（测试计量技术及仪器专业论文）激光干涉准直技术的研究.pdf

摘要 大尺寸长导轨检测是几何量侧量的一个重要分支。 随着科学技术和生产需求 的发展， 对导轨的精度要求越来越高， 导轨的长度变得越来越长， 测量的难度也 就越来越大。 激光的出现， 为长导轨检测创造了良 机; 但是， 追求高精度时， 对 激光束难以克服温度、 空气气流扰动的影响感到遗憾。 于是， 科技工作者创造种 种方法， 力图提高激光准直系统的测量精度。 本课题就是为解决长导轨检测问题 所做的一种探索。 课题通过研究激光准直技术的发展现状，分析不同类型准直技术的优缺点， 在总结前人经验的基础上， 提出了一种基于光楔干涉的激光准直系统。 利用稳定 性好的氮氖激光经准直、 扩束后投射到楔形光学平板上， 产生的干涉条纹由光电 传感器检测， 送入单片机系统， 采用软件细分的方法，处理干涉条纹的移动量， 得到被测点相对于准直光束的偏移量。 针对长距离测量中信号微弱、 信噪比低的情况， 采取了一些抗干扰措施. 研 究并实现软件细分， 探讨低功耗方法， 力图使仪器小型化。 通过研制样机， 运用 现代电子技术、 光学技术、 传感和微处理机技术的最新成果， 制作光学测量系统、 信号接收调理系统、 单片机及系统软件， 采取多种必要措施， 提高 信噪比， 优化 软件系统，力求提高仪器测量精度。 制作的样机结构紧凑、电路集成度高，数据处理简单，具有体积小、成本 低等许多优点， 在生产实践中有较好的应用前景。 通过样机与光电自 准直仪的比 对实验、 系统稳定性实验、 系统重复性实验、 船池长导轨现场实测实验， 结果表 明，样机性能、指标基本达到了预定目 标。 关键字:激 光 准 直， 干 涉， 长 导 轨， 软 件 细 分， 直 线 度， 低 功 耗 abs tract m e a s u r e m e n t o f g r e a t s i z e l o n g r a i l i s a n i m p o r t a n t e m b r a n c h m e n t o f g e o m e t r y p a r a m e t e r m e a s u r e m e n t . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y a n d p r o d u c t i o n n e e d , r a i l p r e c i s io n r e q u i r e m e n t b e c o m e s h i g h e r a n d h i g h e r . l e n g t h o f r a i l i s l o n g e r , me a s u r e m e n t b e c o m e s mo re a n d m o r e d i f fi c u l t . wi t h t h e a p p e a r a n c e o f l a s e r , l o n g r a i l m e a s u r e m e n t h a s a g r e a t c h a n c e . i t i s a p it y t h a t e ff e c t o f t e m p e r a t u r e a n d a i r d i s t u r b a n c e d o e s n t r e d u c e f o r l a s e r b e a m o n t h e c h a n c e o f h ig h p r e c i s io n . s o t e c h n i c ia n t r y t o i m p r o v e p r e c i s i o n o f l a s e r c o l l i m a t io n s y s t e m i n m a n y w a y s . t h e d i s s e r ta t i o n i s a n e x p e r i m e n t t o s o l v e t h e p r o b le m o f l o n g r a i l m e a s u re m e n t . t h e d i s s e r t a t i o n s t u d i e s h i s t o ry a n d a c t u a l i t y , a n d i t a n a l y z e s a n d c o m p a r e s m e r i t s a n d s h o r t a g e s o f m a n y k i n d s o f l as e r c o l l i m a t i o n . wi t h re f e r e n c e o f o t h e r s p r o d u c t i o n , w e p u t f o r w a r d a n e w k i n d o f l a s e r m e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e d o n w