（测试计量技术及仪器专业论文）基于双频干涉的直线度及其位置测量方法研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名：张恩敌 日期：z o l o 年3 月肛e 1 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 日期：( p 年 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 直线度误差作为重要的几何公差之一，直接影响到仪器或机器的质量、精度及性能， 直线度的测量在精密仪器制造与检测、大型仪器的安装与定位、军工产品制造等领域中有 着广泛的应用。现有的激光干涉类的直线度测量仪器实现了高精度的直线度测量，但很少 给出直线度测量点的具体位置，给实际应用带来不便，为此，论文提出了基于双频干涉原 理的直线度及其位置的测量方法，旨在实现直线度及其位置的大范围、高精度测量。 论文在对国内外高精度直线度测量方法及装置分析研究的基础上，设计了基于双频干 涉原理的直线度及其位置测量系统的光路结构，并结合光路结构对测量方法进行了理论研 究；研制了大小数同步计量及大小数有效整合的信号处理方法；基于可编程逻辑器件 f p g a 设计了相应的数据采集处理电路，实现了对测量信号的数据采集处理及与上位机的 通讯；基于v i s u a lb a s i c 语言设计了相应的测量软件；最终设计并构建了一套可实现直线 度及其位置测量的干涉仪系统。 为验证本论文提出的测量方法及研制的测量系统的可行性，分别进行了以下实验：( 1 ) 研制系统的比对实验( 与美国a g i l e n t 公司生产的直线度干涉仪，德国p h y s i ki n s t r u m e n t e 公司生产的m 5 2 1 d d 线性导轨及p i 一5 1 7 3 c l 型p z t 驱动微位移运动工作台) 。毫米级直 线度及其位置测量比对实验：1 0 0 m m 测量范围内，步进距离为l m m ，直线度偏差为 0 1 6 4 3 8 9 m ，位移误差平均值为0 0 0 6 9 m ，线性拟合度优于0 9 9 9 ；微米级的比对实验：5 1 x m 测量范围内，步进距离为0 1 l x m ，直线度偏差为0 1 8 n m ，位移误差平均值为1 0 9 n m ，线 性拟合度优于0 9 9 9 ；纳米级的比对实验：5 0 0 n m 测量范围内，步进距离为1 0 n m ，直线度 偏差为1 0 5 n m ，位移误差平均值为2 4 3 n m ，线性拟合度为0 9 9 8 ；( 2 ) 研制的信号处理 系统的相位测试实验：分别以1 0 0 0 ，1 0 0 ，5 0 为步进间隔进行相位测量，实验结果表明线 性拟合度优于0 9 9 9 。( 3 ) 研制的信号处理系统的直线度测试实验：2 0 m m 测量范围内， 步进距离l m m ，直线度偏差为o 1 岬，位移误差平均值为1 3 t m ，位移线性拟合度优于 0 9 9 9 ；5 0 9 m 测量范围内，步进距离l g m ，直线度偏差为0 0 5 9 m ，位移误差平均值为 0 0 5 4 9 m ，位移线性拟合度优于0 9 9 9 。实验结果表明了所研制的基于双频干涉原理的直 线度及其位置测量系统可实现直线度及其位置的大范围、高精度测量。 关键词：直线度；位置；干涉条纹大小数计数；比对实验。 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo n a l a s e ri n t e r f e r o m e t e rf o rm e a s u r i n g s t r a i g h t n e s sa n d i t s p o s i t i o nb a s e do nh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r y a b s t r a c t s t r a i g h t n e s se r r o ri so n eo ft h ef u n d a m e n t a lg e o m e t r i ct o l e r a c e sw h i c hc a l la f f e c tm a c h i n e s a n dd e v i c e s p e r f o r m a n c e s ，p r e c i s i o na n dq u a l i t y , s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n ti sw i d e l yu s e di n f a b r i c a t i n