第四章 激光准直及多自由度测量
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Quadpho todiode Laser
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Δx，Δy两者或者其一 光电探测器： 硅光电池： 四象限器： Δx，Δy 二象限器： Δx或Δy 光敏电阻： 一般电桥式Δx或Δy CCD：线阵 Δx或Δy 面阵： Δx，Δy
Quadpho todiode Laser
x I 1 I 2 (I 3 I 4 ) y I 1 I 4 (I 2 I 3 )
c. 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。
2) 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. 双频激光干涉法
2. 光束准直扩束系统 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）组合式倒置望远镜
f1 2 1 f2 1 M 0 f2 M f1
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 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
3）组合式倒置望远镜 • 这种方式，可方便组成准直测量系统， 减少可调节点
3.光电接收系统及处理电路部分 常用激光准直的光电探测器: a. 硅光电池 二分型 四象限器(四分型) b. PSD 一维PSD 二维PSD c. 光电倍增管 d. CCD
a.
硅光电池
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
V x V1 V 4 (V 2 V 3 ) V x V1 V 2 (V 3 V 4 ) or Vx Vx V1 V 4 (V 2 V 3 ) V1 V 2 V 3 V 4 V1 V 2 (V 3 V 4 ) V1 V 2 V 3 V 4
2. 六自由度测量系统 Nihon 和 Sophia
3. 全息法测量5自由度
3. 全息法测量5自由度
用于风洞天平体轴加载的自动校测等方面。在激光光源距靶标1m范围内， 该系统的线位移测量精度为±4um，偏摆、俯仰角的测量精度为±5''， 但该转角的测量精度较低.
五、磁光调制测量滚转角
法拉第旋光效应: θ =VLH
h L2
dn dr
第三节 大气扰动及激光束漂移 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 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50—60Hz的扰动可采取积分电路消除
激光器 准直扩束 起偏器 法拉第盒 检偏器 光电接收器
调制信号
前置放大器
测量信号 图4-39 磁光调制测量滚转角的原理框图
同步检波
光学法
光学法
第四节 激光淮直测量的应用 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
第五节 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、运行精度： 导轨精度 3. 空间吊装的运动轨迹误差
第四章 激光准直及多自由度测量 第一节 准直测量原理
直线度定义： 一系列的点列或连续表面对于几何直线的距离.
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
⑵
⑶
⑴
反射像 叉丝像 透光窗 伸缩目镜筒
分划板视场
旋转目镜调节鼓轮
20世纪60年代，激光出现：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 激光准直仪按操作原理可分为 1) 振幅测量法 2) 干涉测量法 3) 偏振测量法
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
3) 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
第二节 激光准直仪的组成 主要组成(三部分): 激光器 光束准直扩束系统 光电接收系统及处理电路部分 1.激光器
Δθ？
二、两自由度测量系统
结构类型： 平面式 V x 反射式
Kx
V y Ky
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：Δx，Δy， x 、 y 测量的结构类型主要有：
1. 中心孔式 2. 分光式 3. 反射式
四、五/六自由度测量系统
1. 五自由度 Michigan
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。
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。
一维PSD
R and R BC // R AC
R L2
2 2 (0.25 L x )
I0 I AC I BC
I AC I0wk.baidu.comI BC I0 x
L
2
U R and U R AC U R
L
2
UL2 R (0.25 L2 x 2 ) UL L
2
R( x ) UL L
Quadpho todiode
a.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
b. 位相板法
相位板相邻光程差半波长,即 相位相差, 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
b.
PSD
位置敏感探测器(Position Sensitive 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p—n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
补偿措施:主动温控加热器
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。
2. 光束准直扩束系统 激光是高斯光束: 其发散角: 2θ =2λ/π 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
第三节 大气扰动及激光束漂移 大气挠动的静态模型: 2 实际大气存在: 气流,温度梯度等,使空气 密度变化,从而折射率n变化 D n( ) [n(r2 ) n(r1 )]2 实际空气折射率变化一般用结构函数来 表示: D n( ) C n2 3 / 2; 0 L0 经验与理论公式: Cn称作l0到L0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。l0为最小非均幻旋涡的 尺寸，典型值为1-10mm、；L0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。
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.激光器 补偿措施主要有: a. 热稳定装置 b. 光束补偿 c. 主动温控加热器 d. 其他措施 隔振 材料选用 特殊设计等
2
AC
x
R( x )
L 2x 2L
L L
2 x
设: AB电阻率均匀, RAB=R
R AC R BC
( x ) 2
L
L I
I I
L 2x 2L BC BC
L
( x ) 2
R R
L
AC AC
I
L
二维PSD
c. 光电倍增管 对于弱光,常采用此法
d. 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
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. 2. 3. 4. 两自由度测量系统 四自由度测量系统 五/六自由度测量系统 测量滚转角
1）振幅/光强测量法
利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量 其基本原理:
1）振幅/光强测量法 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 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
自准直光管和准直望远镜
测量精度10um，使用白准直光管具有0.1秒级的灵敏度。缺点， 如操作不方使，存在瞄准、调焦误羌等。同时，在较长的距离 下，像质模糊，照度低。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
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Δx，Δy两者或者其一 光电探测器： 硅光电池： 四象限器： Δx，Δy 二象限器： Δx或Δy 光敏电阻： 一般电桥式Δx或Δy CCD：线阵 Δx或Δy 面阵： Δx，Δy
Quadpho todiode Laser
x I 1 I 2 (I 3 I 4 ) y I 1 I 4 (I 2 I 3 )
c. 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。
2) 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. 双频激光干涉法
2. 光束准直扩束系统 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）组合式倒置望远镜
f1 2 1 f2 1 M 0 f2 M f1
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 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
3）组合式倒置望远镜 • 这种方式，可方便组成准直测量系统， 减少可调节点
3.光电接收系统及处理电路部分 常用激光准直的光电探测器: a. 硅光电池 二分型 四象限器(四分型) b. PSD 一维PSD 二维PSD c. 光电倍增管 d. CCD
a.