e d g e - s h a p e d p l a t e i n t e r f e re n c e . h i g h s t a b i l i t y h e - n e l a s e r b e a m i s c o l l i m a t e d a n d b r o a d e n e d . i t i s c as t o n w e d g e - s h a p e d g l as s p l a t e . i n t e r f e r e n c e s t r i p e s m a d e i s a c c e p t e d b y p h o t o e l e c t r i c it y s e n s o r a n d s e n t t o mc u . mo v e m e n t o f i n t e r f e r e n c e s t r i p e s i s d e a lt w i t h b y m e a n o f s o ft w a r e s u b d iv i s i o n . o ff s e t o f m e a s u r e s p o t t o l a s e r b e a m i s g a i n e d . w e t a k e a n t i 一 a m m i n g m e as u r e s w i t h e m e r g e n c y o f s i g n f a i n t n e s s a n d s n r d e c r e a s e f o r l o n g d i s t a n c e m e a s u r e . s o ft w a re s u b d i v i s i o n i s s t u d i e d a n d i m p l e m e n t e d . t h e m e a n s o f l o w p o w e r c o n s u m p t i o n i s d i s c u s s e d . w e a l s o t ry t o m a k e t h e i n s t r u m e n t m i n i a t u r i z a t i o n . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s a m p l e i n s t r u m e n t , w e d e v e l o p o p t i c s m e a s u r e s y s t e m, s i g n a c c e p t a n c e a n d d i s p o s a l s y s t e m, mc u a n d s y s t e m s o ft w a re o n n e w r e s u l t s o f m o d e m e l e c t r o n t e c h n o l o g y , o p t i c s t e c h n o l o g y , s e n s o r a n d mc u t e c h n o l o g y . w e t a k e s o m e n e c e s s a ry m e a s u r e t o i m p rov e s n r a n d m e as u r e p r e c i s i o n o f t h e i n s tr u m e n t . t h e m o d e l i n s t r u m e n t h a s a d v a n t a g e s o f i m p a c t s t r u c t u r e 、h i g h c i r c u i t i n t e g r a t i o n , s i m p l e d a t a d e a l t , s m a l l c u b a g e a n d l o w c o s t , s o t h e re i s g o o d a p p l ic a t i o n f o re g r o u n d . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t i t s p e r f o r m a n c e s m e e t s c h e d u le d t a r g e t s t h o u g h t c o m p a r i s o n t e s t , s y s t e m s t a b i l i t y a n d re i t e r a t i o n t e s t o f t h e m o d e l i n s t r u m e n t in c o n t r as t w i t h p h o t o e l e c t r i c i t y a u t o c o l l im a t o r a n d lo c a l m e as u r e t e s t i n t