1、2006年3月6日星期一第四章 激光準(zhǔn)直及多自由度測量2006年3月6日星期一第一節(jié) 準(zhǔn)直測量原理直線度是直線度是指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2006年3月6日星期一第一節(jié) 準(zhǔn)直測量原理自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠鏡自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠鏡測量精度10um，使用白準(zhǔn)直光管具有0.1秒級的靈敏度。缺點，如操作不方使

2、，存在瞄準(zhǔn)、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?dāng)_。1- 物管，帶消色差透鏡的物管1.12- 準(zhǔn)直測頭， 2.1分束器、目鏡刻線2.2及準(zhǔn)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2006年3月6日星期一自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)直望遠鏡自準(zhǔn)直光管和準(zhǔn)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 2006年3月6日星期一第一節(jié) 準(zhǔn)直測量原理 20世紀60年代激光出現(xiàn)后， 高亮度、 方向性 相干件好等優(yōu)點。 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，并可實現(xiàn)自動控制。

3、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: 2006年3月6日星期一1）振幅/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(zhǔn)直方法光強測量法常用的準(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

4、帶片, 避免的激光光束的漂移及振動因素的影響2006年3月6日星期一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,形成四光強點1 12 24 43 31 14 42 23 3( () )( () )x xI II II II Iy yI II II II I 2006年3月6日星期一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.

5、 雙頻激光干涉法3. 光柵干涉法2006年3月6日星期一1楔形板干涉法2006年3月6日星期一2. 雙頻激光干涉法2006年3月6日星期一3. 光柵干涉法4 4d dK K 2006年3月6日星期一3) 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 2006年3月6日星期一第二節(jié) 激光準(zhǔn)直儀的組成主要組成(三部分): 激光器 光束準(zhǔn)直擴束系統(tǒng) 光電接收系統(tǒng)及處理電路部分激光器激光器 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

6、. 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: 1. 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)2006年3月6日星期一1.激光器激光器補償措施主要有:熱穩(wěn)定裝置光束補償主動溫控加熱器其他措施 隔振 材料選用a. 特殊設(shè)計等2006年3月6日星期一補償措施:熱穩(wěn)定裝置2006年3月6日星期一補償措施: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(dāng)激光器殼體變形時，輸出激光束對原來的位置只產(chǎn)生很小的橫向位移和角度偏移。2006年3月6日星期一補償措施:主動溫控加熱

7、器2006年3月6日星期一補償措施: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。2006年3月6日星期一2. 光束準(zhǔn)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(zhǔn)直及擴束系統(tǒng)2006年3月6日星期一2. 光束準(zhǔn)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 1

8、f ffMfMf fM Mf f 2006年3月6日星期一1）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2006年3月6日星期一2）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2006年3月6日星期一3）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 2006年3月6日星期一3）組合式倒置望遠鏡 這種方式，可方便組成準(zhǔn)直測量系統(tǒng)， 減少

9、可調(diào)節(jié)點2006年3月6日星期一3.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c.CCD2006年3月6日星期一a. 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 2006年3月6

10、日星期一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PSD2006年3月6日星期一一維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 LRRRR

11、RR 2 222220 0(0.25)(0.25)()()2 2()()2 2UULUULR RRLxRLxandandUULUULL LACACR RACACRxRxUULUULL LBCBCR RACACRxRxI II II I 2 22 22 20 02 22 22 20 02 2L Lx xLxLxACACLLLLL Lx xLxLxBCBCLLLLIIIIL LACBCACBCIIIIACBCACBCI II II II Ix x 2006年3月6日星期一二維PSD2006年3月6日星期一c. 光電倍增管對于弱光,常采用此法2006年3月6日星期一d. CCD線陣CCD 一維測量面

12、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2006年3月6日星期一第三節(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)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 22 21 1( ( ) ) ( () )( ()

13、 ) n nD Dn n r rn n r r 2 23 3 / / 2 20 00 0( ( ) ); ;n nn nD DC CL L 2006年3月6日星期一第三節(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(dāng)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

14、動可采取積分電路消除2006年3月6日星期一光學(xué)法2006年3月6日星期一光學(xué)法2006年3月6日星期一第四節(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日星期一一、直線度測量2006年3月6日星期一二、同軸度測量2006年3月6日星期一三、用激光準(zhǔn)立儀制導(dǎo)鏜內(nèi)孔生產(chǎn)上自動控制2006年3月6日星期一第五節(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. 空間吊裝的運動軌跡誤差2006年3月6日星期一需要測量的

15、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2006年3月6日星期一一、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)1.測量滾轉(zhuǎn)角2006年3月6日星期一二、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，y2006年3月6日星期一二、兩自由度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型： 平面式 反射式 x xy yVKxVKxVKyVKy 2006年3月6日星期一三、四自由度測量系統(tǒng)測量原理同前測量參數(shù)：x，y， x，y測量的結(jié)構(gòu)類型主要有：1.中心孔式 2. 分光式 3.