g a n dt e s t i n go fp r i c i s i o ni n s t r u m e n t s ，i n s t a l l a t i o na n dl o c a t i o no f l a r g e - s c a l e a p p a r a t u s ，m a n u f a c t u r eo fw a rp r o d u c t s ，a n ds oo n c u r r e n tl a s e ri m e r f e r o m e t e r su s e df o r m e a s u r i n gs t r a i g h t n e s sc a nm e a s u r es t r a i g h t n e s sw i t hh i g h - a c c u r a c yw h i l es e l d o mg i v et h e r e l a t i v ep o s i t i o no ft h es t r a i g h t n e s se r r o r , w h i c hr e s u l t si ni n c o n v e n i e n c ef o ru s e r s ，t os o l v et h i s p r o b l e m ，al a s e ri n t e r f e r o m e t e rf o rm e a s u r i n gs t r a i g h m e s sa n di t sp o s i t i o nb a s e do nh e t e r o d y n e i n t e r f e r o m e t r yi sp r o p o s e dw h i c hi st oc o m et ol o n g - r a n g ea n dh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n to f s t r a i g h t n e s sa n di t sp o s i t i o n a f t e rt h e a n a l y s i s a n dr e s e a r c hw o r ko f u l t r a h i g h - a c c u r a c y m e t h o d sa n dl a s e r i n t e r f e r o m e t e r sf o rm e a s u r i n gs t r a i g h t n e s sa th o m ea n da b r o a d ，a no p t i c a lc o n f i g u r a t i o nb a s e d o nh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r yw a sd e s i g n e dt oc o m et om e a s u r i n gs t r a i g h t n e s sa n di t sp o s i t i o n s i m u l t a n e o u s l ya n d t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ew a sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l yi nd e t a i l ；t h e m e t h o d so fi n t e r f e r o m e t r i cs i g n a lp r o c e s s i n go fi n t e g r a lc o u n t i n g , f r a c t i o n a lf r i n g ec o u n t i n ga n d t h ei n t e g r a t i o no ft h e mw e r ed e s i g n e d ；t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i tb o a r db a s e d o nf p g aw a sd e s i g n e dt op r o c e s st h es i g n a l so ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt oc o m m u n i c a t e w i mc o m p u t e r s ；t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n