h e l o n g s h ip p o o l r a i l s . k e y w o r d : la s e r c o ll i m a t io n , in te r f e r e n c e , l o n g r a il , s o ft w a re s u b d iv is io n , lin e a r e r r o r , l o w p o w e r c o n s u m p t i o n 独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 一 玉主垫赶或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 滚肯 方签 字 日 m , 1- “ 年 月 “ ， 。 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 a-i 生 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 二 x 生叁 生 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。 同惫学校 向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 签字日期:夕 砂 ” 拳 年 浓呻 方 4- 月l 2 日 导 师 签 名 :峥 和t4 j 签 字 日 期 :7 -w v 年华月， 8日 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 1 . 1 . 1 概述 准直技术发展概况 随着现代科学技术的发展， 传统的计量手段己 经无法满足生产实际的需要， 迫切要求开发精度高、使用方便，适用于生产现场的形位及运动误差测量设备。 近年来， 以 准直激光束作为直线基准的测量方法得到了 很大发展， 激光准直技术 在直线度、同轴度、 平面度、 平行度等形位误差测量中得到了广泛的应用， 准直 技术的研究是计量测试的重要研究领域之一1 1 1 . 准直技术在生产和生活中得到了极其广泛的应用。 如水利方面， 在目 前我国 已 建成的众多水库中， 它们发挥了巨大的经济效益和社会效益， 安全监测作为水 库安全运行的重要措施， 为了提高监测的速度和效率， 利用准直技术研制的大坝 安全监测系统来检测大坝外部变形( 包括坝体水平位移观测和坝体垂直位移) 既 经 济合理， 又可 确保安全监测的 有效性 z 1 。 在 天车轨道检测中， 轧 钢、 管 加工、 中间仓库等厂房的天车轨道，由于全部在封闭厂房内作业，厂房内部光照不足， 而且轨道类型不一、长度不等 ( 2 0 0 米5 0 0 米) ， 若采用常规方法， 难以保证检 修任务顺利完成， 而且精度也难以 保证。 若使用激光准直仪， 效果很好， 精度也 高31 。 在 大型 机 械零 部 件轴 孔同 轴 度、 同 心 度测 量中， 尺 寸 和 形 位 误 差的 测 量， 对于提高设备的制造及安装精度、 工作效率和延长工作寿命是至关重要的， 而高 精度测量的技术关键和难点在于需建立长跨距的测量基准线。 利用激光束良 好的 相干性、 高 亮度和很好的方向性可以 用来作准直参考线， 可实现大孔同 轴度的高 精 度测 量0 。 在电 梯 安 装方 面， 电 梯的 运 行 质 量 要 求 越来 越高， 电 梯导 轨 作 为电 梯轿厢和对重的导向 装置， 直接关系到电 梯运行的稳定性、 安全性和舒适感。 导 轨安装作为保证电 梯高质量运行的工序， 电梯导轨安装的关键在于要精确地确定 和校正基准线。 这是保证施工质量、 施工进度以及运行平稳的首要条件。 然而传 统安装工艺中， 采用吊垂线的方法来来确定基准线易受环境等因紊影响、 其垂直 线准直精度难以 得到保证， 尤其是行程长、 速度快的电 梯安装质f难以 得到保证， 电 梯导 轨 安 装 精 度的 测量 应用 激 光准 直 技 术即 可 解决 这一问 题 15 1 。 在 测 量 大型 平 台的平面度时， 可根据精度要求， 选用合适的 水平仪测得平面度误差的原始读数， 但是， 当平台 面积大且精度较高时， 水平仪不能满足要求， 就需要利用准直技术 来进行测量。 还有， 在生产和检修机床的过程中， 为了 保证零件加工的形状梢度， 往往需要对导轨的 直线度以 及溜板移动的直线度等指标进行检测。 日常 对平台平 面度的检验， 大型设备组装精度的确定， 也常常会归结为对于直线度的测最。 综 上所述， 准直技术在工程检测中有着广泛的应用， 因此， 对准直技术的研究也有 着重要意义和广阔的前景。 准直技术逐渐向着高精度的方向发展，基本上经过如下几个过程. 1 、 较早使用的拉钢丝法。它的优点是简单直观，但是由于钢丝受重力自 然下 垂、钢丝的扭结或风吹引起的钢丝偏摆等而产生误差。随着大型机械设备安装 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 1 . 1 . 1 概述 准直技术发展概况 随着现代科学技术的发展， 传统的计量手段己 经无法满足生产实际的需要， 迫切要求开发精度高、使用方便，适用于生产现场的形位及运动误差测量设备。 