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y5 8 6 0 摘要 基于半导体激光光纤组件的 直线度测量方法与系统研究 摘要 在机械制造领域中， 机床导轨的直线度误差是保证加工零件质量的重 要 因 素 之一 长 期以 来， 长 距离 高 精 度 直 线 度 测 量 一 直 是 未 能 有 效 解 决 的 问题。 本论文对直线度的 测量原理和方法、测量机构的设计、数据处理软 件的开发等方面进行了研究，设计并研制了用于测量直线度的系统。 根据光波导理论，半导体激光器输出光束经单模光纤准直后，可以 将 激光器本身的漂移抑制到最小的程度，这样就可以大大提高激光光束的稳 定性，从而为直线度测量提供一条高精度的准直基线。 在直线度测量系 统中， 光源采用半导体激光光纤组件，其准直光束作 为直线度测量的基线，并且采用角锥棱镜作为位置敏感元件，这种设计可 以 将光电 接收器与激光发射装置安装在一起，实 现在测量时移动靶镜端无 须 拖带电 缆操作。 在电气设计上，采用单片机系统来自 动完成数据采集、 数据通讯和数据存储等工作。 在直线度误差数据处理方面， 在w i n d o w 9 8 1 n t平台下用vs 6 .0 编写 了直线度误差评定软件， 可以 通过三种不同的直线度误差评定方法 ( 两点 法、 最小二乘法和最小区 域法) 实现对测量数据进行评定。 通过稳定性实验、重复特性实验和双频干涉仪对比 实验，验证了本直 线度测量系统的可行性，实验结果表明: m量系统实现的测量精度为 ( 1 . 0 + 2 x l ) u m ( l 为准直距离:单位米) 。 关 键词: 激光准直，直线度测量， 直线度误差评定 未终作者、 睁 郊洲 ;3 勿全文公布 ab s t r a c t s t u d y o n s t r a i g h t n e s s m e a s u r e m e n t m e t h o d a n d s y s t e m b a s e d o n a s i n g l e - mo d e f i b e r - c o u p l e d l a s e r m o d u l e ab s t r a c t s tr a i g h tn e s s e r r o r o f a g u i d e i n m a c h i n e t o o l s i s a m a i n f a c t o r t o a s s u r e h i g h q u a l i ty o f m e c h a n i c a l c o m p o n e n t s i n t h e a re a o f m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g , a n d h o w t o m e a s u r e s tr a i g h tn e s s e r r o r f o r l o n g d i s t a n c e w i t h a h i g h a c c u r a c y h a s b e e n a p rob l e m a m o n g r e s e a r c h e r s i n t h e m e t rol o g y f i e l d , w h i c h h a s n o t p ro p e r l y s o l v e d u p t o n o w . t h e s t r a i g h tn e s s m e as u r e m e n t m e t h o d , s y s t e m s t r u c t u r e a n d d a t a p r o c e s s i n g s o ft w a r e h a v e b e e n s t u d i e d i n t h i s p a p e r , a n d a n e w s tr a i g h tn e s s m e as u r e m e n t s y s t e m i s d e v e l o p e d . b as e d o n o p t i c a l w a v e - g u i d e t h e o ry , t h e b e a m o u t p u t fr o m a s i n g l e m o d e o p t i c a l fi b e r c a n e f f i c i e n t l y e l i m in a t e t h e b e a m d r i ft c a u s e d b y a l as e r d i o d e i t s e l f , w h i c h c o u l d g r e a t ly i m p r o v e t h e s t a b i l i ty o f t h e l i g h t b e a m . t h i s o p t i c a l a l i g n e d b e a m