中长距离直线度测量中的激光标尺

　　1 引言

　　直线度误差测量是几何量测量中的基本项目, 也是工程测量项目中的一种。在精密机械制造业、大型建筑安装、高速轨道铺设、大坝变形检测、大型航空航天器制造等许多领域都有着重要的应用[1,2]。无衍射光束的光轴比扩束后的激光束稳定, 适于作长、中或短距离连续空间直线度误差/同轴度误差测量的直线基准[3～6]。我们在研究长、中或短距离连续空间直线度误差/同轴度误差的测量中, 需要开发无衍射光束直线基准方向, 即长度方向(Z坐标)的定位标尺。

　　我们开发的激光标尺, 利用了相位式激光测距原理,结合直线度测量中的光路系统实现对直线度误差探测器的精确定位, 解决了现有的中、长距离直线度误差测量时长度方向定位的难题。

　　2 激光标尺的定位原理

　　相位法激光测距是将激光的光强进行调制, 利用被目标反射的调制光与参考光之间光强的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量, 由于采用调制和差频测相等技术, 具有测量精度高的优点, 广泛用于需要精密测距的领域。

　　测量直线度时, 当激光标尺发射的调制激光照射到装在直线度误差探测器上的反射镜, 如果探测器接收到回波信号, 就可以测出长度方向(Z坐标)的距离, 同时直线度误差探测器测得被测表面对无衍射光束直线基准的偏移量。测得被测表面的所有测量点的长度方向(Z坐标)距离及对应的偏移量, 即可求得被测表面的直线度误差。由于装在直线度误差探测器上的反射镜的镜面垂直于长度方向(Z坐标), 为了保证激光标尺的探测器接收到回波信号, 必须限制直线度误差探测器与长度方向(Z坐标)的垂直度, 这也保证了直线度误差探测器测量偏移量的余弦误差小。下面详细介绍长度方向(Z坐标)距离的测量原理。

　　激光光强被调制成频率为f的余弦调幅波, 相应的调幅波波长为lλ, 该调幅波经被测目标反射后经光电探测器接收, 反射波和发射波之间有个相位差θ。这个相位差便包含了距离信息。由公式可得被测距离L=θlλ/4π。其中,lλ=c/f 为设计激光调幅波长, c为光速。由于相应计算范围限制在2π内, 则测量范围为激光往返单程距离, 可测量距离小于lλ/2。而测量误差与测量范围成正比, 激光调制频率低, 则调幅波长lλ大, 测量误差也大。取Ls=lλ/2, 称为“光尺”。我们选择多种“光尺”去测同一距离, 再把不同尺度测得的数据结合起来, 就可以解决大量程和高精度的矛盾。例如1000m, 100m, 10m,频率分别为150kHz, 1.5MHz, 15MHz, 其中最长的测尺决定了测距的量程, 最短的测尺决定了测距的精度。本系统采用2个频率,10MHz和1MHz, 能够在150m内进行精确测量。