近年来， 以 准直激光束作为直线基准的测量方法得到了 很大发展， 激光准直技术 在直线度、同轴度、 平面度、 平行度等形位误差测量中得到了广泛的应用， 准直 技术的研究是计量测试的重要研究领域之一1 1 1 . 准直技术在生产和生活中得到了极其广泛的应用。 如水利方面， 在目 前我国 已 建成的众多水库中， 它们发挥了巨大的经济效益和社会效益， 安全监测作为水 库安全运行的重要措施， 为了提高监测的速度和效率， 利用准直技术研制的大坝 安全监测系统来检测大坝外部变形( 包括坝体水平位移观测和坝体垂直位移) 既 经 济合理， 又可 确保安全监测的 有效性 z 1 。 在 天车轨道检测中， 轧 钢、 管 加工、 中间仓库等厂房的天车轨道，由于全部在封闭厂房内作业，厂房内部光照不足， 而且轨道类型不一、长度不等 ( 2 0 0 米5 0 0 米) ， 若采用常规方法， 难以保证检 修任务顺利完成， 而且精度也难以 保证。 若使用激光准直仪， 效果很好， 精度也 高31 。 在 大型 机 械零 部 件轴 孔同 轴 度、 同 心 度测 量中， 尺 寸 和 形 位 误 差的 测 量， 对于提高设备的制造及安装精度、 工作效率和延长工作寿命是至关重要的， 而高 精度测量的技术关键和难点在于需建立长跨距的测量基准线。 利用激光束良 好的 相干性、 高 亮度和很好的方向性可以 用来作准直参考线， 可实现大孔同 轴度的高 精 度测 量0 。 在电 梯 安 装方 面， 电 梯的 运 行 质 量 要 求 越来 越高， 电 梯导 轨 作 为电 梯轿厢和对重的导向 装置， 直接关系到电 梯运行的稳定性、 安全性和舒适感。 导 轨安装作为保证电 梯高质量运行的工序， 电梯导轨安装的关键在于要精确地确定 和校正基准线。 这是保证施工质量、 施工进度以及运行平稳的首要条件。 然而传 统安装工艺中， 采用吊垂线的方法来来确定基准线易受环境等因紊影响、 其垂直 线准直精度难以 得到保证， 尤其是行程长、 速度快的电 梯安装质f难以 得到保证， 电 梯导 轨 安 装 精 度的 测量 应用 激 光准 直 技 术即 可 解决 这一问 题 15 1 。 在 测 量 大型 平 台的平面度时， 可根据精度要求， 选用合适的 水平仪测得平面度误差的原始读数， 但是， 当平台 面积大且精度较高时， 水平仪不能满足要求， 就需要利用准直技术 来进行测量。 还有， 在生产和检修机床的过程中， 为了 保证零件加工的形状梢度， 往往需要对导轨的 直线度以 及溜板移动的直线度等指标进行检测。 日常 对平台平 面度的检验， 大型设备组装精度的确定， 也常常会归结为对于直线度的测最。 综 上所述， 准直技术在工程检测中有着广泛的应用， 因此， 对准直技术的研究也有 着重要意义和广阔的前景。 准直技术逐渐向着高精度的方向发展，基本上经过如下几个过程. 1 、 较早使用的拉钢丝法。它的优点是简单直观，但是由于钢丝受重力自 然下 垂、钢丝的扭结或风吹引起的钢丝偏摆等而产生误差。随着大型机械设备安装 第一章绪论 和测量精度要求越来越高，这种方法已 经不能满足技术要求。 2 、 用自 准直光管和准直望远镜进行直线度的测量。测量的精度较拉钢丝法有 很大提高，但是这种光学仪器存在着操作不方便以及瞄准和调焦误差等方面的 缺点。同时，在较长的距离下，这种方法所获得的像质模糊，照度也比较低。 一般可靠的工作距离小于3 0 米。 3 , 振幅 ( 光强) 测量法。它是以激光光束的强度中心作为直线基准，在需要 准直的点上用光电 探测器接收它。但是其准直度受到激光光束漂移、光束截面 上强度分布不均匀，探测器灵敏度不均匀，以及空气扰动造成的光斑跳动等影 响而带来误差. 随着科学技术的发展，信息技术的进步，现代准直技术正向着高可靠性、 高智能化、光机电一体化的方向发展，其重要特点是:1 、实现高精度、快速测 量。 2 、向多功能化发展。 3 、 对稳定性、可靠性提出更高要求。 4 、 便携化、低 功耗化。 本课题研制的激光干涉准直仪运用现代电子技术与微处理机技术，结构紧 凑、电 路集成度高， 数据处理简单， 具有体积小、 成本低等许多 优点， 在生产实 践中有较好的应用前景。 1 . 1 . 2激光的产生和发展 激光是在 1 9 6 0 年正式问世的。 早在 1 9 1 7 年，爱因斯坦提出 “ 受激辐射” 的 概念，奠定了 激光的理论基础。1 9 5 8年美国科学家肖 洛和汤斯发现了一种奇怪 的现象: 当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时， 晶体的分子会发 出鲜艳的、 始终会聚在一起的强光。由 此他们提出了 “ 激光原理” ， 受激辐射可以 得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。1 9 5 8年，贝尔实验室的汤斯和肖 洛 发表了关于激光器的经典论文， 奠定了 激光发展的 基础。 1 9 6 0 年， 美国人梅受任 h . m a i m a n ) 发明了 世界上第一台红宝石激光器。 梅曼利用红宝石晶体做发光材 料，用发光度很高的脉冲氦灯做激发光源，获得了 人类有史以 来的第一束激光。 