i s u s e d t o e s t a b l i s h a re f e re n c e l i n e f o r t h e s t r a i g h tn e s s m e as u r e m e n t . i n t h e s t r a ig h tn e s s m e a s u re m e n t s y s t e m , a s i n g l e - m o d e f ib e r - c o u p l e d l a s e r m o d u l e i s a d o p t e d a s a l i g h t s o u r c e , a n d l a s e r b e a m f ro m t h i s m o d u l e i s u s e d as t h e re f e re n c e l i n e f o r t h e s tr a i g h tn e s s m e as u r e m e n t . i n a d d i t i o n , a c u b e c o r n e r p r i s m i s u s e d a s a p o s i t i o n s e n s i t iv e d e t e c t o r , i n t h i s w a y , p h o t o - d e t e c t o r a n d l a s e r s o u r c e c a n b e p u t t o g e t h e r , w h i c h m a k e s i t p o s s i b l e t h a t i s n o e l e c t r i c a l c a b l e c o n n e c t i o n i n t h e m o v i n g m e as u r e m e n t h e a d . a s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r o f a n 8 0 c 5 2 2 p r o c e s s o r i s d e v e l o p e d t o re a l i z e t h e d a t a a c q u i s i ti o n , d a t a t r a n s m i s s i o n a n d d a t a s t o r a g e a u t o m a t i c a l ly . o n t h e p l a t f o r m o f w i n d o w 9 8 / n t w i t h v i s u a l b 6 .0 , t h e d a t a p ro c e s s i n g s o ft w a re i s c o m p i l e d f o r th e s t r a i g h tn e s s m e a s u r e m e n t . t h r e e m e t h o d s i n c l u d i n g t w o - e n d s tr a i g h tn e s s - l i n e - m e t h o d , m in i m u m a re a m e t h o d , t h e l e a s t s q u a re s tr a i g h tn e s s - l i n e - m e t h o d a r e a d o p t e d i n t h e s o f t w a r e . t h e e x p e r i m e n ts o n t h e m e a s u re m e n t s y s t e m s s t a b i l i ty , r e p e a t a b i l i ty a n d i t s c o m p a r i s o n w i t h t h e d o u b l e - f re q u e n c y l as e r i n t e r f e r o m e t e r h a v e b e e n c a r r i e d o u t . t h e r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e a c c u r a c y o f t h e s y s t e m i s a b o u t ( 1 . 0 + 2 x l ) u m ( l i s t h e c o l l i m a t i o n l e n g t h ) . k e y w o r d : l a s e r c o l l i m a t i o n , s t r a i g h t n e s s m e a s u r e m e n t , s t r a i g h t n e s s e r r o r a s s e s s me n t 第一章绪论 基于半导体激光光纤组件的 直线度测量方法与系统研究 第一章绪论 1 . 