ts o f t w a r eb a s e do nv i s u a lb a s i cl a n g u a g ew a s d e s i g n e d ；f i n a l l y , al a s e ri n t e r f e r o m e t e rs y s t e mf o rm e a s u r i n gs t r a i g h t n e s sa n di t sp o s i t i o n b a s e do nh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r yw a sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d i no r d e rt ov e r i f yt h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt o t e s tt h em e a s u r e m e n ts y s t e m c o n s t r u c t e d ，e x p e r i m e n t sw e r ed o n es e p a r a t e l y ：( 1 ) c o m p a r e de x p e r i m e n t sw i t ha d v a n c e d i n t e r f e r o m e t e r sa n du l t r a h i g h - a c c u r a c yg u i d er a i l s ，s u c ha sa g i l e n ts t r a i g h t n e s si n t e r f e r o m e t e r , p il i n e a rs t a g e - m 一5 21 d d ，p if l e x u r e - h i n g es t a g e - p i 一517 3 c l e x p e r i m e n tr e s u l t so fm i l l i m e t e r l e v e lw i t ht h em e a s u r e m e n tr a n g eo flo o m ma n dd i s p l a c e m e n ts t e pi n c r e m e n to flm ms h o w 1 v 浙江理工大学硕士学位论文 t h a tt h es t m i g h t n = se r r o ri s0 16 4 3 8 1 x r n ，t h ea v e r a g eo ft h ed i s p l a c e m e n te r r o r si s0 0 0 6 b i na n d t h el i n e a rc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sb e t t e rt h a n0 9 9 9 ；e x p e r i m e n tr e s u l t so fm i c r o nl e v e l 晰t h m e a s u r e m e n tr a n g eo f5 1 a na n dd i s p l a c e m e n ts t e pi n c r e m e n to f0 1p ms h o wt h a tt h e s 虹a i g h t n e s se r r o ri s0 18 r i m ，t h ea v e r a g eo ft h ed i s p l a c e m e n te r r o r si s1 0 9 n ma n dt h el i n e a r c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sb e t t e rt h a n0 9 9 9 ；e x p e r i m e n tr e s u l t so fn a n o m e t e rl e v e l 谢也 m e a s u r e m e n tr a n g eo f5 0 0 n ma n dd i s p l a c e m e n t s t e pi n c r e m e n to f10 n ms h o wt h a tt h e s t r a i g h t n e s se r r o ri s1 0 5 8 n m ，t h ea v e r a g eo ft h ed i s p l a c e m e n te r r o r si s1 4 3 n