1 9 6 2 年， h e - n e 气体激光器在美国贝 尔实验室由 贾范 研制成功。 这两次发明开 创了传统的固体激光器和气体激光器的时代， 自 此， 激光走上了高速发展的道路。 1 9 6 5 年，第一台可产生大功率激光的器件二氧化碳激光器诞生。1 9 6 7 年， 第一台x射线激光器研制成功。 激光器的种类很多， 大致可分为固体、 气体、 液体、 半导体和染料等五种类 型。本系统采用的是h e - n e 气体激光器，它发射的激光的波长为6 3 2 . 8 n m ， 对 硅光电池适用，同时还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。 1 . 1 . 3激光的特点 激光之所以的得到如此广泛的应用 方向性好。对于一个氦氖激光器 ，因为激光有如下几个突出的优点: 若a = 0 .6 3 ,u m , d = 3 m m， 则发散角2 0 - 2 x 1 0 4 r a d 6 1 。 不同 类型的 激光 器 所发的 激 光的 方向 性差 异 很 大， 这与 增 益 介 第一章绪论 质的类型及均匀性、谐振腔的类型及腔长。 激励方式和激光器的工作状态有关. 2 .能量集中，亮度高。 由于激光发射被限定在一个极小的立体角内，因而 辐射功率高度集中，即激光的亮度极高。 3 、单色性好。 一台稳频 h e -n e激光器，在通常情况下，6 3 2 .8 n m的谱线 展宽仅只有8 - l 0 n m。 一般来说， 线宽越窄， 光的单色性越好。 一般一台单模稳 频氦氖激光器， 其发出的a = 0 .6 3 2 8 , t m 谱线的线宽 和波长的比 值可达1 0 - ， 即 兄 l 兄 侧 1 0 , 。 4 、相干性好。 相干性的好坏取决于光源的单色性好坏。普通光源由于单色 性差，相干长度仅只有0 . 1 5 m，相比之下，普通的h e - n e 激光器其相干长度达 到了3 0 0 m。所以可以说激光是完全相干光。 另一方面，如果激光使用不妥， 会造成眼睛、皮肤等其他器官的伤害， 造成 的伤害跟激光的输出功率密度和裸照时间长短有关， 而且还随时间积累， 长期照 射对身体非常有害。通常当额定功率超过5 m w的激光直射皮肤超过一定时间， 则会造成伤害，因此，应避免直射。 1 . 1 . 4激光准直技术的分类 按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型。 i 、 振幅 ( 光强 ) 测量型 利用激光本身的方向性， 以激光光强分布中心作为准直基线， 是这类准直方 法的最初形式。 当用位敏光电器件或c c d作为探测器时， 可同时实现二维测量， 这是振幅测量型激光准直仪的优点。由于激光漂移、 光线弯曲、 大气扰动以 及光 束横裁面内光强分布的不对称性的影响， 直接利用激光本身作准直基线， 稳定性 最好也只能达到1 0 - 1 量级。 为提高准直精度， 必须有效地克服上述影响， 于是出 现了 多 种 设 计 方 案， 如 菲 涅 尔 波 带 片 法 1- 8 1零 级 条 纹 干 涉 法 、 零 级 衍 射 同 心 圆 法 19 1 、 不 对 称 位相 板 法、 海定 格非 定 位 干 涉条 纹 法、 对 称 双 光 束 法 0 0 1单 模 光 纤 法等。这些方法在克服激光漂移及光强不对称分布的影响方面起到了不错的效 果，然而对大气扰动的影响仍无法有效解决。 2 、 相位测量型 这类准直装置大多属于激光干涉准直仪， 其工作原理是让直线度误差引起干 涉条纹的相位变化而被检测出来。 相位测量型大部分设计成干涉仪双臂( 测盆光 束和参考光束) 在传播方向 上成对称分布，因 此，其准直基线不是激光束本身， 而是测量光束和参考光束的对称轴， 这在克服光束漂移方面有较好的效果。 当两 束光靠的很近时， 对大气扰动的 影响也有所减轻。 属于相位测量型的准直方案有 双频激光干涉法、 直线光栅测量法、 激光干涉准直法等。 目 前双频激光干涉仪在 工业上得到了广泛的应用。 3 、 偏振测量型 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， 让直线误差变成激光偏振方向的变化( 旋光) 而被检测出 来。 往返光束的对称 第一章绪论 分布对克服激光漂移是有效果的。 当 往返光束靠得很近， 甚至重合时， 也能在某 种程度上减轻大气扰动的影响。 偏振测量型另一个优点是它的测量元件可在光路 中移进移出。 1 . 2准直技术研究与应用现状 在国外发达国家， 大型长导轨的检测， 主要是使用双频激光千涉仪及其附件 来实现的。 双频激光干涉仪的测量范围大、功能相对齐全。如h p公司开发的双 频激光干涉仪， 精度可以 达到0 .2 5 p m， 但是， 他们的 造价通常比 较昂 贵， 而 且， 在车间#a量现场使用也有一些不方便之处. 国内 对在激光准直技术的 研究逐渐在发展，主要如下: 由第二炮兵工程学院研制的基于m型分划丝的单线阵c c d直线度准直仪， 在2 0 m的距离内 准直精度可达6 u m ， 在7 0 m距离内 准直精度可达1 3 k m ， 在士 2 0 。 测角范围 内 测角 精 度达0 .7 1 1 . 