1 直线度测量的定义 直线度误差是表面形状误差中最基本的一个计量项目，是指被测表面 要素相对其理想直线的 最大变动量， 其大小反映了被测表面轮廓要素的不 平直程度， 根据被测量对象的不同，直线度可分为工件直线度和运动直线 度。 根据i s o国际 标 准化组织推 荐的 标准 m 和 我国国 家标准t2 - 4 1 . 直线度误差 可分为三种形式: 给定平面内的 直线度。 它是指在此平面内能包容被测表面形貌的两条 平行线的距离。 给定方向上的直线度。 它又可分为两种:对于给定一个方向上的直线 度， 指与该方向 垂直且包容被测表面要素的两个平行平面之间的距离， 例如导轨工作面的直线度; 对于给定两个垂直方向 上的直线度， 指由 两个相互垂直且包容被测表面轮廓要素的平面所构成的四棱柱体的截 面的两边长， 例如刀口 尺刃的直线度。 、 ，1气乙 3 、任意方向的直线度，也称空间直线度。 它是指能包容被测表面轮廓的 一个圆柱体的直径。 例如圆锥体、阶梯轴等回转体零件的直线度。 1 .2直线度测量的意义 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。 在现代科学技术中， 测量技 术的 地位变得 越来 越重要， 小到 纳米( i o 9 m ) 的 金相分析， 大到 船 舶制造和桥梁建设都要进行测量。 精密测量技术是机械工业发展的基础和 先决条件。 随着科学技术的不断进步和生产规模化与集成化的不断提高， 在重型 机械行业中， 用户对设备的可靠性和精度要求越来越高， 使得设备的制造成 本和制造难度也相应加大。 在设备加工中， 大尺 寸工件的几何形状的加工精 度和准确的 检测数据己 经成为 衡量产品制造质量的最重要指标之一。保证 这些大尺寸工件的形位误差满足设计要求， 对提高装配效率、缩短制造周 北方交通大学硕士论文 期、 提高经济效益与设备的整机性能有着重要的意义， 测量技术水平己 成 为影响产品竞争能力和经济效益的重要因素之一。 直线度误差是机械零部 件形位误差中的基本检测项目 之一， 其测量与评定方法也是测量、评定其 它形位误差 ( 如平面度、平行度等 ) 的基础。就我国目 前的直线度测量水 平， 很难在数十米长 度上精 度达到1 0 - 6 量级， 测量产品 技术落后于日 本、 美国、德国 等发达国家， 不能充分满足生产要求，迫切地需要提高直线度 测量技术的水平。 1 . 3 . 1 直线度测量技术发展现状 直 线度测量 技术的分 类15 ) 直线度测量技术可以有很多种分类。按照测量过程中直接测量量的性 质进行分类，直线度测量方法可分为两类: 一类方法是测量表面形貌的角 度偏差并进行累积， 然后按照某一当 量折算为线值变化;另一类方法是直 接测量表面的线值变化量。 按照测量方法的 适用场合来分 类， 又可以分为 在线测量方法和离线测量方法。 按照测量时有无直线基准， 可以分为有直 线基准测量法和无直线基准测量法。为了能反映测量方法的原理和特点， 本文将按照有无直线基准分类方法来介绍直线度测量技术。 1 . 3 . 2 国内外直线度测量技术现状 有直线基准式测量方法 这类测量方法采用某个直线基准，然后将被测表面与此直线基准相比 较，从面获得被测表面的直线度误差曲线。显然直线基准精度的好坏将直 接影响了直线度测量的精度。 1 .实物基准 ( 1 ) 以 平晶、 标准平尺、 直尺或平板作直线基准的测量方法 具体方法有等倾干涉法、 等厚干涉法、 光隙法、 打表法、 跨步仪法等。 ( 2 ) 以精密导轨作为直线基准的测量方法 当 进行测量时，将被测工件置于精密测量机或精密机床的工作台上， 把测量机或机床的高精度导轨作为直线基准，在工作台上沿床身导轨 移动过程中，利用固定不动的测微表测量工件表面上各个采样点的偏 差值。 ( 3 ) 以张紧的钢丝作直线基准的测量方法 第一章绪论 将钢丝的一端固定在机床的主轴上，另一端用重锤拉紧，以此张紧的 钢丝为直线基准。 利用固定在移动工作台上的显微镜或传感器测出导 轨相对于此直线基准的偏差值， 该方法一般用在被测直线比 较长， 准 确度不太高，且要求在水平方向进行测量的场合。 ( 4 ) 以 液面作为直线基准的测量方法 容器中的液体由于重力作用其液面总是与自 然水平面相平行，可以利 用这个原理制成水平仪， 进行直线度误差测量。 2 、光线基准6 -9 1 ( 1 ) 自 准直仪法 自 准直仪是以光学自 准直原理为基础，包括光学自 准直仪、 光栅自 准 直仪和光电自 准直仪等。自 准直仪由 准直光管和反射镜两部分组成， 通过放置在桥板上的反射镜在被测表面移动，由反射光线相对于光轴 的倾角测量出被测表面各采样点的偏差值。 ( 2 ) 激光干涉法 激光干涉法是以千涉原理为基础，包括双光束干涉法、外差干涉法、 双频激光干涉法、双缝干涉法等。 激光干涉法己 经发展得比 较成熟， 因 其精度高，抗千扰能力好，在生产和实践中应用比 较广泛， 但是其 测量传感元件不允许在光路中移进移出，计数必须连续。 ( 3 ) 激光衍射法 激光衍射法是利用衍射原理进行直线度测量的 方法。 