ma n dt h el i n e a r c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti s 0 9 9 8 ( 2 ) e x p e r i m e n t so fp h a s em e a s u r e m e n tt ot e s tt h es i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e r t h r e ee x p e r i m e n t sw i t ht h es t e pi n c r e m e n to f 10 0 0 , 10 0 a n d5 。w e r ec a r r i e do u ta n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h el i n e a rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ti sb e t t e rt h a n0 9 9 9 ( 3 ) e x p e r i m e n t so fm e a s u r i n gs t r a i g h t n e s sa n di t sp o s i t o nt ot e s t t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e r t w oe x p e r i m e n t sw i t ht h es t e pi n c r e m e n to f d i s p l a c e m e n t so flm m a n dll x mw e r ec a r r i e do u t ，t h ef o r m e re x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h a tt h e s t r a i g h t n e s se r r o ri s1 岬，t h ea v e r a g eo ft h ed i s p l a c e m e n te r r o r si s1 3 i t ma n dl i n e a rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ti sb e t t e rt h a n0 9 9 9 ；t h el a t t e re x p e r i m e n ts h o wt h a tt h es t r a i g h t n e s se r r o ri s0 0 5 i t m ， t h ea v e r a g eo ft h ed i s p l a c e m e n te l t o r si s0 0 5 4 1 a ma n dl i n e a rc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti sa l s o b e t t e rt h a n0 9 9 9 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa b o v es h o wt h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n e di n t h i sp a p e rb a s e do nh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r yc a nc o m et ol o n g - r a n g ea n du l t r a h i g h - a c c u r a c y m e a s u r e m e n to fs t r a i g h t n e s sa n di t sp o s i t o n k e y w o r d s ：s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n t ，p o s i t i o n ， i n t e g r a la n df r a c t i o n a lf r i n g ec o u n t i n g ， c o m p a r e de x p e r i m e n t v 一 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 目录 目录 第一章综述 i i i 1 1 直线度测量的国内外研究现状1 1 1 1 非激光类的直线度测量方法1 1 1 2 激光类的直线度测量方法。