由 华中科技大学机械学院仪器系开发的无衍射光莫尔条纹准直、 定位、 跟踪 系统， 根据无衍射光作为光束截面形状不随传播距离变化的特殊光束来作为空间 直线测量的基准，当 测量距离为5 m时， 它的定 位和定向 精度为0 . 1 2 g m 。当测 量 距 离 为 2 0 0 m 时 ， 它 的 定 位 精 度 为 0 .5 v m 12 1 . 由中国科学院光电技术研究所 ( 成都市双流) 研制的基于四象限光电池的激 光准直仪， 它利用激光光线作为基准， 用四象限光电池作为探测器， 它的其分辨 力 为0 .0 1 m m ， 作 用 距 离 可 达4 0 m 1 13 ) . 上海交通大学电子信息学院仪器系和哈尔滨工业大学自 动化测试及控制系 开发的基于双频激光千涉技术的高度直线度基准装置， 它以 激光波长作为测童荃 准， 采用双频激光干涉技术和直尺反转误差分离技术。 在一般实验室条件下实现 了0 . 1 m m / m的 测量 不 确定 度 i4 1 由南通工学院研制的便携式激光准直仪，由半导体激光器、p s d光靶、 p c l - 8 1 8 数据采集板、 步进电机控制卡和直线度误差评定软件组成。 实现了 仪器 的便携化和对直线度误差的动态连续测量， 测量结果精度可以 达到6 级p s l 1 .3 本课题主要研究内容 课题研究激光准直技术的发展现状， 分析不同 类型准直技术的优缺点。 光强 型激光准直仪对杂散光敏感，难以克服温度、空气气流扰动的影响，精度偏低; 而偏振型激光准直仪的结构又比较复杂， 特设计制作了 一种基于光楔干涉的激光 准直系统。 氦氖激光经准直、 扩束后投射到楔形光学平板上。 光束在上下两个表面反射 后， 产生干涉条纹。 通过光电传感器检测干涉条纹的移动量， 可测出 被测点相对 于准直光束的偏移量。 以四象限硅光电池为光电 传感器接收四路相位依次相差 ) r / 2的正弦信号， 第一章绪论 分布对克服激光漂移是有效果的。 当 往返光束靠得很近， 甚至重合时， 也能在某 种程度上减轻大气扰动的影响。 偏振测量型另一个优点是它的测量元件可在光路 中移进移出。 1 . 2准直技术研究与应用现状 在国外发达国家， 大型长导轨的检测， 主要是使用双频激光千涉仪及其附件 来实现的。 双频激光干涉仪的测量范围大、功能相对齐全。如h p公司开发的双 频激光干涉仪， 精度可以 达到0 .2 5 p m， 但是， 他们的 造价通常比 较昂 贵， 而 且， 在车间#a量现场使用也有一些不方便之处. 国内 对在激光准直技术的 研究逐渐在发展，主要如下: 由第二炮兵工程学院研制的基于m型分划丝的单线阵c c d直线度准直仪， 在2 0 m的距离内 准直精度可达6 u m ， 在7 0 m距离内 准直精度可达1 3 k m ， 在士 2 0 。 测角范围 内 测角 精 度达0 .7 1 1 . 由 华中科技大学机械学院仪器系开发的无衍射光莫尔条纹准直、 定位、 跟踪 系统， 根据无衍射光作为光束截面形状不随传播距离变化的特殊光束来作为空间 直线测量的基准，当 测量距离为5 m时， 它的定 位和定向 精度为0 . 1 2 g m 。当测 量 距 离 为 2 0 0 m 时 ， 它 的 定 位 精 度 为 0 .5 v m 12 1 . 由中国科学院光电技术研究所 ( 成都市双流) 研制的基于四象限光电池的激 光准直仪， 它利用激光光线作为基准， 用四象限光电池作为探测器， 它的其分辨 力 为0 .0 1 m m ， 作 用 距 离 可 达4 0 m 1 13 ) . 上海交通大学电子信息学院仪器系和哈尔滨工业大学自 动化测试及控制系 开发的基于双频激光千涉技术的高度直线度基准装置， 它以 激光波长作为测童荃 准， 采用双频激光干涉技术和直尺反转误差分离技术。 在一般实验室条件下实现 了0 . 1 m m / m的 测量 不 确定 度 i4 1 由南通工学院研制的便携式激光准直仪，由半导体激光器、p s d光靶、 p c l - 8 1 8 数据采集板、 步进电机控制卡和直线度误差评定软件组成。 实现了 仪器 的便携化和对直线度误差的动态连续测量， 测量结果精度可以 达到6 级p s l 1 .3 本课题主要研究内容 课题研究激光准直技术的发展现状， 分析不同 类型准直技术的优缺点。 光强 型激光准直仪对杂散光敏感，难以克服温度、空气气流扰动的影响，精度偏低; 而偏振型激光准直仪的结构又比较复杂， 特设计制作了 一种基于光楔干涉的激光 准直系统。 氦氖激光经准直、 扩束后投射到楔形光学平板上。 光束在上下两个表面反射 后， 产生干涉条纹。 通过光电传感器检测干涉条纹的移动量， 可测出 被测点相对 于准直光束的偏移量。 以四象限硅光电池为光电 传感器接收四路相位依次相差 ) r / 2的正弦信号， 第一章绪论 分布对克服激光漂移是有效果的。 当 往返光束靠得很近， 甚至重合时， 也能在某 种程度上减轻大气扰动的影响。 偏振测量型另一个优点是它的测量元件可在光路 中移进移出。 1 . 2准直技术研究与应用现状 在国外发达国家， 大型长导轨的检测， 主要是使用双频激光千涉仪及其附件 来实现的。 双频激光干涉仪的测量范围大、功能相对齐全。