激光平面度仪的研究

　　0 引言

　　中国科学院光电技术研究所大型零件平面度检测方法有电子水平仪-跨桥法、三点支承法(主要用于圆环形平面)和三坐标测量法。前两种方法均只能检测连续平面，不能用于非连续平面(带孔、有槽、中间有凸台、中间间断、异形平面)检测。三坐标测量法是非连续平面平面度测量的最佳方法，而在中国科学院光电技术研究所研制的大型设备中，其大型工件远远超出了三坐标的测量范围。而目前我所对大型工件(尤其是对非连续平面)的需求不断增加，因此开展了大平面、圆环和非连续平面的平面度测量方法研究，并研制了一种新型的测量装置即激光平面度仪。该仪器可解决大平面、圆环和非连续平面平面度测量难题。

　　1 工作原理

　　激光平面度仪是光电所最近研制的大型零件平面度误差在位检测装置，其原理如图1所示，激光器发出的光经反射镜反射后沿转台转轴方向射向五棱镜，经五棱镜折转后水平射出，由于五棱镜出射光始终与入射光垂直，所以旋转转台出射光形成的平面可以作为基准平面，在被测平面上放置位置探测器(PSD)便可测量出被测点相对于激光光束基准平面的高度差，经数据处理后便可得出被检面平面度误差[1-3]。

　　PSD位置测量原理图如图2所示。

　　光斑在PSD光敏面向上移动时，I1增加，I2减少，I1+I2不变;反之，I1减少，I2增加，I1+I2亦不变;在另一个方向同样如此[4]。其电流与位移关系如下式：

　　式中：I1、I2、I3、I4为PSD光敏表面受光照射后的输出电流;K为比例系数。PSD光敏面受激光照射后，产生模拟信号经过两级放大后，进入采集卡进行A/D转换。最后进入微机进行数据处理。运用两级放大是为了在激光平面度仪进行调平和检测时有两个档：精调和粗调[5-6]。

　　2 测量不确定度分析

　　激光入射光束与出射光束位置关系(见图1)。

　　①转台角晃动：出射光方向在入射光线垂直面上作椭圆旋转;

　　②转台轴向、径向位移：出射光上下移动;

　　③入射光光束与转台转轴不平行：出射光始终与入射光成90°;

　　④激光光束偏心(相对于转台转轴)：出射光方向不变，上下移动。

　　下面以测量φ2.5m止推环的平面度为例，进行不确定度分析：

　　2.1 转台角晃动引起的不确定度分量u1

　　转台角晃对光束的影响示意图如图3所示，根据对五角棱镜的光路分析可知，转台绕X轴晃动，出射光线只是绕Z轴水平旋转和水平移动，对测量影响很小，可忽略;绕 Y 轴的角晃对五角棱镜的出射光线在Z轴向上下移动，实验测得转台的角晃为：θ=2.0″(PV值)，依据经验假设该值以等概率落在区间内，即均匀分布。五棱镜的口径为：d=20mm。