CN206803947U - 高精度激光位移测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于光束漂移补偿的直线度误差同时测量的高精度激光位移测量仪器用以解决现有导轨直线度高精度同时测量方法测量精度低、测量范围小，抗干扰能力差等问题。包括激光器、角锥棱镜、分束器、聚焦透镜、位置敏感探测器、四象限探测器、信号处理电路、二维角度调节台、二维平移台。采用角锥棱镜为光学敏感器件，通过四象限探测器和位置敏感探测器接收和测量分束后的透射光的信息，实现直线度误差、光漂补偿的测量。利用激光准直测量原理，并且实现了误差分离，增强了抗干扰能力，使用光学器件少，光源功率低，成本低廉；光学结构简单，操作方便，移动部分可不带电缆，便于现场测量；测角分辨率较高。

Description

高精度激光位移测量仪

技术领域

本实用新型属于光电检测技术领域，涉及一种结构简单紧凑、高精度激光位移测量仪器。

背景技术

机械导轨运动副都包括两个线性误差：垂直于轴向的两个直线度误差。在高精密机械制造、加工、检测等领域，修正几何及运动误差提高直线运动系统精度至关重要，因此，六自由度误差的高精度测量方法与技术研究一直是一个重要课题，而二维直线度是六自由度误差中测量的两个重要参数。

目前现有的直线度高精度激光同时测量主要有：

1.激光准直测量方法，最典型的是平行双光束法，基于激光准直特性，通过探测两束平行激光准直光束的光斑位置变化，如现有的激光自准直仪，中国专利201610787156.8、201620391543.5、200930101203.X等，此类方法结构简单，易于多参数同时测量集成，但双光束的平行调节困难，以及美国专利号：US6049377[P].2000.]、美国专利号：US5798828.1998.]，该系统测量精度高，系统移动单元带电缆连接，不适于现场的高速和长距离测量，并且造价昂贵，不方便高速数控机床的动态测量。

2.衍射测量法，基于平面衍射光栅的五自由度同时测量方法[Miller J M，BartonR O.Multi-axis alignment apparatus.美国专利号：4804270.1989]该方法测量精度较低，移动固定单元连接电缆，限制了测量的方便性。基于全息透镜的五自由度同时测量法[JBergin M T，Bartolotta C S.Multi-axis optical alignment system including Aspatial filter，美国专利号：3701602 1972].该方法简单、元件少、成本低。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提出一种光学结构简单紧凑，便于实际操作，精度、稳定性及经济性均能兼顾的高精度激光位移测量仪。

本实用新型所采用的技术方案是：这一种高精度激光位移测量仪包括固定单元和移动单元，移动单元固定在测试平台上；所述移动单元包括二维平移台、靶镜，靶镜固定在二维平移台沿上，然后再固定导轨移动的测量平台上；所述固定单元包括由激光器、分束器、四象限探测器、位置敏感探测器、聚焦透镜、信号处理电路的测量装置主体和二维角度调节台，并且测量装置主体安装在二维角度调节台上；分束器和聚焦透镜依次设置在靶镜的透射光束的光线上，位置敏感探测器设置在聚焦透镜的焦平面上，四象限探测器设置在分束器的光路上；所述位置敏感探测器、四象限探测器均与信号处理电路相连接，信号处理电路与处理终端相连接；所述激光器为He-Ne激光器或半导体激光器的激光器；所述的靶镜为角锥棱镜；所述的二维平移台为可以水平方向和垂直方向精密平移手动调节的装置；所述的二维角度调节台为可以水平方向和垂直方向精密角度手动调节的装置；所述的位置敏感探测器是位置敏感器件或者CCD光电接收器件。

本实用新型采用一个角锥棱镜为敏感器件，利用激光准直测量原理，并且实现了误差分离，增强了抗干扰能力；使用了位置敏感探测器，实现了光漂补偿；使用光学器件少，光源功率低，成本低廉；光学结构简单紧凑，操作方便，移动部分可不带电缆，便于现场测量；测角分辨率高。