3 1 2 论文的研究意义1 0 1 3 论文的组织结构及研究思路l l 第二章方案设计及理论分析 2 1 本章概述1 2 2 2 方案设计1 2 2 2 1 光路结构的初步设计1 3 2 2 2 光路结构的优化设计1 4 2 3 测量原理及分析1 6 2 4 光学元件的选择1 7 2 4 1 激光器18 2 4 2 分光器。1 8 2 4 3 反射镜2 0 2 5 关键技术2 l 2 6 本章小结2 2 第三章信号处理方法2 3 3 1 本章概述2 3 3 2 信号处理系统方案设计2 3 3 3 外差干涉的数字信号处理方法2 4 3 3 1 边沿触发器型鉴相法2 5 3 3 2 双向差动触发器型鉴相法2 6 3 4 信号处理方法及实现2 7 3 4 1 小数计数2 8 3 4 2 大数计数3 0 3 4 3 大小数整合3 3 3 5 硬件电路设计3 6 3 5 1f p g a 及其配置电路3 6 3 5 2 信号预处理电路3 9 3 5 3 电源电路4 l 3 5 4 时钟电路4 2 3 5 5 复位电路4 3 3 5 6 串口传输电路4 3 3 5 7 硬件电路实物图4 4 v i 浙江理工大学硕士学位论文 3 6 本章小结4 5 第四章实验测试与分析4 6 4 1 本章概述4 6 4 2 比对实验4 6 4 2 1 毫米级实验4 7 4 2 2 微米级实验5 l 4 2 3 纳米级实验5 5 4 3 信号处理测试实验5 8 4 3 11 0 0 。步进实验5 9 4 3 21 0 0 步进实验6 1 4 3 35 0 步进实验6 5 4 4 系统实验6 7 4 4 1 毫米级实验6 9 4 4 2 微米级实验7 2 4 5 误差分析7 6 4 6 本章小结7 8 第五章总结与展望 7 9 5 1 论文的创新点7 9 5 2 论文完成的具体工作7 9 5 3 论文展望。8 0 参考文献 致谢。 攻读学位期间的研究成果 附录一 附录二 附录三 附录四 川川川川 v 1 1 8 6 8 8 8 9 9 3 浙江理工大学硕士论文 第一章综述 1 1 直线度测量的国f l ；, b 研究现状 机器和仪器的质量和性能受到零件尺寸、形状、位置等几何要素的影响，直线度和平 面度是表示零件形状的主要几何要素之一，在许多场合下，它们是影响仪器和机器精度、 性能、质量的重要因素，在有些条件下，甚至是决定的因素【l 】。直线度的测量在精密仪器 制造与检测、大尺寸测量、大型仪器的安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛的应 用【2 】。直线度测量领域一直受到世界上各个国家的高度重视，并且在新的理论不断进步和 完善的基础上推出新型的直线度测量方法和装置【3 】o 近年来国内对直线度测量的研究重视 程度不断提高，比较有代表性的有成都工具所，北京普锐科创科技有限公司等，同时国内 学者专家在直线度测量技术方面也进行了大量的理论研究和实验验证，提出了许多创新的 直线度测量理论，极大的促进了我国直线度测量领域的发展，但还应看到我国的直线度测 量水平还远远落后于国际先进水平，国外的技术垄断客观上要求我们只能走自主创新的道 路。国际上美国的n i s i ，德国的p t b ，原苏联国家标准局，美国劳伦斯国家实验室，日本 o s a k a 大学，美国l o c k e d 火箭和空间公司在直线度测量领域都达到了o 1 p , m m 或更高的精 度，纵观国内外所报道的直线度测量方法，测量精度低于0 5 1 x m m 的为一般精度，高于 0 5 t r n m 的属高精度，而高于0 1 i t r n m 者属国际先进水平【】。直线度测量方法种类繁多 5 1 ， 目前尚未见统一合理的分类方法，按照是否以激光为测量载体可分为两类：1 非激光类的 直线度测量方法；2 激光类的直线度测量方法。在实际生产应用中，传统的直线度测量方 法多基于非激光类的直线度测量方法，这种测量方法，测量过程简单，成本低，但测量精 度低，因此多用于测量精度要求不是很高的场合，而对国内外高精度的直线度测量方法及 装置分析研究表明，它们大都是基于激光技术实现的，自6 0 年代激光问世以来，由于激光 具有强度高而集中，频率单一，发散小等卓越性能，因此很快被用作准直光源用于直线度 的测量，比较成功的范例是利用双频激光干涉仪及其直线度组件测量直线度【2 一。 1 1 1 非激光类的直线度测量方法 【1 】水平仪检验法测量直线度 水平仪检验法1 1 测量直线度主要采用测量微小角度的水平仪来实现直线度测量， 测量的结构示意图如图1 1 所示。 