CN102003935A - 一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，属于光电工程技术领域，用于激光跟踪仪在测量过程中受环境因素影响的补偿，其步骤为：(1)从激光跟踪仪内置双频激光器的出射双频激光中分光出补偿用激光；(2)将补偿用激光投射至被测件上并由角锥棱镜反射形成补偿光路；(3)在补偿光路中加入干涉元器件，使补偿光路具备双频激光干涉测距功能；(4)在补偿光路中加入分光及PSD(位置敏感探测器)元器件，使补偿光路具备PSD位移测量功能；(5)使用双频激光干涉测距数据及PSD位移测量数据对激光跟踪仪测量结果实时补偿。本发明可以解决激光跟踪仪在大尺寸、高精度在线测量中受环境因素而产生测量精度下降的问题，同时结构简单，易于实现。

Description

一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法

技术领域

本发明涉及一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，属于光电工程技术领域，主要应用于激光跟踪仪测量时环境的补偿，特别是应用于激光跟踪仪大尺寸在线测量的环境补偿。

背景技术

在大尺寸高精度工件检测中，激光跟踪仪得到了越来越广泛的应用，然而，大尺寸测量通常是在线测量，环境带来的影响(主要包括空气折射率变化和相对位移及震动)成为限制测量精度的一个重要因素，而在生产车间创造实验室测量环境条件将导致检测成本大大提升，因此激光跟踪仪测量过程中的环境补偿是一个非常重要的课题。

现有的激光跟踪仪主要利用温度、湿度、气压传感器来监测空气折射率的变化进行测量的补偿，而这种补偿方式受限于传感器的数量，因此，它很难准确反映整个测量路径上环境的变化量。并且，传统的激光跟踪仪没有采取措施对测量过程中跟踪仪相对被测件发生的相对位移进行补偿，而这些因素将最终降低测量的精度，甚至导致测量的失败。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对目前大尺寸高精度在线检测中，由于测量过程中空气折射率变化及激光跟踪仪相对被测件的相对位移造成的检测精度的下降，提供一种结构简单、成本低廉的环境补偿方法。

本发明的技术解决方案：一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，实现步骤如下：

第一步，从激光跟踪仪内置双频激光器的出射双频激光中分光出补偿用激光；

第二步，将补偿用激光投射至被测件上并由角锥棱镜反射形成补偿光路；

第三步，在补偿光路中加入干涉元器件，使补偿光路具备双频激光干涉测距功能；

第四步，在补偿光路中加入分光及PSD(位置敏感探测器)，使补偿光路具备PSD位移测量功能；

第五步，使用双频激光干涉测距数据及PSD位移测量数据对激光跟踪仪测量结果补偿。

所述的第一步中，从激光跟踪仪内置双频激光器的出射双频激光中分光出补偿用激光的方法为：在激光出射路径上加入分光镜，透过分光镜的光束为激光跟踪仪测量用激光，方向转折的光束为补偿用激光。

所述的第二步中，将补偿用激光投射至被测件上并由角锥棱镜反射形成补偿光路的方法为：

(1)加入平面反射镜，调整激光跟踪仪相对被测件姿态，并旋转平面反射镜进行光路调整实现补偿用激光投射。

(2)在确定激光投射位置后，在被测件上补偿用激光光束光斑位置处调整并固定并角锥反射镜。

所述的第三步中，在补偿光路中加入干涉元器件，使补偿光路具备双频激光干涉测距功能的方法为：

(1)在分光镜后加入干涉镜，形成光干涉；

(2)加入接收器对干涉测量光信号进行接收并转换；

(3)加入信号处理电路，利用光接收器信号与激光器信号得出位移变化量。

所述的第四步中，在补偿光路中加入分光及PSD，使补偿光路具备PSD位移测量功能的方法为：

(1)在角锥反射镜前添加分光镜，光束透过部分为双频干涉测距所用激光，光束转折部分为PSD位移测量所需激光。

(2)转折光路中加入滤光片用以过滤杂散光；

(3)在滤光片后加入二维PSD，用以进行二维位移探测。

(4)加入PSD信号处理模块对PSD测量信号处理，得出位移信号。

所述的第五步中，使用双频激光干涉测距数据及PSD位移测量数据对激光跟踪仪测量结果补偿的方法为：

(1)使用双频激光干涉测距结果l_r对激光跟踪仪距离测量结果l_t进行直接补偿，补偿后长度l_c为l_c＝l_t+l_r；

(2)使用PSD位移测量结果l_v、l_h对激光跟踪仪角度测量结果θ_t、φ_t进行补偿，其中l_v为PSD的y方向测量结果，l_h为PSD的x方向测量结果，θ_t为激光跟踪仪测量垂直角，φ_t为激光跟踪仪测量水平角，补偿后垂直角θ_c为

补偿后水平角φ_c为

本发明的原理是：激光跟踪仪为基于球坐标原理的空间坐标测量仪器，任何环境因素改变(主要包括空气折射率变化、跟踪仪相对于被测件的震动及相对位移)对测量造成的误差都将最终体现在测量长度值及测量角度值上，本发明利用激光跟踪仪自身激光器的出射激光搭建双频激光干涉位移测量光路及PSD位移探测光路，其中，双频激光干涉光路可视为激光跟踪仪长度测量的参考光路，其长度变化量即为环境因素对激光跟踪仪测距的影响量，可以对激光跟踪仪由环境因素造成的测距误差进行补偿，PSD位移探测光路可探测激光跟踪仪相对被测件的横向位移，横向位移转换成角量，从而进行激光跟踪仪测量角度的补偿。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

