大尺度二维直线度测量仪的研制

　　引 言

　　激光准直法测量二维直线度时，通常以点光源作直线基准，以二维位置敏感器件(PSD)或面阵CCD来跟踪光线的能量中心完成测量;或在成像系统中插入分光棱镜和柱面镜将光点整形成两一字线形，分别由线阵位置敏感器件(PSD)或线阵CCD来跟踪一字线形光线的能量中心完成测量。在一定的测量距离和测量范围内，这种测量方法能很好的满足测量要求，但在长距离、大范围二维直线度连续测量时，难以同时满足大尺度、高精度测量的要求。本文中我们以十字线激光作直线基准，以两个线阵CCD相组合进行测量的方式研制了大尺度二维直线度测量仪，它在0-20m范围内可进行连续测量，测量范围为0-70mm，测量精度可达到0.1mm，能够很好的满足实际工作的需要。

　　1 测量方案设计

　　利用球面镜与柱面镜的组合特性，我们设计了出射光束为正交的十字型光线的半导体激光器作为准直光源。通过内部分光系统对光线的整形和准直，半导体激光器发出的十字光线在0-20m 的连续范围内，线宽基本保持5mm，在整个行程内变化缓慢，保证了直线基准在不同距离处的一致性。为了满足大尺度范围内连续测量的需要，我们设计了如图1所示的特殊光学系统结构。在物平面内偏离光学成像系统光轴中心处，开有仅对激光波长透射率很高的光学材料做成的水平和竖直两个交错放置的狭缝窗，成像系统将落在水平和竖直狭缝上的激光光线分别成像在两互相正交放置的线阵CCD感光面上，后续处理电路对两路CCD输出的电荷数据进行分析，以落在狭缝上的光线的能量中心为直线基准进行计算，从而完成二维直线度的测量。因为设计仪器直线度测量范围为0-70mm，线阵CCD的有效感光尺寸为30.24mm，光敏单元的大小为14µm，综合考虑测量范围、测量精度和测量分辨力等要求，将成像系统的放大倍率k设定为0.4，XOY平面上狭缝宽度设计为4mm，这样CCD的有效理论测量范围为75.6mm。

　　在此光学系统结构中，最终成像在两路CCD上的光线均避开了十字光线的能量中心，可在0-20m范围内进行连续测量而不使CCD感光饱和，同时，交错放置的狭缝也最大限度的避免了外界环境光对测量结果的影响。

　　2 数据处理单元设计

　　为保证光电测量元件CCD正常工作并对测量输出的信号进行正确处理，设计了如图2所示的时序控制和数据处理电路。整个处理电路以一片 AT89C51为核心来完成测量控制、数据传送及最终数据的分析计算。时序驱动电路产生CCD正常工作时所需的特定时序并控制A/D转换。利用差分放大来平滑CCD的信号并消除共模复位脉冲引起的干扰。放大后的CCD单帧输出信号经A/D存入帧存储器，单片机将数据读写到RAM并进行分析计算，结果可送显示单元或传送到高端数据处理器进行数据拟合处理。