l 浙江理工大学硕士论文 图1 1 水平仪检验法测量直线度 这种测量方法采用截距法测量，测量时将被测要素按一定长度( 节距：a l ) 划分为 若干等分，然后使用测量微小角度的水平仪依次在每一节距上测出各等分段相对于自然水 平基准或某一固定轴线的倾角，直至在导轨全长( l ) 上测量完毕，再根据等分的长度将 各段的角值偏差换算成线性偏差，最后根据该线值偏差数据评定被测要素的直线度误差。 这种方法适用于检验导轨或运动部件在垂直面内的直线度，由于该种测量方法采用截距法 测量，故只能测量首尾相接处的直线度，不能进行连续测量，即水平仪尺寸内的直线度不 能准确测量出来，直线度测量点位置靠简单的截距累加，在实际测量中会产生积累误差， 更不能实现待测导轨上各点的精确定位，这种方法测量长度不限，操作方便，测量误差较 小，但由于水平仪的测量是靠重力来实现的，故不能用来测量水平面内的直线度。 【2 】拉钢丝法测量直线度 拉钢丝、法【7 , 1 0 , 1 2 测量直线度的测量结构主要由重锤，可调支架，专用检具，读数显微 镜，钢丝等组成，测量的原理是以拉紧的钢丝作为直线度测量的基准线，通过测量专用检 具偏离基准线的距离来测量待测导轨的直线度，该测量方法测量结构示意图如图1 2 所示。 1 重锤2 可调支架3 导轨4 读数显微镜5 专用检具6 钢丝 图1 2 拉钢丝法测量直线度 拉钢丝法测量直线度的方法也是通过重力作用来实现测量的，基准钢丝在重锤的重力 作用下绷紧，同时处在两个支撑点之间的钢丝也受到重力作用自然下垂，而在垂直面内钢 丝在水平面的投影是一条自然下垂的直线，所以该方法只适用于水平面内的直线度测量。 2 浙江理工大学硕士论文 具体的测量过程为：基准钢丝一端固定，另一端在重锤( 1 ) 重力作用下拉紧，专用检具 ( 5 ) 沿着待测导轨移动，通过其上面的读数显微镜( 4 ) ，可得到导轨相对于基准钢丝的 直线度偏移值。该测量方法简单直观，测量过程方便，但由于钢丝的扭结、风吹及所处周 围环境的振动等都会引起钢丝的偏摆，导致基准线基准度下降，从而会使直线度的测量产 生误差，而且该方法只能测量水平面内的直线度，不能测量垂直面内的直线度，也不能准 确定位测量点的位置，随着测量精度要求的越来越高，这种测量方法已不能满足高精度测 量的技术要求，而逐渐的退出直线度测量领域。 【3 】测微仪法测量直线度 测微仪法【7 , 1 0 狈1 j 量直线度，其测量结构主要由测微头和测量基准两部分组成，测量基 准通常选用平板、导轨或平尺等，该方法测量直线度示意图如图1 3 所示。 1 丫 卜 i 1i l _ 2 1 测微头2 淑4 量基准 图1 3 测微仪法测量直线度 在测量过程中，测微仪台架在基准平板上移动时，测微仪测头随之划过被测导轨的 表面，测微头的上下移动量在测量基准处会体现出来，反映出被测表面相对于平板( 测量 基准) 的直线度变化状况。亦可以事先在被测表面上确定若干个测量点，测微仪只在各测 量点上测量直线度数据。测微仪的最大读数之差就可以作为被测对象的直线度。该测量方 法的特点是操作简单、测量精度相对较高，可达5 岬。缺点是测量基准存在着一定的误 差，测量速度较慢，不能实现在线测量。 1 1 2 激光类的直线度测量方法 激光，是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性 好和相干性好等特性的光，激光的这些特性使其在精密测量中得到广泛的应用，特别是在 直线度测量领域中实现了对直线度的高精度测量。激光类的直线度测量方法按照检测原理 大致可分为振幅测量型，相位测量型和偏振测量型。 3 浙江理工大学硕士论文 【1 】振幅测量型 振幅测量型f 1 , 1 0 , 1 3 - 1 5 1 的直线度测量法是利用了激光的高方向性，高亮度的特性，以激 光束的强度中心作为基准，以安装在滑板上的光电池、四象限探测器或p s d ( 光电位置 传感器) 作为位置敏感元件来反应待测对象的直线度误差。振幅测量型测量直线度的系统 结构主要由准直激光器，光电探测靶，滑板等组成，结构示意图如图1 4 所示。 1 准直激光器2 光电探测靶3 预4 量滑板 图1 4 振幅测量型测量直线度 该测量方法中，由于投射到光电探测靶上的光斑，会随探测靶的偏移而相对于靶心上 下左右移动，故该测量方法不仅可以测量垂直面内的直线度，还可以测量水平面内的直线 度。在测量过程中，调整激光器使得准直光束的方向和待测导轨大体平行，将光电探测靶 ( 装有四象限光电池或p s d ) 固定在滑板上，滑板沿着待测导轨运动，滑板在沿导轨移 动的过程中，会感测导轨的直线度而上下左右移动，导致投射到探测器上光斑的位置发生 相应的变化，反映了待测导轨的直线度状况，光电探测器输出的电信号经过后续的数据采 集，信号处理等最终可得到被测导轨的直线度误差，进而可绘制出待测导轨的直线度曲线 图。