如h p公司开发的双 频激光干涉仪， 精度可以 达到0 .2 5 p m， 但是， 他们的 造价通常比 较昂 贵， 而 且， 在车间#a量现场使用也有一些不方便之处. 国内 对在激光准直技术的 研究逐渐在发展，主要如下: 由第二炮兵工程学院研制的基于m型分划丝的单线阵c c d直线度准直仪， 在2 0 m的距离内 准直精度可达6 u m ， 在7 0 m距离内 准直精度可达1 3 k m ， 在士 2 0 。 测角范围 内 测角 精 度达0 .7 1 1 . 由 华中科技大学机械学院仪器系开发的无衍射光莫尔条纹准直、 定位、 跟踪 系统， 根据无衍射光作为光束截面形状不随传播距离变化的特殊光束来作为空间 直线测量的基准，当 测量距离为5 m时， 它的定 位和定向 精度为0 . 1 2 g m 。当测 量 距 离 为 2 0 0 m 时 ， 它 的 定 位 精 度 为 0 .5 v m 12 1 . 由中国科学院光电技术研究所 ( 成都市双流) 研制的基于四象限光电池的激 光准直仪， 它利用激光光线作为基准， 用四象限光电池作为探测器， 它的其分辨 力 为0 .0 1 m m ， 作 用 距 离 可 达4 0 m 1 13 ) . 上海交通大学电子信息学院仪器系和哈尔滨工业大学自 动化测试及控制系 开发的基于双频激光千涉技术的高度直线度基准装置， 它以 激光波长作为测童荃 准， 采用双频激光干涉技术和直尺反转误差分离技术。 在一般实验室条件下实现 了0 . 1 m m / m的 测量 不 确定 度 i4 1 由南通工学院研制的便携式激光准直仪，由半导体激光器、p s d光靶、 p c l - 8 1 8 数据采集板、 步进电机控制卡和直线度误差评定软件组成。 实现了 仪器 的便携化和对直线度误差的动态连续测量， 测量结果精度可以 达到6 级p s l 1 .3 本课题主要研究内容 课题研究激光准直技术的发展现状， 分析不同 类型准直技术的优缺点。 光强 型激光准直仪对杂散光敏感，难以克服温度、空气气流扰动的影响，精度偏低; 而偏振型激光准直仪的结构又比较复杂， 特设计制作了 一种基于光楔干涉的激光 准直系统。 氦氖激光经准直、 扩束后投射到楔形光学平板上。 光束在上下两个表面反射 后， 产生干涉条纹。 通过光电传感器检测干涉条纹的移动量， 可测出 被测点相对 于准直光束的偏移量。 以四象限硅光电池为光电 传感器接收四路相位依次相差 ) r / 2的正弦信号， 第一章绪论 经放大、滤波后，一路通过整形、辨向，由5 1 单片机的计数器计数;另一路通 过a / d转换， 送给5 1 单片机。 单片机软件系统按照周期信号软件细分原理实现 干涉条纹信号的处理，即包括: 简称为小数的不足一个周期的正弦信号的进一步 细分，简称为大数的整周期数 ( 干涉条纹数)的采集、 组合， 结果运算处理、显 示和通信。 系统吸收现代电子技术、 光学技术、 传感技术和计算机技术的最新成果， 实 现了系统的小型化和集成化，系统采用的基于光楔干涉的激光准直系统对温度、 气流扰动有较好的抑制作用。 课题通过研制样机， 采取多种必要措施，提高信噪比， 优化软件系统， 力求 提高仪器测量精度。 通过样机与光电自 准直仪的比对实验、 系统稳定性实验、 系 统重复性实验、 船池长导轨实测实验， 结果表明， 样机性能、 指标基本达到预定 目 标。 本课题的主要工作如下: i 、分析研究激光和准直技术的起源、发展和当前的研究、应用状况， 对激光准直技术进行分析和探讨。 2 、对基于光楔干涉的激光准直系统的工作原理、系统组成进行了分析 研究。 3 、对干涉条纹信号接收、调理电路及抑制噪声提高信噪比的方法进行 探讨。 4 、对干涉条纹软件细分的数学模型和细分方法进行了实验研究. 5 、制作了 包括光学测量系统、 信号接收调理系统、单片机及系统软件 的实验样机。 6 、进行了 样机与光电自 准直仪的比 对实验、系统稳定性实验、系统重 复性实验、船池长导轨现场实测实验，结果表明，样机性能、指标 基本达到了预定目 标。 第二章系统t . 作原理和系统结构 第二章系统工作原理和系统结构 2 . 1 2 . 1 . 1 系统工作原理 楔形板干涉理论分析 激光干涉准直技术的基本原理是让激光束打在楔形板上， 光束在上下两个表 面反射后干涉， 产生干涉条纹， 通过对条纹的移动个数来计算处理。 如下图2 - 1 所示， 假定激光光束投射到楔形分光板， 并由上下表面分别反射而后形成干涉 条纹， 则楔形分光板角度的 变化和干涉条纹移动量的函数关系可由图2 -1 导出。 先按平行光学平板分析。 图中氦氖激光平行照到分光平板的上表面， 分成两路光: 一 路 光 束1 2 经 上 表 面反 射， 另一 路 光 束了 1 经 玻 璃折 射后 到下 表 面， 再由 下 表 面 反 射到 上 表 面 又 折 射到 空 气中， 此时 从 下 表 面 来的i : 光 束与 上 表面 反 射的i z 光 1 11 2 下l !一一一1 一 一一|!| 久c 一阵1才一一1 图2 一f 干涉原理图 束相遇产生干涉，光程差为 占 = n x( ab s i n i , +b c ) 一c d c d 二acx 二 2 l x tg i 2 s i n i , 第二章系统t . 作原理和系统结构 第二章系统工作原理和系统结构 2 . 