硅光电池
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
V x V1 V 4 (V 2 V 3 ) V x V1 V 2 (V 3 V 4 ) or Vx Vx V1 V 4 (V 2 V 3 ) V1 V 2 V 3 V 4 V1 V 2 (V 3 V 4 ) V1 V 2 V 3 V 4
2. 六自由度测量系统 Nihon 和 Sophia
3. 全息法测量5自由度
3. 全息法测量5自由度
用于风洞天平体轴加载的自动校测等方面。在激光光源距靶标1m范围内， 该系统的线位移测量精度为±4um，偏摆、俯仰角的测量精度为±5''， 但该转角的测量精度较低.
五、磁光调制测量滚转角
法拉第旋光效应: θ =VLH
h L2
dn dr
第三节 大气扰动及激光束漂移 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 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50—60Hz的扰动可采取积分电路消除
激光器 准直扩束 起偏器 法拉第盒 检偏器 光电接收器
调制信号
前置放大器
测量信号 图4-39 磁光调制测量滚转角的原理框图
同步检波
光学法
光学法
第四节 激光淮直测量的应用 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
第五节 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、运行精度： 导轨精度 3. 空间吊装的运动轨迹误差
第四章 激光准直及多自由度测量 第一节 准直测量原理
直线度定义： 一系列的点列或连续表面对于几何直线的距离.
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
⑵
⑶
⑴
反射像 叉丝像 透光窗 伸缩目镜筒
分划板视场
旋转目镜调节鼓轮
20世纪60年代，激光出现：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 激光准直仪按操作原理可分为 1) 振幅测量法 2) 干涉测量法 3) 偏振测量法
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
3) 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
第二节 激光准直仪的组成 主要组成(三部分): 激光器 光束准直扩束系统 光电接收系统及处理电路部分 1.激光器
Δθ？
二、两自由度测量系统
结构类型： 平面式 V x 反射式
Kx
V y Ky
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：Δx，Δy， x 、 y 测量的结构类型主要有：
1. 中心孔式 2. 分光式 3. 反射式
四、五/六自由度测量系统
1. 五自由度 Michigan
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。
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。
一维PSD
R and R BC // R AC
R L2
2 2 (0.25 L x )
I0 I AC I BC
I AC I0wk.baidu.comI BC I0 x
L
2
U R and U R AC U R
L
2
UL2 R (0.25 L2 x 2 ) UL L
2
R( x ) UL L
Quadpho todiode
a.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
b. 位相板法
相位板相邻光程差半波长,即 相位相差, 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
b.
PSD
位置敏感探测器(Position Sensitive 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p—n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
补偿措施:主动温控加热器
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。
2. 光束准直扩束系统 激光是高斯光束: 其发散角: 2θ =2λ/π 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
第三节 大气扰动及激光束漂移 大气挠动的静态模型: 2 实际大气存在: 气流,温度梯度等,使空气 密度变化,从而折射率n变化 D n( ) [n(r2 ) n(r1 )]2 实际空气折射率变化一般用结构函数来 表示: D n( ) C n2 3 / 2; 0 L0 经验与理论公式: Cn称作l0到L0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。l0为最小非均幻旋涡的 尺寸，典型值为1-10mm、；L0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。
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.激光器 补偿措施主要有: a. 热稳定装置 b. 光束补偿 c. 主动温控加热器 d. 其他措施 隔振 材料选用 特殊设计等
2
AC
x
R( x )
L 2x 2L
L L
2 x
设: AB电阻率均匀, RAB=R
R AC R BC
( x ) 2
L
L I
I I
L 2x 2L BC BC
L
( x ) 2
R R
L
AC AC
I
L
二维PSD
c. 光电倍增管 对于弱光,常采用此法
d. 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
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. 2. 3. 4. 两自由度测量系统 四自由度测量系统 五/六自由度测量系统 测量滚转角
1）振幅/光强测量法
利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量 其基本原理:
1）振幅/光强测量法 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 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
自准直光管和准直望远镜
测量精度10um，使用白准直光管具有0.1秒级的灵敏度。缺点， 如操作不方使，存在瞄准、调焦误羌等。同时，在较长的距离 下，像质模糊，照度低。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