这种测量方法是以激光束作为基准直线进行直线度测量，导轨上每个点的直线度值都 是相对于该基准直线测得，由于激光束易受周围环境的影响存在漂移，探测器灵敏度不对 称，同时射到探测器上的光斑为圆斑，其中心不易确定，车床的振动、空气扰动等因素都 会造成探测靶上光斑的跳动，这都会降低该方法的测量精度，但通过对各种干扰因素进行 补偿的方法，可以在一定程度上提高该测量方法的精度及性能。基于该测量原理，许多学 者对该方法进行研究改进，极大的提高了该测量方法的准确度和实用性，由台湾大学，清 华大学k c f a n ，y a n gz h a o 等人提出的基于光纤及调制技术实现的激光直线度测量系统 6 1 ，该系统的测量原理如图1 5 所示，该测量系统采用四象限探测器作为位置敏感元件， 由激光二极管发出的激光经耦合棱镜将调制激光束耦合到光纤中，激光束经光纤传输到尾 端再经一准直棱镜耦合输出准直激光束，射向四象限探测器，射到四象限探测器上光斑的 4 浙江理工大学硕士论文 强度中心位置的变化反映出四象限探测器所测导轨动态直线度变化，经后续的模拟信号处 理器，数据采集处理器等进行数据采集最终可得到四象限探测器安放的待测件或导轨的直 线度值。实验结果表明，该测量系统有较高的测量精度，士1 0 0 岬内可达到0 3 1 t m 的测量 精度，在l m 测量范围内测量稳定性达0 3 1 x m ，测量的可重复性达0 5 1 t i n ，该测量方法实 现了较高的测量精度，但不能给出直线度测量点的具体位置。 闲厂、i 锄i ，二) j 、jl hr v l j 、 h r r1 ll s d 哪p o 融w e rll 絮裟霉卜 a 咖s i g n a l p r o c e s s o r 图1 5 基于光纤和调制技术的激光准直系统 由北京交通大学冯其波等人提出的基于半导体激光光纤组件的激光准直仪1 7 d 9 】，使 用角锥棱镜作为活动靶镜，四象限探测器作为位置敏感元件构建的测量系统实现了直线度 测量，系统结构如图1 6 所示。 1 半导体激光光纤组件2 光纤固定器3 准直透镜4 四象限探测器 5 信号处理器6 测量头7 角锥棱镜8 活动头 图1 6 基于半导体激光光纤组件的激光准直仪 该测量系统分为固定部分和可动部分：固定部分由半导体激光光纤组件、光纤固定 器、准直透镜、四象限探测器和信号处理器测量头等组成；可动部分由角锥棱镜和活动头 组成，用于感测待测对象的直线度。测量过程中由固定部分的准直透镜输出的准直激光束 5 浙江理工大学硕士论文 射向活动部分的角锥棱镜，经角锥棱镜反射投射到固定部分的四象限探测器上，角锥棱镜 的纵向和水平移动会使得的反射光束投射在四象限探器上的位置改变，反映出待测对象直 线度的变化，经固定部分中的后续信号采集处理电路，可得到待测对象的直线度误差。该 测量系统采用一体化的半导体激光光纤组件作为激光发生器，可提高其发射激光光束的时 间和空间稳定性，使用角锥棱镜作为测量反射镜可实现测量头的无电缆连接，给现场测量 带来极大方便，该系统可实现直线度的连续测量，但不能同时给出直线度测量点的位置， 激光的漂移，周围环境的气流、温度的变化，角锥棱镜的倾斜等都会对测量结果产生影响。 【2 】相位测量型 相位解调法是高精度偏振干涉仪常用的信号处理方法，干涉仪测量镜的移动会导致测 量光束空间光程的变化，从而引起偏振干涉信号的相位变化 2 0 - 2 3 1 。相位测量型直线度测量 装置大多属于激光干涉准直仪，其工作原理是检测由直线度误差引起的干涉条纹的相位变 化量，其结构多设计成干涉仪双臂( 测量光束和基准光束) 在传播方向上呈对称分布。较 为流行的双频激光干涉仪测量直线度光路结构主要由渥拉斯顿棱镜和双面反射镜组成，测 量原理图【2 4 】如图1 7 所示。 1 回光镜组2 渥拉斯顿棱镜3 双面反射镜 图1 7 激光干涉直线度测量原理图 激光器输出的含有频率为，1 和 的正交线偏振光经回光镜组透射到达渥拉斯顿棱镜 ( 2 ) ，由于渥拉斯顿棱镜对频率为，l 、丘激光的折射率不同，而把，1 ， 两个频率的光以 分光角0 分成两路光，这两束光射向与渥拉斯顿棱镜分光角精确匹配的双面反射镜( 双面 反射镜的夹角和渥拉斯顿棱镜的分光角为互补关系) ，这两束光经双面反射镜反射在渥拉 斯顿棱镜上又汇合成一束光，到达回光镜组，在回光镜组中大部分光会反射到全反射镜上， 6 浙江理工大学硕士论文 然后对接收到的光进行分光、拍频等处理，经探测器接收转换为电信号，再经后续的数据 采集处理，最后可得到待测对象的直线度误差。 激光干涉法测量直线度的测量思想主要是通过测量由渥拉斯顿棱镜分成的两路光的 光程差实现的。如图1 7 所示，设双面反射镜沿着测量轴线从a 移动到b ，由于待测对象 存在直线度偏差，双面反射镜下降h ，此时上面的光路光程相对于基准位置减d , ya l ， 而下面的光路光程则增j 】i l t z x m ，这样由公式1 ( 1 ) 可以计算出直线度误差值h 。 