1 2 . 1 . 1 系统工作原理 楔形板干涉理论分析 激光干涉准直技术的基本原理是让激光束打在楔形板上， 光束在上下两个表 面反射后干涉， 产生干涉条纹， 通过对条纹的移动个数来计算处理。 如下图2 - 1 所示， 假定激光光束投射到楔形分光板， 并由上下表面分别反射而后形成干涉 条纹， 则楔形分光板角度的 变化和干涉条纹移动量的函数关系可由图2 -1 导出。 先按平行光学平板分析。 图中氦氖激光平行照到分光平板的上表面， 分成两路光: 一 路 光 束1 2 经 上 表 面反 射， 另一 路 光 束了 1 经 玻 璃折 射后 到下 表 面， 再由 下 表 面 反 射到 上 表 面 又 折 射到 空 气中， 此时 从 下 表 面 来的i : 光 束与 上 表面 反 射的i z 光 1 11 2 下l !一一一1 一 一一|!| 久c 一阵1才一一1 图2 一f 干涉原理图 束相遇产生干涉，光程差为 占 = n x( ab s i n i , +b c ) 一c d c d 二acx 二 2 l x tg i 2 s i n i , 第_章系统工作原理和系统结构 a b = b c 二 卫一 c o s i z _ ，_ 二 s in i, 叫得: s i n 几二 竺sini= 由n二 再考虑到光从光疏到光密介质表面上反射时的半波损失，故可得: = 2 l , l n ， 一 s in i， 一 a 2 对1 。 求导， 得: 补inz l s i n 上式即为这一测量方法的传动比，即由光入射角的变化引起的光程差的变 化， 进而可求出干涉条纹的移动量。 需要说明的是， 上式是按照光学平行平板出 发推算的结果，实际装置所用的是楔形平板，不影响装置的传动比。 2 . 1 .2系统的工作原理 本测量系统中， 硅光电 池作为系统的敏感元件， 由它获得被测导轨直线度的 信号， 通过后续电路的处理， 再送给单片机， 进而得到测童结果。 具体的测量过 程如下: 如图2 - 2 ， 由氦氖激光器产生激光光束， 在通过扩束系统得到扩束的平行光， 辨向 动态显示 单片机系统 串口通讯 图2 - 2 系统组成框图 经过准直系统后， 投射到被置于被测导轨上作为接收靶的楔形光学玻璃板上， 依 次在分光板的前后表面上反射， 形成了两路光束又重新会合， 其中会合的重叠部 分相互干涉， 这样在硅光电 池上形成一组等间距相互平行的干涉条纹。 将接收靶 沿被测导轨移动， 如果导轨有直线度误差， 则过桥与导轨的接触点所形成的直线 第二章系统工作原理和系统结构 角度发生变化， 导致放置在其上的接收靶倾斜， 固定在接收靶上的分光板相对于 照射到分光平板上的光束的入射角发生改变，使得产生干涉的光程差发生改变， 从而使干涉条纹移动， 导致干涉条纹图像在硅光电池上发生移动， 移动量的大小 转化为干涉条纹的移动量， 经过硅光电池转化为正弦信号的变化量。 经后续电 路 放大、 消去直流电 平， 得到两路相差9 0 0正弦信号。 放大后的 信号分成两部分， 一部分让相差 %。的两路正弦信号转化为对应方波，让其中一路微分成正向 和 反向 脉冲，让这两路脉冲与两路正弦信号的方波分别 “ 与” ，并送给单片机的计 数器， 从而实现辨向 和条纹周期的大数计数。 另一部分， 经数模转换， 送给单片 机，实现小数的计算。单片机软件根据软件细分原理进行大、小数的组合处理， 把结果数据储存， 并在显示器上显示出来， 也可以通过串口通讯， 实现单片机与 计算机之间的数据传输。 通过实验证明: 采用激光干涉准直仪作准直和测量， 条 纹清晰，可以在车间条件下使用。 2 . 2 系统总体结构 本测量系统主要由:仪器的主体、后续电路、单片 机系统等构成 ( 图2 - 3 ) , 氮氖激光器 反射镜 1 反射镜 2 透镜组 硅光电池 仁 二二 二1 图2 - 3 系统榷体结构图 主要包括: 激光器: 激光准直仪大多采用稳定性较好的单模输出的氦氖激光器， 本系统采用的激 第二章系统工作原理和系统结构 角度发生变化， 导致放置在其上的接收靶倾斜， 固定在接收靶上的分光板相对于 照射到分光平板上的光束的入射角发生改变，使得产生干涉的光程差发生改变， 从而使干涉条纹移动， 导致干涉条纹图像在硅光电池上发生移动， 移动量的大小 转化为干涉条纹的移动量， 经过硅光电池转化为正弦信号的变化量。 经后续电 路 放大、 消去直流电 平， 得到两路相差9 0 0正弦信号。 放大后的 信号分成两部分， 一部分让相差 %。的两路正弦信号转化为对应方波，让其中一路微分成正向 和 反向 脉冲，让这两路脉冲与两路正弦信号的方波分别 “ 与” ，并送给单片机的计 数器， 从而实现辨向 和条纹周期的大数计数。 另一部分， 经数模转换， 送给单片 机，实现小数的计算。单片机软件根据软件细分原理进行大、小数的组合处理， 把结果数据储存， 并在显示器上显示出来， 也可以通过串口通讯， 实现单片机与 计算机之间的数据传输。 通过实验证明: 采用激光干涉准直仪作准直和测量， 条 纹清晰，可以在车间条件下使用。 2 . 2 系统总体结构 本测量系统主要由:仪器的主体、后续电路、单片 机系统等构成 ( 图2 - 3 ) , 氮氖激光器 反射镜 1 反射镜 2 透镜组 硅光电池 仁 二