英国c o v e n t ry 公 司研制的m a t r i x 型激光直线度测量系统在8 m长的导轨上测量直线度， 相 对 精度为。 .3 p mi m。 ( 4 ) 激光扫描法 采用激光束或聚焦光斑直 接扫描被测表面，从面获得直线度偏差值。 由于聚焦光斑很小，因此这类方法一般可以 达到相当高的灵敏度和精 度，但是由于其扫描范围很小，从而限制了其应用。 无直线基准的测量方法 i o - z q 1 、多测头消差法 将多个测头 一般2 -3 个) 装成一体， 彼此等间距放置， 同时对工件 表面进行测量。测量过程中，每隔一个测头间距采样一次， 然后通过 北方交通大学硕士论文 误差分离技术可在一次测试中同时测得工件直线度偏差和导轨移动的 直线偏差。 2 、直尺反转组合法 通过数根直尺进行反转测量或组合测量，可以同时测量各直尺得直线 度偏差和滑板移动得直线误差。根据采用直尺数量的多少，分为单尺 反转法、双尺反转法、 三尺反转法。这类方法可消除导轨运动误差的 影响，从而获得很高的 测量精度， 但这种方法繁琐，测量效率不高， 且缺乏深入的理论研究。 3 、多面互检法 对多个尺面进行互检，利用数据相干性来求得各自 直线度误差。但是 当被检尺长较长， 需要采用分段测量方法， 故适合中短距离的 测量。 4 、移位消差法 通过起始测量位置的变动进行两次测量，经过数据处理消除测量基线 本身的直线度误差，进而求出被测零件的直线度误差的一种方法。 综合分析以上的测量方法，直线度测量的主要问题可归纳如下: i . 2 . 实物基准难于制造和维护，用于直线度测量的实物基准主要包括 刀口尺，长量块。基准平尺、精密导轨等，这些基准都易变形， 测量精度随基准长度的增加而下降，当长度超过一米时，制造困 难且精度难以保证。因 此实物基准一般只适用于短距离的 直线度 测量。 有些测量直线度的方法实际上基准本身就不是直线，如水平仪节 距法测量直线度， 基准就是 地球表面上的一段弧线，曲 率半 径为 地球半径。 3 、光在真空和各向同性的均匀介质中是沿直线传播的，但是空气并 非是各向同 性的 均匀介质， 所以，以 空气中 传播的 光线为基准直 线本身就存在误差。 直线度测量的发展趋势 i 、不断应用新的物理技术原理，如全息照相、无衍射光等，这些新 的原理为直线度测量开辟新探索空间。 2 ,随着电子技术、计算机技术的发展， 直线度检测逐步从手动测量 到自 动测量。不仅能实现自 动显示、自 动数据处理，并且实现了 第一章绪论 程序控制测量，这种过程的自动化会减少人为因素的影响，提高 测量精度。 3 、不断利用新的光电器件，如半导体激光器、p s d, c c d等，这些 新的器件高性能、高 可靠性可以 使直线度测量精度得到提高。 4 、逐步由离线测量过渡到在线测量。目 前，大多数直线度检测都是 通过离线测量进行的， 相当一部分处于实验室研究阶段，急需开 发能够应用到测量现场仪器，把实验成果转化成生产力。 1 . 4 本论文要解决的问 题 目 前国内外测量大型工件直线度、同轴度、 平行度等形状位置误差仍 主要采用拉钢丝、放假轴等方法， 这些方法普遍存在测量效率 低、测量精 度差等缺点。 2 0 世纪7 0 年代后期，国内 外出 现了各种各样的激光准直方 法来进行直线度误差测量。由 于这些激光准直方法普遍存在测量靶镜带有 跟随光电接收器的电缆，激光准直仪由于采用h e - n e 激光器而体积大，准 直精度不高等问题，没有得到普遍使用。 采用单模光纤和h e - n e 激光器的 准直装置， 对减少激光器本身的 漂移和提高 激光准直精度有好处，但该装 置采用分离元件来藕合激光器和光纤， 造成出 射光强的不稳定，同时该装 置仍采用带电缆的靶镜， 给现场快速测量带来一定的困难。 近年来出 来了 各种各样的半导体激光准直测量仪，采用半导体激光器可减少准直仪的体 积， 但由于没有采用有效措施来减少半导体激光器的漂移， 使得测量精度 不高。同时由 于探测器固定在测量靶镜上，造成移动靶镜时电 缆也需要一 起移动，给测量带来不便。 本论文采用半导 体激光光纤准直技术实现对直线度的测量。 以 下是主 要工作内容: 进行理论分析。 半导体激光器输出光束经单模光纤准直后， 可以将 激光器本身的漂移抑制到最小的 程度。 因为激光器发出的光经过单 模光纤后， 其单模光纤的出射端点相当于二次光源. 激光束的稳定 性只取决于光纤出 射端点的 稳定性， 这样就可以大大提高激光光束 的稳定性，从而提供一条高精度的准直基线。 在光路设计上. 采用角 锥棱镜作为位置敏感元件， 具体分析了角锥 棱镜的光学特性。 而将光电 接收器固定在激光发射头上， 测量靶镜 上无光电接收器和电 缆连接， 并且激光准直仪采用一体化半导体激 光光纤组件， 因 而使得测量装置具有体积小、 测量方便、 测量稳定 性高等优点。 、 ，10乙 北方交通大学硕士论文 4, 5 、 由于采用单片机系统用于完成调试、数据采集、 数据通讯等一 作， 使得测量 _ 作即可以自 动化，也可以手动操作。 直线度误差数据处理采用计算机软件来实现， 避免了手工处理数据 产生的不便，既准确又快捷。 通过实验来测试系统的稳定性、重复特性以及测量精度。 第一章绪论 参考文献 1 i s o / r 1 1 0 1 一1 9 6 9 / a . 