激光测角技术.doc

激光测角技术综述：光学测角法由于具有测量准确度高和非接触测量的特点，在角度测量中得到了越来越广泛的应用，而且在某些场合下正在逐渐取代机械式和电磁式测量方法。本文介绍了几种激光测角技术的原理及发展方向。正文：根据所测角度的大小，激光测角技术可以分为小角度测量和任意角度测量。一、激光小角度测量技术1.光学自准直法自准直法就是在光学上使物体和像分别位于共轭平面上。当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，以光束投射到被测物体上，通过测量像点的移动量便可以求出物体转动的角度。如下图所示，以准直激光作为入射光，经扩束后照射到被测物体上，光束被反射后经分束器由透镜2会聚到位置探测光电二极管上，测出物体转动前后反射到位置探测二极管上的光斑位移，根据位移与探测器到被测物间的距离之比，便可得到物体的转动角度。自准直法原理简单，操作方便、易行。测量分辨率与透镜2焦距有关，焦距越长分辨率越高，但透镜焦距过长就会产生仪器笨重和所占空间增大的问题；若对场地没有限制或精确度要求不是特别高，应用较为方便，可用于粗调激光谐振腔的平行等。基于光学自准直法测角仪的测量范围一般都很小，通常在几分至几十分之间，测量可靠性和测量精度也不是很理想。2.利用光学内反射原理进行小角度测量内反射法小角度测量技术就是利用全反射条件下入射光变化时反射率的变化关系，通过反射率的变化来测量入射角的变化的。内反射法是由P.S.Huang等人提出来的，基本原理如下图左所示。用该方法制成的测角仪体积可以做得很小，因此特别适用于较小空间中小角度的在线测量，可以做成抽珍式测角仪。P.S.Huang等人还在此基础上制成了多次反射型临界角角度传感器，用加长的临界角棱镜代替图3的直角棱镜以增加反射次数，如下图右所示。该仪器结构简单，成本低。但其测量范围也很小，因此只能用于小角度测量，3弧分范围内分辨力为002弧秒。台湾的Ming Hongchin等人在此原理的基础上，提出了全内反射外差干涉测角方法。用外差干涉仪测量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角范围扩大到10秒，最佳分辨力可达810-5度。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dongzhou等人采用差动共光路结构，大大提高了系统的线性，并获得了0.3角秒的最佳分辨力。3.激光干涉法小角度测量技术激光干涉测角大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理，将角度的变化转换为长度变化来进行测量，如下图左所示 经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如下图右所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增强干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。激光干涉测角仪的测量精度极高、易于实现数字化和智能化。不过，由于激光干涉测角仪是采用干涉条纹进行测量的，因此对环境的要求极为苛刻，许多外界因素，如周围空气流动、车辆运行等都会对测量结果产生很大影响，而且仪器结构精密、稳定性不好、体积大，因而通常只作为一种测量基准和检测手段，很难用于现场测量。4.圆光栅测角法圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。作为角度测量基准的光栅可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。英国国家物理实验室(NPL)的E W Palmer介绍了一台作为角度基准的径向光栅测角仪，如下图左所示，既可用于测角，又可用于标定。其原理是利用2块32 400线的径向光栅安装在0.5rs的同一个轴套上，2个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比。利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。用干涉仪作为读数头，可进行高精度测量。按95置信度水平确定其系统误差的不确定度为0.05秒。德国联邦物理研究院(PTB)的Anglica Taubner等人用衍射光栅干涉仪测量转动物体，能够检测角加速度、角速度、转角，检测原理光路如图2所示。单频He-Ne激光器发出的光经过柯斯特分束棱镜后在出射方向上分为两束平行光。这样由于气流和温度变化引起的两条光路的变化相等。经过变形透镜后直射或斜射到随被测件一起转动的反射型衍射光栅上。该光栅是PTB特制的24013线mrn正弦相位光栅。干涉信号由光电探测器接衍射收。该系统检测正弦信号时测量灵敏度不确定度为0.3%，测旋转物体时相位差不确定度为0.2%。该系统的主要问题是灵敏度非常复杂。二、激光任意角度测量技术1.环形激光任意角度测量环形激光是目前转速测量准确度最高的方法。目前还只是少数国家掌握这种技术，研究最多的国家是德国和前苏联，我国目前正致力于这项技术的研究。