04_第四章_激光准直及多自由度测量.ppt

1、激光测量技术,Laser Measurement Technology,第四章 激光准直及多自由度测量,4.1 激光准直测量原理,直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变 动量；直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几 何量测量的基础,传统方法:,建筑: 垂线法, 拉钢丝法 大型设备安装:拉钢丝法 木工: 划线法,机械加工: 钳工的划线法, 定位,传统方法的特点: 简单,直观,垂线法, 拉钢丝法易,受环境因素影响,精度低,自准直光管和准直望远镜,测量精度10um，使用自准直光管具有0.1 s级的灵 敏度。缺点，如操作不方使，存在瞄准、调焦误 差等。同时，在较长的距离下，像质模糊，照度 低。

2、一般可靠的工作距离小于30 m，此外也存在 空气的十扰。 1- 物管，带消色差透镜的物 管1.1 2- 准直测头， 2.1分束器、 目镜刻线2.2及准直刻线2.3 3- 目镜 4- 带灯泡4.1的光源， 4.2过 滤玻璃及4.3聚光器,自准直光管和准直望远镜,反射像 叉丝像,伸缩目镜筒,透光窗,分划板视场,旋转目镜调节鼓轮,20世纪60年代激光出现后， 高亮度、 方向性,相干件好等优点。,激光准直仪具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通,光学准直的精度，并可实现自动控制。,激光准直仪按上作原理可分为,1) 振幅测量法 2) 干涉测量法 3) 偏振测量法,一、振幅（光强）测量法,利用激光的能量中心及

3、其光强分布实现直线度测量 其基本原理:,缺点:,激光器的光束漂移,光束的非均匀性,探测器灵敏度不对称 空气的折射率梯度,气流的扰动等影响,Quadpho,todiode Laser 思考题: 水平,长距离测量,重力是否有影响? 振幅/光强测量法常用的准直方法 a菲涅耳波带片法 b. 位相板法 c. 双光束法,1.菲涅耳波带片法,十字划线,是干涉形成的, 有良好的抗干扰能力, 光,强分布均匀,经过扩束后照射波带片, 避免的激光光束的漂移及,振动因素的影响,2. 位相板法 相位板相邻光程差半波,长,即相位相差pi, 相 位板后,任何截面形成暗 十字划线, 经方孔后,发 生衍射,形成四光强点,x =

4、 I 1 + I 2 (I 3 + I 4 ) y = I 1 + I 4 (I 2 + I 3 ),3. 双光束法,采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的,漂移和部分空气扰功影响,二、干涉测量法,干涉测量法是在以激光束作为直线基准的基础上， 又以光的干涉原理进行读数来进行直线度测量的。 主要有以下几种方法:,1.楔形板干涉法,2. 频激光干涉法,3.光栅干涉法,1.楔形板干涉法,2. 双频激光干涉法,3. 光栅干涉法, = K,d 4,4. 偏振测量法,光束从光楔组的正中央穿过时，由于左旋和右旋石 英的厚度相同，不产生附加的旋光量, =4AStan ,4.2 激光准直仪的组成,主要组

5、成(三部分):,激光器,光束准直扩束系统,光电接收及处理电路部分,一、激光器,利用激光束的能量中心, 照射在光电探测器上, 因此需要光场,能量分布均匀, TEM00, 常采用单模的He-Ne激光器.,激光束横向漂移(平漂和角漂两种)要小 ,激光器输出功率的,稳定及激器的噪声小 漂移原因:,谐振腔的两反射镜稳定性差: 反射镜支架变形(热、振动),谐振腔的变形(热、振动),1.补偿措施:热稳定装置,整个装置的作用是使激光器沿长度方向的温度梯度 减少，同时使装置维持在较低的工作温度，从而减 少变形。,2.补偿措施:光束补偿,腔反射镜8和5的位置靠得很近，处于相同的环境条 件，因此两个面之间的相对运动

6、是很小的。所以， 当激光器壳体变形时，输出激光束对原来的位置只 产生很小的横向位移和角度偏移。,3.补偿措施:主动温控加热器,4.补偿措施:其他措施, 采取激光器与其反射镜系统对周围环境隔,热, 用锥形腔代替圆柱形腔及增加毛细管刚度 隔振, 实验室环境控制, 特殊材料,结构设计等措施都可以降低激光,器输出激光束的漂移,二、光束准直扩束系统,激光是高斯光束:,其发散角: 2=2/R,光斑大小,虽传输距离的增大,而增大,而实际应用中:,接收器的尺寸一定,环境、光束出射漂移影响,原理上需要大平面平行光束照射,所以：,需要准直及扩束系统,常用扩束系统的种类： 1）开普勒式望远镜 2）伽利略式望远镜 3

