日星期一目前三頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)第一節(jié)準(zhǔn)直測量原理20世紀(jì)60年代激光出現(xiàn)后， 高亮度、方向性相干件好等優(yōu)點(diǎn)。激光準(zhǔn)直儀具有拉鋼絲法的直觀性、簡單性和普通光學(xué)準(zhǔn)直的精度，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。激光準(zhǔn)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日星期一目前四頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)1）振幅/光強(qiáng)測量法利用激光的能量中心及其光強(qiáng)分布實(shí)現(xiàn)直線度測量其基本原理:2006年3月6日星期一目前五頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)1）振幅/光強(qiáng)測量法缺點(diǎn):

激光器的光束漂移光束的非均勻性探測器靈敏度不對(duì)稱空氣的折射率梯度氣流的擾動(dòng)等影響思考題:水平,長距離測量,重力是否有影響?振幅/光強(qiáng)測量法常用的準(zhǔn)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日星期一目前六頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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(qiáng)分布均勻,經(jīng)過擴(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2006年3月6日星期一目前七頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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(qiáng)點(diǎn)2006年3月6日星期一目前八頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)c.雙光束法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功影響。2006年3月6日星期一目前九頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)2)干涉測量法干涉測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)來進(jìn)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日星期一目前十頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)1．楔形板干涉法2006年3月6日星期一目前十一頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)2.雙頻激光干涉法2006年3月6日星期一目前十二頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)3.光柵干涉法2006年3月6日星期一目前十三頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)3)偏振測量法光束從光楔組的正中央穿過時(shí)，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日星期一目前十四頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)第二節(jié)激光準(zhǔn)直儀的組成主要組成(三部分):激光器光束準(zhǔn)直擴(kuò)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(dòng)),諧振腔的變形(熱,振動(dòng))2006年3月6日星期一目前十五頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)1.激光器補(bǔ)償措施主要有:熱穩(wěn)定裝置光束補(bǔ)償主動(dòng)溫控加熱器其他措施隔振材料選用特殊設(shè)計(jì)等2006年3月6日星期一目前十六頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)補(bǔ)償措施:熱穩(wěn)定裝置整個(gè)裝置的作用是使激光器沿長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。2006年3月6日星期一目前十七頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)補(bǔ)償措施:光束補(bǔ)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(gè)面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是很小的。所以，當(dāng)激光器殼體變形時(shí)，輸出激光束對(duì)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日星期一目前十八頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)補(bǔ)償措施:主動(dòng)溫控加熱器2006年3月6日星期一目前十九頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)補(bǔ)償措施:其他措施采取激光器與其反射鏡系統(tǒng)對(duì)周圍環(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。2006年3月6日星期一目前二十頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)2.光束準(zhǔn)直擴(kuò)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(shí)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(zhǔn)直及擴(kuò)束系統(tǒng)2006年3月6日星期一目前二十一頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)2.光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)常用擴(kuò)束系統(tǒng)的種類：1）開普勒式望遠(yuǎn)鏡2）伽利略式望遠(yuǎn)鏡3）組合式倒置望遠(yuǎn)鏡2006年3月6日星期一目前二十二頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)1）開普勒式望遠(yuǎn)鏡特點(diǎn)：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日星期一目前二十三頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)2）伽利略式望遠(yuǎn)鏡特點(diǎn)：

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(huì)造成光輸出強(qiáng)度，產(chǎn)生干涉，或者亮度不均使用時(shí)，傾斜L2，增加反射雜散光，使光輸出穩(wěn)定2006年3月6日星期一目前二十四頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)3）組合式倒置望遠(yuǎn)鏡對(duì)伽利略式的改進(jìn)：避免了雜散光，使光束均勻和頻率穩(wěn)定

2006年3月6日星期一目前二十五頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)3）組合式倒置望遠(yuǎn)鏡這種方式，可方便組成準(zhǔn)直測量系統(tǒng)，減少可調(diào)節(jié)點(diǎn)2006年3月6日星期一目前二十六頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)3.光電接收系統(tǒng)及處理電路部分常用激光準(zhǔn)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日星期一目前二十七頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)a.硅光電池在同一硅片上制作的光電池,價(jià)格便宜,缺點(diǎn)暗電流較大,各個(gè)單元的轉(zhuǎn)換效率不一致2006年3月6日星期一目前二十八頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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日星期一目前二十九頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)一維PSD設(shè):AB電阻率均勻,RAB=R2006年3月6日星期一目前三十頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)二維PSD2006年3月6日星期一目前三十一頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)c.光電倍增管對(duì)于弱光,常采用此法2006年3月6日星期一目前三十二頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)d.CCD線陣CCD一維測量面陣CCD二維測量特點(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2006年3月6日星期一目前三十三頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)第三節(jié)大氣擾動(dòng)及激光束漂移大氣撓動(dòng)的靜態(tài)模型:實(shí)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(shí)際空氣折射率變化一般用結(jié)構(gòu)函數(shù)來表示:經(jīng)驗(yàn)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(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。2006年3月6日星期一目前三十四頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)第三節(jié)大氣擾動(dòng)及激光束漂移克服大氣撓動(dòng)的方法主要有:機(jī)械法光學(xué)法機(jī)械法常用:1)選擇空氣擾動(dòng)最小的時(shí)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(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2006年3月6日星期一目前三十五頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)光學(xué)法2006年3月6日星期一目前三十六頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)光學(xué)法2006年3月6日星期一目前三十七頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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2006年3月6日星期一目前三十八頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)一、直線度測量2006年3月6日星期一目前三十九頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)二、同軸度測量2006年3月6日星期一目前四十頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)三、用激光準(zhǔn)立儀制導(dǎo)鏜內(nèi)孔生產(chǎn)上自動(dòng)控制2006年3月6日星期一目前四十一頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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(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2006年3月6日星期一目前四十二頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)需要測量的參數(shù)主要測量參數(shù):Δx,Δy,Δz:平動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向而言2006年3月6日星期一目前四十三頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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日星期一目前四十四頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)二、兩自由度測量系統(tǒng)測量的原理：激光準(zhǔn)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日星期一目前四十五頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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(dòng)引起嗎？2006年3月6日星期一目前四十六頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)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日星期一目前四十七頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)四、五/六自由度測量系統(tǒng)1.五自由度Michigan2006年3月6日星期一目前四十八頁\總數(shù)五十二頁\編于一點(diǎn)2.六自由度測量系統(tǒng)