该方法容易实校准，可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子，从而大大减小了测量误差；可以实现高速转角测量，动态响应范围宽；可以在测量转速的同时测量转角，还可以测量瞬态转速。环形激光是转速测量准确度最高的方法，转速测量相对准确度可达到lO-6，在整周角度测量中，环形激光器被认为优于目前任何其它技术。该方法的缺点是只能实现动态测量，对测量条件要求很高，加工工艺难以保证，成本高，对环境要求严格。这也是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。而且其测虽结果还会受到“频率牵引”和地球自转的影响。环形激光测角的基本原理如下图所示，当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时，在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间，被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔，接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数。圣彼德堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计，可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角计本身的内部旋转角测量。该装置在1转秒的转速范围内，测量准确度达到了0.1秒。2用双平面反射镜实现任意角度测量该系统的构造如下图左所示。系统的核心部分由旋转镜RM、旋转镜悬架SU以及防倾斜装置TP构成。防倾斜装置TP能够保证在一周的旋转范围内，由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线始终与入射的激光束平行。当旋转镜悬架SU转动角时，旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离，光电元件接收的干涉条纹数 发生相应的变化。该方法存在的主要问题时平面镜的表面形貌和两平面镜的直角误差都会对测量结果产生影响，另外机械导杆的运动平稳度也会使结果产生偏差，需要用算法进行修正。 3.双定值角干涉仪测量任意角度两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角，用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量反射镜就构成定值角干涉仪。天津大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如上图右所示。由激光器1初涉的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束，分别进入由长平面镜9和被检多面棱镜12构成的双定值角，经反射后在分光镜8上产生干涉，干涉信号由CCD元件4接收。这一路光称为多面棱体检定光路，与其对称的右半部分称为双定值角测量跟踪干涉仪，工作原理与其完全相同。该系统能在0360度范围内实现任意角度的高准确度测量，测量不确定度优于 0.3秒。该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证，而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统，结构比较复杂。3.双频激光楔形平板干涉法任意角测量技术哈尔滨工业大学利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系，设计了一套双频激光楔形平板干涉任意转角测量系统，其基本原理如下图所示。由双频激光器发出的激光束经过分光镜分为两束，反射光经检偏器1后由光电接收器接收，形成参考信号。投射的一束光是测量光路，经过偏振偏光镜将偏振方向相互垂直的两路光分开，频率分别为f1和f2，两路光分别经过/4波片和楔形平板后由角锥镜反射回偏振分光镜铲射产生干涉信号，经检偏器后由光电接收器2吸收，将光电接收器1、2的信号送入信号处理电路，可得到多普勒频差，该频差值随光程差而变，即随平板移动而变化，因此可以得到楔形平板转角的信息。系统中光线4次通过楔形平板，采用了差动结构，可以消除楔形平板的平移和摆动误差产生的影响。该系统可以自动判别转台的转动方向，可测量360度范围内的转角，动态相应范围为4r/s。 但是，系统灵敏度在整个测量方位内不是常数，为了克服这一缺点，使用在空间相互垂直的两套测量光路以消除90度和270度两个死点，这样就使系统的体积非常庞大，结构复杂。另外，由于使用多个角锥反射镜，使光路装调比较困难，很难在实际中应用。结论：激光测角法的最大优点是测量精度高、信号均匀性好、信噪比高，小角度测量已经达到了极高的准确度，作适当的改进还可进行整周角度测量。其缺点是结构复杂，体积庞大，较难在现场使用。随着激光干涉测量仪器的改进及新型激光