附图说明

图1：高精度激光位移测量仪的原理示意图。

图2：本实用新型图1的系统结构示意图。

图中：1为激光器，2为靶镜，3为分束器，4为聚焦透镜，5为位置敏感探测器，6为四象限探测器，7为信号处理电路，8为计算机，9为二维角度调节台，10为二维平移台，101为固定单元，102为移动单元。

具体实施方式

下面结合附图对进一步阐述本实用新型做进一步描述。

本实用新型所述的高精度激光位移测量仪实现位移测量的方法，包括以下步骤：

步骤一：激光器1发出激光，光束入射到位于待测试平台上的靶镜2的透射面上；

步骤二：经靶镜2返回的透射光经分束器3分束，分束后的垂直光到达四象限探测器6。此时仪器进入测试状态，通过调节固定单元101中二维角度调节台9，再加上移动单元102中二维平移台10的配合，先实现待测导轨平台轴线和光束轴线准直。当待测导轨平台移动发生直线度误差时，透射光束在四象限探测器6上的光斑位置发生变化，四象限探测器6输出的光电信号经过信号处理电路7后，送入处理计算机8获得包含激光光线漂移的待测直线度误差值。

步骤三：透射光束到达位于聚焦透镜4焦平面的位置敏感探测器5并进行接收处理，运算后得到角度光漂量，然后在原各误差测量值基础上减去角度光漂量所引起的测量误差，得到高精度的误差测量值，进而实现光漂补偿。

最后上述的直线度误差、环境引起的光漂移变化量均经通过信号处理电路7输入计算机8便可得到数值大小。

如图1、2所示，一种高精度激光位移测量仪其特征在于：包括固定单元101和移动单元102，移动单元102固定在测试平台上；所述移动单元包括二维平移台10、靶镜2，靶镜固定在二维平移台10沿上，然后再固定导轨移动的测量平台上；所述固定单元包括由激光器1、分束器3、四象限探测器6、位置敏感探测器5、聚焦透镜4、信号处理电路7的测量装置主体和二维角度调节台9，并且测量装置主体安装在二维角度调节台9上；分束器3和聚焦透镜4依次设置在靶镜2的透射光束的光线上，位置敏感探测器5设置在聚焦透镜4的焦平面上，四象限探测器6设置在分束器3的垂直光路上；所述位置敏感探测器5、四象限探测器6均与信号处理电路7相连接，信号处理电路7与处理计算机8相连接并处理分析。

Claims (5)

1.一种高精度激光位移测量仪，其特征在于：包括固定单元(101)和移动单元(102)，移动单元(102)固定在测试平台上；所述移动单元包括二维平移台(10)、靶镜(2)，靶镜固定在二维平移台(10)沿上，然后再固定导轨移动的测量平台上；所述固定单元包括由激光器(1)、分束器(3)、四象限探测器(6)、位置敏感探测器(5)、聚焦透镜(4)、信号处理电路(7)的测量装置主体和二维角度调节台(9)，并且测量装置主体安装在二维角度调节台(9)上；分束器(3)和聚焦透镜(4)依次设置在靶镜(2)的透射光束的光线上，位置敏感探测器(5)设置在聚焦透镜(4)的焦平面上，四象限探测器(6)设置在分束器(3)的垂直光路上；所述位置敏感探测器(5)、四象限探测器(6)均与信号处理电路(7)相连接，信号处理电路(7)与处理计算机(8)相连接并处理分析。

2.根据权利要求1所述的高精度激光位移测量仪，其特征在于，所述激光器(1)为He-Ne激光器或半导体激光器的激光器。

3.根据权利要求1所述的高精度激光位移测量仪，其特征在于，所述靶镜(2)为角锥棱镜。

4.根据权利要求1所述的高精度激光位移测量仪，其特征在于，所述的二维平移台(10)为可以水平方向和垂直方向精密平移手动调节的装置。

5.根据权利要求1所述的高精度激光位移测量仪，其特征在于，所述的二维角度调节台(9)为可以水平方向和垂直方向精密角度手动调节的装置。