1 -1 9 7 1 ( e ) ， 形状和位置公差 2 1清渠 几 何量计量机械工业出 版社，1 9 8 1 3 1 李柱 互换性与测量技术 机械工业出 版社 1 9 8 4 4 刘r尔 形 位误差检测 北方t 业大学出 版社 1 9 8 8 5 张善 锤等 编著 直 线 度 平面 度 测 量 技术 中 国 计量出 版社 1 9 9 7 6 j .l . mo r u z i . . a l o w c o s t o p t i c a l a l i g n m e n t s y s t e m , i e e p r o c e e d i n g , 1 9 8 9 , 1 3 6 ,p t . a . n 2 , p 4 5 - 4 8 7 z h a n g , g .x . d i s t a n c e - d i s t a n c e m e t h o d f o r s t r a i g h tn e s s m e a s u re m e n t , c i r p a n n ,v 4 1 , n 1 , 1 9 9 2 , p 5 8 1 - 5 8 4 8 s . c .i t i c k . u s i n g a s tr a i g h t n e s s r e f e r e n c e i n o b t a i n i n g m o re a c c u r a t e s u r f a c e p r o f i l e , r e v . s c i . i n s t r u m,v 6 3 ,n 1 , 1 9 9 2 ,p 1 4 3 6 - - 1 4 3 8 9 r i c h a r d f .s c h e n . d e v e l o p m e n t o f a n e x t e n d e d s t r a i g h t n e s s m e a s u re m e n t r e f e r e n c e ,d e . 9 0 0 0 6 7 8 1 , 1 9 9 0 1 0 洪迈生，魏元雷， 李济顺. 多维误差分离技术的统一理论. 中国机械工 程， 2 0 0 0 , 1 1 ( 3 ) : 1 - 4 . 1 l k a k i n o . g.， a m e a s u r i n g m e t h o d f o r t h e l i n e a r e r r o r m o t i o n o f m a c h i n e t o o l ,j o u r n a l o f j s p e , 1 9 8 2 ,4 8 ( 2 ) : 1 0 1 - 1 0 4 . 1 2 s u d o . k . e t a l . , a n e w s t r a i g h t n e s s m e a s u r e m e n t m e t h o d f o r m a c h i n e t o o l s , p r o c e e d i n g s o f 2 r d i n t e rn a ti o n a l c o n f e re n c e o n ma c h i n e i n t e l l i g e n c e , 1 9 8 5 n o v . , l o n d o n , 1 4 7 - 1 5 1 . 1 3 h . t a n a k a , e t a l , e x t e n s iv e a n a l y s i s a n d d e v e l o p m e n t o f s t r a i g h t n e s s me a s u r e m e n t b y s e q u e n t i a l - t w o - p o i n t me t h o d , j o u rn a l o f e n g i n e e r i n g f o r i n d u s t r y , 1 9 8 6 , 1 0 8 ( 2 ) : 1 7 6 - 1 8 2 . 1 4 h . t a n a k a e t a l . ,a p p l i c a t i o n o f n e w s t r a i g h t n e s s m e a s u r e m e n t m e t h o d t o l a r g e m a c h i n e t o o l , a n n a l s o f t h e c i r p , 1 9 8 1 ,3 0 ( 1 ) : 4 5 5 - 4 5 9 汇 巧 h o n g m a i s h e n g , s e p a r a t i o n t e c h n i q u e s a n d n e w m e t h o d f o r f o r m e r r o r a n d e r r o r mo ti o n me a s u r e m e n t , p r o c . o f t h e c i r p c o n f . o n p e l i s h e n g y i, y u j i a n g m in g .h ig h - r e s o lu t i o n e r r o r s e p a r a t io n t e c h n i q u e f o r i n - s i t u s t r a i g h t n e s s m e a s u r e m e n t o f m a c h i n e t o o l s a n d w o r k p i e c e s . m e c h a t r o n i c s , 1 9 9 6 ,6 ( 3 ) : 3 3 7 - 3 4 7 . 