7、）组合式倒置望远镜,f1 f2, = 2 = 1,1 M,= ,0 =,f2 f1, = M,1.开普勒式望远镜,特点：,镜筒较长， 可以方便的加空间滤波器,图4.13 方式，镜筒较短，体积较小，增加了反,射杂散光和光能吸收,2.伽利略式望远镜,特点： 镜筒短， 体积小，不可以加空间滤波器 光可能反射回激光器，使激光器频率不稳定， 反射回来激光也会造成光输出强度，产生干涉， 或者亮度不均 使用时，倾斜L2，增加反射杂散光， 使光输出 稳定,3.组合式倒置望远镜,对伽利略式的改进： 避免了杂散光，使光束均匀和频率稳定 这种方式，可方便组成准直测量 系统， 减少可调节点,三、光电接收系统及处理电路

8、部分,常用激光准直的光电探测器: 1. 硅光电池,二分型,四象限器(四分型),2. PSD,一维PSD 二维PSD,3.光电倍增管 4.CCD,1.四象限光电池 在同一硅片上制作的光电池, 价格便宜, 缺点暗电流较 大, 各个单元的转换效率不一致 Vx = V1 + V4 - (V2 + V3 ) Vx = V1 + V2 - (V3 + V4 ) or,Vx = Vx =,V1 + V4 - (V2 + V3 ) V1 + V2 + V3 + V4 V1 + V2 - (V3 + V4 ) V1 + V2 + V3 + V4,2. PSD,位置敏感探测器(Position Sensitive

9、 Detector)简 称PSD，是一种具有特殊结构的大光敏面的 光电二极管，又称为pn结光电传感器。,PSD与象限位置探测器和CCD不同，它有一 个完整的光敏面，通过不同电极之间的电流 输出，能连续给出入射光点中心在光敏面上 的位置。,常用的结构类型有:,一维PSD 二维PSD,L2,R,R,R,L,(,L,2,L,2,=,=,L,2,L,R,L,+x,2,L,=,L,-x,2,L,=,I -I,I +I,一维PSD,Rand = RBC / /RAC =,2 2 (0.25L - x ),I0 = I AC =,U and U AC,=,=,UL2 R(0.25L2 - x2 ) UL R

10、( - x) 2,设: AB电阻率均匀, RAB=R - x) RAC = L R ( + x) RBC = L R,I BC = I AC I0 I BC I0 x =,U UL = AC R( + x) 2 L+2x 2L L - 2x 2L AC BC AC BC,二维PSD,光电倍增管,对于弱光,常采用此法,CCD,线阵CCD 一维测量 面阵CCD 二维测量 特点:,可采集光斑的大小,及其能量分布, 计算机,识别能量中心的位移大小及方向,2,4.3 大气扰动及激光束漂移 一、大气挠动,大气挠动的静态模型: h =,L2 dn 2 dr,实际大气存在: 气流,温度梯度等,使空气密度变化,

11、从而折射 率n变化。实际空气折射率变化一般用结构函数来表示: D n () = n(r 2 ) - n(r 1 ) 2,经验与理论公式:,D n () = C n 3 / 2 ; l 0 L 0,Cn称作l 0 到L 0区间的结构参数是折射率起伏变化的描述， 它与大气参数如热流、风速,高度有关。 l 0为最小非均幻旋 涡的尺寸，典型值为1-10mm、； L 0为最大非均匀尺度，它 和离地面的高度有关，近地表面处的干扰要大一些。,克服大气挠动的方法主要有:,机械法 光学法,机械法常用:,1)选择空气扰动最小的时间工作，如在早晨太阳升起之前。 另外，控制外界环境也能起到一定作用，如在光束传输路程

12、上避免有热源和温度梯度及气流等的影响,2)将光束用套管屏蔽，甚至将管子内抽成真空,3)沿着激光束前进的方向以适当流速的空气流喷射，因为 空气流提高空气扰动的频率，可用时间常数比较小的低通滤 波器，消除输出信号的交变成分。,4)对频率为5060Hz的扰动可采取积分电路消除,二、激光束漂移,4.4 激光准直测量的应用,应用场合:,测绘,建筑施工,大型设备安装 仪器设备制造 形位误差测量 误差修正,一、直线度测量,二、同轴度测量,三、用激光准立仪制导镗内孔,生产上自动控制,4.5 激光多自由度测量技术,多自由度测量的必要性:,1. 空间物体的姿态: 飞机、火箭等风洞实验,2. 机器运动部件的装配、运

13、行精度： 导轨精度 3. 空间吊装的运动轨迹误差,需要测量的参数,主要测量参数:,x , y, z: 平动测量参数, x , y , z : 转角测量参数,注： 各角度方向自由度的命名，以其主要运动方向,而言,一、多自由度测量系统的划分,一般根据测量的自由度的数量划分： 1. 两自由度测量系统 2. 四自由度测量系统,3. 五/六自由度测量系统 4. 测量滚转角,二、两自由度测量系统 测量的原理：激光准直仪 测量的参数： 一般为x，y两者或者其一 光电探测器：,硅光电池： 四象限器：x，y 二象限器：x或y 光敏电阻： 一般电桥式x或y CCD：线阵 x或y 面阵： x，y, ？,结构类型： 平面式 反射式,Vx = K x Vy = K y,X,y是单纯平 动引起吗？,三、四自由度测量系统 测量原理同前 测量参数：x，y， x，y 测量的结构类型主要有：,1. 中心孔式