一种同时测量平行偏差、倾斜偏差的方法

　　0 引言

　　同轴度测量技术也称轴对中技术,主要用于测量大型旋转机械两联结轴轴线的平行偏差(平偏)和倾斜偏差(角偏)。在机械加工、电力、石化、航空等行业的众多设备上都离不开使用旋转机械,这些机械轴系是否对中对设备正常运行有着至关重要的影响1因此在设备安装、日常维护和维修中都要进行同轴度测量[1-3]。

　　在同轴度的测量中,首先必须建立起测量基准。自激光问世以来,由于其方向性好,能量集中,一直被认为是同轴度测量,尤其是长距离同轴度测量的理想基准。由于激光器本身存在着温度漂移[4],同时激光束还要受到光线弯曲、大气抖动的影响,激光束的准直准确度受到了很大的影响。为提高准直准确度、克服上述影响,人们做了大量的工作,并提出了很多有效的方案,如零级衍射同心圆法、不对称位相板法、海定格非定位干涉条纹法、激光光纤准直法等[5-8]。然而,对于测量中的另一重要组成部分)光斑接收器)的功能和准确度问题,却并未引起足够的重视。现有的接受器还只是利用四象限管、PSD等光电传感器来接收激光光斑,再通过后续处理来获得光斑的平偏量。

　　本文提出了一种仅由接收物镜和CCD构成的光斑接收器。通过改变接收物镜和CCD的轴向间距来形成两套光路,可以同时精确的测量平偏量和角偏量。

　　1 测量原理

　　系统利用几何光学原理进行测量:激光发射器发出一束准平行细光束,接收器的接收物镜对这束光进行偏折,并通过CCD采集光斑,再进行相应的图像处理。其中通过改变CCD和接收物镜的间距,以采集两幅光斑图像,并通过计算得到角偏量A和平偏量L。

　　实际测量的角偏量和平偏量都是二维空间矢量,如图1。系统中实际是通过移动接收物镜的位置来实现接收物镜和CCD间轴向相对距离的改变,然而接收物镜相对于CCD在轴向的移动,同样可以理解为CCD相对于接收物镜在轴向相反方向的移动。为了后续推理的方便,采用了后一种表示方式。二维矢量可分解为两个一维偏差矢量。其中一维如图2,为光学系统的一个子午面(即图1中X0O0Z面,X1、X2也在这个面内),图中的光束为空间光束在此面的投影。通过如下所述的方法,可以得到光束在X0方向的一维平偏矢量L,角偏矢量A;另一维为垂直于该子午面的另一子午面(即图1中Y0O0Z面, Y1、Y2也在这个面内)。光束在二维空间的偏差矢量直接通过两个分量表示。下面先描述一维矢量的测量原理。

　　1.1 角度测量

　　测量角度时,CCD感光面位于接收物镜后焦面(即图2中位置1),此时光斑在CCD感光面上的位置由基准光束与接收物镜主光轴夹角决定,而与位置偏移量无关[9]1这个夹角由式(1)得出