汇 2 1 s a t o s h i k o o n o , w e i g a o . p r o f i l e m e a s u r e m e n t o f m a c h i n e d s u r f a c e w i t h a n e w d i ff e r e n t me t h o d . p r e c i s i o n e n e i n e e r i n e . 1 9 9 4 , 1 6 ( 3 ) : 2 1 2 - 2 1 8 . 第二章基于半导体激光准直技术的直线度测量系统的设计 第二章 基于半导体激光准直技术的 直线度测量系统的设计 2 1直线度测量设计方案 图 z - 1设计方案1 图 2 一 2设计方案2 如图2 -1 和2 -2 所示为两种直线度测量系统的设计方案，设计方案 1 是传统设计方案， 把光电 接收器固定在测量靶镜上， 造成移动靶镜时电 缆也需要一起移动，给测量带来不便，设计方案2 把光电接收器固定在激 光发射头上，测量靶镜上无光电接收器和电缆连接，测量时操作简单。但 是设计方案 2 与方案 1 相比较，测量距离也相当于加长一倍。设计方案2 中， 通过在小节 2 . 4 角锥棱镜的光学特性中的理论证明， 光束经过角锥棱 镜后， 可以 将x和y方向上的偏移量有2 倍放大作用， 可以 提高测量灵敏 度。通过权衡利弊，采用设计方案2 中的设计思想。 2 . 2直线度测量系统的工作原理 如图 2 -2所示，直线度测量系统的测量基准为激光器发出平行于被 测件表面的光束。 进行测量时， 角锥棱镜沿着被测表面移动，被侧表面的 直线度误差使角锥棱镜与激光光束之间产生相对移动，从而使激光光束照 射到接收装置 ( 四象限光电 检测器)的位置变化。 接收装置将输出与光位 移量成正比的电压信号， 这个电 压信号送入单片机系统， 进行数据处理， 可以 通过单片机的串行口 把采集的数据送入p c 机， 在p c 机上通过误差评 定软件进行数据处理， 计算出被测件的直线度误差值。 北方交通大学硕士论文 2 . 3测量系统设计 2 . 31光学设计 如图2 -2 所示， 光路中包含的光学元件有: 激光器、 准直透镜、 角锥 棱镜和四象限探测器。 1 .激光器的选择: 由于氦氖激光器输出光束发散角小( l m r a d以 卜 ) ，接近衍射极限;单 色性好 ( 带宽小于 2 0 h z ) :相干性好:并且输出光是可见光，所以氦氖激 光器是激光准直中常用的激光器。 但是氮氖激光器体积大， 驱动电 压高， 维护保养与调 节比 较麻 烦， 而随 着半导 体激光器 卜2 1 制造技术的发 展，半 导体激光器以其优越的性能逐渐赢得人们的青睐。 半导体激光器的主要特点有: ( 1 ) 超小型、 重量轻， 激活面 积约为0 .5 x 0 .5 m m z ; ( 2) ( 3) ( 4) 效率高，微分量子效率大于5 0 %,能量转换效率大于3 0 %; 发射的激光波长范围宽; 使用寿命长，可达百万小时以上。 并且半导体激光器可用直流稳压电 源或电 池供电 ， 简化了 激光器电 源设计。 半导体激光器从结构上来说，相当于一个矩形波导式的谐振腔，光束的发 散角很大，且发射的光波为非球面波，与此非球面波相垂直的分别位于子 午和弧矢平面内的光束不交于一点，发散角不对称，所以半导体激光器出 射的光束是非轴对称的椭园光束。 鉴于半导体激光器的以上特点，在设计方案中采用半导体激光光纤组 件， 卜 导体激光光纤组件由半导体激光器和单模光纤祸合而成的，这样就 可以解决半导体激光器输出光束发散角大的缺点，并且可以使激光器输出 光束的平漂和角漂只影响祸合效率， 而不会影响输出 光束的 方向性， 并且 激光束经单模光纤传播和准直透镜的作用，椭圆形光束被整形为圆形截面 的准直光束，从而为直线度测量提供稳定的测量基线。同时由于采用了 半 导体激光光纤组件， 增加了系统的稳定性和准直精度。 2 、 准直透镜 准直透镜采用的 是f = 3 5 m m， 放大 倍数为1 。 倍的标准显微物镜。 3 、位置敏感元件 北方交通大学硕士论文 2 3 测量系统设计 2 3 1 光学设计 如图2 2 所示，光路中包含的光学元件有：激光器、准直透镜、角锥 棱镜和四象限探测器。 1 、激光器的选择 由于氦氖激光器输出光束发散角小( 1 m r a d 以f ) ，接近衍射极限；单 色性好( 带宽小于2 0 h z ) ；相干性好：并且输出光是可见光，所以氦氖激 光器是激光准直中常用的激光器。