a l l = 警 d 目前基于干涉原理实现的直线度测量方法大都基于上述基本原理演变而来，由台湾大 学的s h y h t s o n gl i n 提出了一种激光干涉的直线度测量法【2 5 】，也是采用激光干涉原理实现 直线度的测量，系统的光路结构部分如图1 8 所示。 甜 x 图1 8 一种激光干涉直线度测量光路结构 该直线度测量系统主要由三个部分组成，稳定输出的双频激光器，由渥拉斯顿棱镜 和角锥棱镜组成的测量镜s 1 以及由两个直角棱镜组成的反射镜s r 。双频激光器输出的激 光束经测量镜s i 上的渥拉斯顿棱镜将两个频率的光以一定的角度分开射向反射镜s r ，经 s r 反射至测量镜s i 上的角锥棱镜中心，两束光汇成一点，经角锥棱镜反射，入射的两束 光会按照原路反射回去，经s r 反射，在测量镜的渥拉斯顿棱镜上又汇合成一束光，经其 透射到达接收器，形成测量信号。在测量过程中测量镜s i 在待测件上移动时，会产生多 普勒频差，通过比较测量信号和参考信号，会得到多普勒频差大小，进而求得待测对象的 直线度值。该测量装置镜子的匹配要求较低，调节简单，测量重复性达l g m ，测量精度 达0 0 2 9 m ，由于该测量系统经反射镜组s r 反射要在s i 上的角锥棱镜中心相遇才能保证 光束的可逆性，这在测量过程中不易实现，而且随着测量距离的增大，不足之处也会更明 7 浙江理工大学硕士论文 显，同时该测量系统也不能实现直线度和位置的同时测量。 北京普锐科创科技有限公司生产的直线度干涉仪【2 q 也是基于激光干涉原理实现直线 度测量的，其测量结构主要由两个直线度干涉仪和一个直线度干涉仪靶镜组成，该直线度 干涉仪的光路结构如图1 9 所示。 靶镜 图1 9 晋锐直线度测量光路图 该测量结构采用差动对称光路，参考光束和测量光束近乎重合，可进行无导轨测量， 光束中断不影响测量，传感器部件可任意进出光路，对环境干扰具有极好的补偿效果，自 动补偿输入激光束的平漂和角漂引起的误差，无近程死区，测量范围覆盖o 一2 0 m 。使用 时两个直线度干涉仪是配对使用的，一个沿导轨移动充作传感部件，另一个和靶镜固定在 导轨的一端，而激光头和探测器则固定在导轨的另一端，工作时，激光头射出的激光束， 依次通过上述部件被探测器接收，再经信号处理卡将测量结果送入计算机进行处理，即可 得到垂直方向的直线度数值，将两个直线度干涉仪转动9 0 0 ，则可以测量水平面内的直线 度，该直线度干涉仪测量分辨率可达1 岬，可测得的直线度误差范围为士1 8 m m 。 激光干涉直线度测量法测量精度高，测量速度快，国际上比较有名的直线度测量仪器 生产商有英国的r e n i s h a w 公司【2 7 】和美国的a g i l e n t 公司，它们生产的直线度测量组件也 是基于激光干涉原理实现的，两家公司生产的直线度干涉仪布局结构差不多，都由一个渥 拉斯顿棱镜和一个配套的测量反射镜组成，不同之处在于r c n i s h a w 直线度测量组件的反 射镜采用的是直角棱镜，a g i l c n t 直线度干涉仪采用的是双面反射镜，采用这种结构的原 因是前者测量中采用的光源是单频的，后者采用的是双频激光光源。两家公司生产的直线 度干涉仪是国际上比较成功的案例，测量分辨率都达到了o 1 9 m ，测量精度在国际上属于 高精度。 浙江理工大学硕士论文 【3 】偏振测量型 偏振测量型b , 2 4 1 直线度测量法是将直线度误差转换成激光偏振方向的变化( 旋光) 而 被检测出来。偏振测量型的代表是激光旋光准直仪，它以往返光束的对称中心作为准直基 线，往返光束的对称分布可以有效克服激光漂移，当往返光束靠的很近，甚至重合时，也 能在某种程度上减轻大气扰动的影响。偏振测量型直线度测量仪器的另一个优点是它的测 量元件可在光路中移进移出，这是大多数相位测量型准直干涉仪做不到的，该方法较适合 长距离测量。由西安理工大学的王全宝提出的一种利用偏振光磁光特性测量直线度的方法 2 8 , 2 9 ，其测量光路结构如图1 1 0 所示，主要包括激光器，扩束镜，磁光调制器和偏振角 探测器等。 磁光调制器偏振角探测器 移方向 图1 1 0 基于偏振态直线度测量法 该测量系统的基本工作原理为：激光器输出的光束经扩束镜扩束后，经磁光调制器 时会被调制成偏振角在光束横向上成线性分布的特点，由于偏振角与横向坐标一一对应， 当窄缝在导轨直线度误差作用上下偏移时，具有不同偏振角的光会透过窄缝，通过检测透 射光偏振角的大小就可以得到待测导轨的直线度。这种测量方法可以克服光斑衍射、窄缝 倾斜等带来的影响，但该方法目前受磁光介质及光学工艺的制约较大，实际工艺还不能实 现理想的调制效果，达到理想测量精度，同时该方法也不能同时给出直线度测量点的具体 位置。 综上所述，非激光类和激光类的直线度测量方法种类繁多，具体实现直线度测量的装 置及仪器都