一种大范围高精度的光电测量装置研究

　　0　引言

　　由于重型机械,造船和航空工业等需要高精度的大尺寸测量装备,而被测对象不仅尺寸大,一般重量也很大,既要适合精度要求,又适应工业现场环境性要求,常用的测量机之类的设备远不能满足要求。

　　目前,3 m以下的尺寸的相对测量精度可以达到~,仅需要很短的导轨;200 m以上的距离测量只需要有一个合作反射目标,有很好的环境适应性,但测量精度不高。由国家自然科学基金资助,采用激光拍频原理,把3 m以下长度的检测方法以及200 m以上距离测量方法结合起来,用于研制测量0~20 m范围的高精度激光拍频测距仪系统,现已研制成功,其双频频差稳定度在室外有阵风的环境下优于1×,测量结果的不确定度好于±30μm/10 m[1-2]。

　　1　测量装置

　　1.1　大尺寸的精密测量系统的光学结构

　　如图1所示是激光拍频测距仪的光学系统原理图[3],从双频氦氖激光器1发射出的一对互相垂直的线偏振光,频率分别为f1、f2,经布儒斯特窗2取出稳频信号,进行热稳频。其余光束经分光镜3分为两束,其中反射光为双频激光干涉仪的参考信号,透射光经光扩展器4准直扩束后,再经析光镜5反射及透射,透射光经布儒斯特窗6又分为两束,其中反射光是频率为f1的双频激光干涉仪的参考光,透射光射向测量角锥镜7,该分量中包含f1、f2两个频率的光,再经透镜、偏振器产生大尺寸测量信号,为光电接收器8接收;经析光镜5反射的一对线偏振光经参考镜9反射后,被布儒斯特窗11分为两束,其中透射光包含f1、f2两个频率的光,经透镜、偏振器产生大尺寸测量的参考信号,为光电接收器12接收,而反射光的频率仅为f2,它与布儒斯特窗6的反射光在偏振分光镜13处汇合后,经透镜、偏振器产生拍频,形成双频激光干涉仪的测量信号,为光电接收器14接收。

　　1.2　测量装置工作原理

　　如图1所示,设大尺寸参考光和测量光所对应的路径长度分别为lr和lm[4-7],在忽略直流项后,雪崩管接收到的参考信号和测量信号分别经高频放大,混频处理后,得到的信号可表示为

　　从上式可以看出,当参考镜与测量镜每相对移动λ/4,S重复一次零值。因节点两侧S改变符号,灵敏度高,用此点作为大尺寸测量的对准标志,可提高拍波干涉无导轨测量的尾数测量精度。

　　其测量过程为:参考镜置于固定位置(设路径为lr处)。测量镜位于被测件的初始位置a(路径为lm1)时,移动参考镜到节点处,并由节点脉冲锁存记录其位移x1,则有

　　n1为正整数。将参考镜复位至固定位置,测量镜放至被测件的终止位置b(设路径为lm2),重复同样过程,记录出位移x2,则