但是氦氖激光器体积大，驱动电压高， 维护保养与调节比较麻烦，而随着半导体激光器2 1 制造技术的发展，半 导体激光器以其优越的性能逐渐赢得人们的青睐。 半导体激光器的主要特点有： ( 1 ) 超小型、重量轻，激活面积约为0 5 0 5 r a m 2 ； ( 2 )效率高，微分量子效率大于5 0 ，能量转换效率大于3 0 ； ( 3 ) 发射的激光波长范围宽： ( 4 ) 使用寿命长，可达百万小时以上。 并且半导体激光器可用直流稳压电源或电池供电，简化了激光器电源设计。 半导体激光器从结构上来说，相当于一个矩形波导式的谐振腔，光束的发 散角很火，且发射的光波为非球面波，与此非球面波相垂直的分别位于子 午和弧矢平面内的光束不交于一点，发散角不对称，所以半导体激光器出 射的光束是非轴对称的椭园光束。 鉴于半导体激光器的以上特点，在设计方案中采用半导体激光光纤组 件，、f 导体激光光纤组件由半导体激光器和单模光纤耦台而成的，这样就 可以解决半导体激光器输出光束发散角大的缺点，并且可以使激光器输出 光束的平漂和角漂只影响耦合效率，而不会影响输出光束的方向性并且 激光束经单模光纤传播和准直透镜的作用，椭圆形光束被整形为圆形截面 的准直光束，从而为直线度测量提供稳定的测量基线。同时由于采用了半 导体激光光纤组件，增加了系统的稳定性和准直精度。 2 、准直透镜 准直透镜采用的是f = 3 5 r a m ，放大倍数为i o 倍的标准显微物镜。 3 、位置敏感元件 1 0 第二章基于半导休激光准直技术的直线度测量系统的设计 位置敏感元件采用角锥棱镜，角 锥棱镜是一个由三个正交的等腰直角， 三角形和一个等边三角形构成的四面l 体，其形状相当于从正立方体上切fi 一个角，如吲2 - 3 所示，等边三角形 是光线的入射面和出射面，一般镀增 1 透膜。三个正交等腰直角三角形是光 线的反射面，般镀高反膜。角锥棱 镜的重要特性是从入射面以任意方向 入射的光线，经三个反射面顺序反射 之后，出射光将以平行丁入射光的方向射出 4 、光电探测器p 1 激光准直中常用的光电探测器主要 有四象限探测器、位敏传感器和面阵c cd 器件等。考虑到长距离激光准赢由 于光束漂移和大气抖动的影响，要求用 测量范围大、采样速度快的光电探测器。 ccd 测量范围小、采样速度慢。光电 a 图2 - 3 角锥棱镜o a b c 这就是其逆向反射特性。 探测器采用四象限探测器。圈2 - 4 四象限探测器示意图 四象限探测器是把四个性能完全相同的光电二极管按照四个象限排 列，称为四象限光电二极管，它的基本结构如图2 - 4 所示，象限之间的间 隔被称为死区，工艺上要求做得很窄。光照面上各有一根引出线，而基区 引线为公共极。当受光照时，每一个象限都会输出一个相对于光照面积的 电流“，2 、，3 和，4 。其电流强度与受光面积成正比。当光斑在四象限探 测器上移动时，各象限受光面积将发生变化，从而引起四个象限产生的电 流强度变化。 把这四个电流按公式( 2 - 3 1 ) 和( 2 - 3 2 ) 计算，就可以便可以算出 光斑中心相对于四象限探测器中心的位移。 ，一：女垫型二坠! i1 3 i i + j 2 + 1 3 + 1 4 铲t 端掣 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 北方交通人学硕十论文 采用公式 ( 2 - 3 - 1 )和 2 - 3 - 2 )得出的输出 信号，可以使输出信号不 受激光器输出总功率变化的影响，提高了系统的稳定性。 2 . 3 . 2电气设计 1 、四象限探测器信号处理 根据公式 ( 2 - 3 - 1 )和 ( 2 - 3 - 2 )设计了如图 2 - 5所示的四象限探测器 信号处理电路图，处理后的x 和y 输出信号再传送到单片机系统。 r b c a t h lj i o o o p f 图 2 - 5四象限探测器信号处理电路图 2 、单片机系统设计 单片机系统用于完成调试、数据采集、数据通讯等工作， 根据仪器的 功能需要，选用了 8 o c 5 5 2单片机，具有 a / d 、串行口、监视定时器、捕 捉比较逻辑等功能. 在通讯接口设计上采用了t c 2 3 2 芯片， 该芯片采用单 一十 5 v电源就可以实现电平转换，外接元件也少，使用很方便。 ( 1 )单片机工作软件由以下几个功能模块组成: 1 ) 监控模块 ( 包括键输人、 显示、 初始化等) ; 2 ) 数据采集模块 ( 包括a / d转换、 粗大 误差剔除等) ; 3 ) 通讯模块，用于传送数据给p c机。 第二章基于半导体激光准直技术的直线度测量系统的设计 ( 2 ) 单片机工作软件流程框图( 如图2 6 所示) 图2 6单片机工作软件流程框图 2 33 软件设计 在w i n 9 8 w i n d o w sn t 平台上，利用v b 6 0 实现三种直线度误差评定 的数据处理软妈：。详细描述见第四章直线度测量数据处理方法的研究。 2 3 4 机械装配 作为一种高精度、高效率、高速度的光电检测仪器，它的精密机械系统 北方交通人学硕十论文 设计要考虑结构的合理性，应力应变，温度等方面的影响，特别要考虑如何保 证光学参数的准确性和精度等因素，设计出结构简单、工艺可行、操作方便、 经久耐h j 的精密机械系统，如图2 7 所示即为装配后的示意图。 图2 7 直线度误差测量仪装配示意图 2 4 角锥棱镜光学特性分析 由于角锥棱镜在设计系统中作为位置敏感元件，其光学特性对宣线度 测量来说是至关重要的。下面对角锥棱镜的输入光柬和输出光束的关系进 行讨论。 2 4 1 反射定律 由于角锥棱镜的三个反射面的空间分布不具有轴对称性，不能象一般 的共轴光学系统那样将三维空间的问题转换为二维空间的问题来处理我 们用矢量方法来表示。角锥棱镜是一种难以转换成共轴系统的空间反射系 统，因此，其反射光线的方向可以根据反射系统的反射定律公式来计算。 如图2 8 所示，设j 、j 和一n 分别是入射光矢、反射光矢和法线单 1 4 第二章基于半导体激光准直技术的直线度测量系统的设计 位矢。则由几何关系有 即 a4 - ( 一爿) = - 2 ( a n ) n 一一 一一一 a = a 一2 ( a n ) n 表示成矩阵形式 爿，= ( 矗h ) 一 f - l 其中雨= 一n 。i 一。j n ：； i l 一2 n ，2 2 n x n y 一2 n ，n ： y ，= l 一2 n y n x1 2 n ，一2 n y n ： l 一2 n ：n x 一2 n ：y 1 2 n 2 是反射光线a 。与入射光线爿之间的变换系数矩阵。 ( 2 - 4 一1 ) 图2 - 8 反射定律矢量图 囤2 - 9角锥棱镜光路图 2 4 2 角锥棱镜在理想状态下( 不存在制造角度误差时) ， q 印 如圈2 - - 9 所示，设垂直入射进入角锥棱镜的光线沿4 l 方向入射反射 面l 顺序经过三个反射面的e 、f 、g 反射点后，沿石方向射出角锥棱镜。 根据折射定律，只要证明在角锥棱镜内部入射光线爿1 1 与出射光线石反向 平行，就可咀证明当入射光线在垂直入射时，出射光线是与其反向平行的。 1 5 北方交通人学硕十论文 根据反射定律的矢量表达，注意三个反射面的法向单付矢分别为 一n 1 = 一，瓦= 一i n 3 = 一 设 互= ( 一a l ，ia 1 ，j a l z i ) 丁是 五= 石一2 ( 一a i 一n 1 ) 一一l ：( 一爿l 。i 一4 。，j 一爿l ：；) 一2 i 一爿，：i 一一。，j 一爿，：；) ( 一j ) l j ) = 一a 1 i + a l y j a l z - k 同理 一a 3 = 一a 2 2 ( 一a 2 。一n 2 ) 一n 2 = 爿h ；+ 爿b j a k i 石= 一a 3 2 ( 一a 3 。一n 3 ) 一n 3 = a l ，i + a l y j + a 1 ：k 对比一a j 和一a 4 可知，一a 1 = 一一a 4 ，即两者确实是反向平行的。 因为坐标系的建立不影响计算结果故以角锥棱镜的底面作为x o y 面+ 与 底面垂直的方向为z 轴，建立坐标系。 当入射光线满足垂真入射时，入射光矢表示成： 奎 当角锥棱镜在x 和y 方向分别存在水平移动a x 和b y ，并且保持入射光线 位置不变的情况下，以角锥棱镜的新位置建立坐标系，则新坐标系与旧坐 标系之间的关系为： 1 6 第= 幸基于半导体激光准直技术的直线度测量系统的设计 工 y z ，料 按照上式，可将入射光矢表示成：( 爿a ，x 互- a 匆x 由证明的角锥棱镜的逆向反射特性。出射光矢可以表示为：( ：。a x 乏+ 砂a x 然后再将出射光矢坐标变换到原坐标系，可表示为：- a x + 2 a x 说明出射光线的位置与角锥棱镜的移动量之间存在线性关系，并且对其移 动量有2 倍的放大作用。根据此特性，把角锥棱镜作为位置敏感元件，进 行直线度测量。 2 4 3 角锥棱镜正交两面角存在误差 ( 1 ) 反射面法线分量的表达 如图2 - - 1 0 所示，在理想状态下角锥棱镜两反射面r 和t 的夹角9 0 。 若存在制造误差j r r ，则这两个反射面法线之间的夹角为9 0 。一j r 7 于是有： 一n r 。一n r = c o s ( 9 0 。一万月r ) 上式中的瓦和一n r 分别为r 和t 面的法向单位矢。 ! l ! l 】 n 船n 取+ n j c y n r y + n e , z n r z = s i n 靠r n x 2 + n r 2 + z 2 = 1 7 ( 2 - 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) 北方交通大学硕士论文 蚓2 一1 0 角锥棱镜正交两面角存在角度误差 图2 1 l 角链棱镜各正交两面角存在角度误差 如图2 - - 1 1 设角锥棱镜的i 面为入射面，i i 、1 1 1 、分别为反射面 且这三个反射面之间均有角度误差分别为占2 3 、万3 4 、d 4 2 。 由于坐标系的选择不影响计算结果，为简单起见，选择反射面i i 作为 y o z 坐标平面，以i i 、1 1 1 面的交棱为o z 轴。 则h=1 n h = s i n f i 2 3 由( 2 - 4 - 2 ) 式可以得出 n 2v = 0n 2 ：