(1)与传统使用单站、多站温度、湿度、气压传感器监测空气折射率变化进行激光跟踪仪测距补偿相比，本发明结构更简单，在整个测量路径上连续，无间断点，其干涉测长光路测量原理与激光跟踪仪测长原理相同，因补偿光路与激光跟踪仪测量光路相近，因此能全面的补偿整个测量路径上空气折射率的变化及气流扰动对测距的影响。

(2)传统的激光跟踪仪环境补偿技术不能补偿激光跟踪仪相对被测件发生位移对测量结果的影响，而本发明的中双频激光干涉光路可以补偿纵向相对位移对测长的影响，PSD位移探测光路可以补偿横向相对位移对角度的影响。

(3)本发明提出了激光跟踪仪环境补偿的新方法，利用激光跟踪仪的激光器光源搭建补偿光路，因此大大降低了成本，且不会影响激光跟踪仪的原有性能。

附图说明

图1为本发明激光跟踪仪测量中环境补偿的方法示意图；

图2为本发明双频激光干涉光路原理图；

图3为本发明所使用PSD工作原理示意图；

图4为激光跟踪仪工作原理示意图；

图5为本发明激光跟踪仪测距误差补偿原理示意图；

图6为本发明激光跟踪仪测角误差补偿原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实现的装置包括：激光跟踪仪激光器1、分光镜2、干涉镜3、平面反射转镜4、分光镜5、角锥反射镜6、滤光片7、PSD8、光接收器9、干涉信号采集卡10、PSD信号处理模块11和微机12。

如图1所示，干涉镜3、平面反射转镜4、光接收器9、干涉信号采集卡10安装在激光跟踪仪机体内，减少外界干扰。分光镜5、角锥反射镜6、滤光片7、PSD 8组装在一个壳体内。壳体要求全封闭，以降低环境带来的噪声。

分光镜2入射面与激光跟踪仪激光器1出射激光45°角放置，干涉镜3入射面与分光镜2反射光束垂直，从而保证双频激光偏振态不发生改变。

激光跟踪仪激光器1发出的双频激光经过分光镜2分光后，反射光经过干涉镜3出射。旋转调整平面反射转镜4，使出激光光斑投射至被测件上中心位置处。

平面反射转镜4为镀有反射率90％以上的632.8nm高反膜的双面平面反射镜，平面反射转镜4转轴偏离干涉镜3出射光路5-10mm，确保转镜反射面平行于干涉镜3出射光路时激光不受阻挡。

固定壳体至被测件光束光斑处，调整壳体，使PSD 8感光面x(如图3)测量方向与补偿光束垂直，使PSD8感光面y(如图3)测量方向与补偿光束平行，同时调整角锥反射镜6的反射光束，使其到达干涉镜3，保证补偿光路干涉测长功能。

连接光接收器9至干涉镜3，光接收器9对干涉镜3的信号进行光电转换；连接干涉信号采集卡10至光接收器9及跟踪仪激光器1，干涉信号采集卡10对两路信号进行差分处理。

连接PSD8至信号处理模块11，信号处理模块对PSD8输出信号进行放大及模数转换处理。

连接干涉信号采集卡10及信号处理模块11至微机12，利用微机12对双频激光干涉光路、PSD位移探测光路进行数据采样，并进行激光跟踪仪数据补偿。

如图2所示，双频激光干涉光路工作原理为：激光器1发出互相垂直不同频率的线偏振光f₁和f₂，被干涉镜3分开，f₂在干涉镜内部反射，f₁透过干涉镜到角锥反射镜6，这时如果角锥反射镜6以速度v运动而产生位移S，则根据多普勒效应，返回光束的频率便有了变化，即变成(f₁+Δf)。该光束返回后重新通过干涉镜3并与f₂的返回光束会合，产生拍频光信号，频率(f₁+Δf)-f₂，光接收器9进行接收光信号转换为电信号，干涉信号采集卡10接收激光器1的参考信号f₁-f₂，与光接收器信号(f₁+Δf)-f₂，进行比较得出差值Δf，并转换成位移数字信号。在t时间内干涉场上光强亮暗变化的次数为N，λ为激光器标定的标准状态下波长，则：

移动的距离为

如图3所示，PSD位移探测光路工作原理为：PSD8包含一个二维的感光面，激光入射在感光面上将产生光电流，光电流的大小与激光光斑在感光面位置有关：

$X_{\mathrm{position}}=\frac{L}{2}*\frac{X_1-X_2}{X_1+X_2},$ $Y_{\mathrm{position}}=\frac{L}{2}*\frac{Y_1-Y_2}{Y_1+Y_2}$

其中X_position，Y_position分别为激光光斑在感光面上X，Y方向的位置，L为感光面有效长度，X₁、X₂为PSD8x向输出电流，Y₁、Y₂为PSD8y向输出电流。输出电流经过PSD信号处理模块11，得出二维光斑位移的数字信号。

干涉信号采集卡10及PSD信号处理模块11连接至微机12，利用激光跟踪仪的测量触发信号对PSD位移测量系统及双频激光位移测量系统进行触发和测量数据同步采集。

如图4所示，激光跟踪仪工作原理为：激光跟踪仪是基于球坐标测量原理的点坐标测量仪器。测量点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角φ_t和垂直角θ_t，以及反射器到跟踪头的距离l_t计算出来的。计算公式为：

补偿方法的主要思想为使测量发生时环境条件的改变对l_t，θ_t，φ_t产生的影响降到最低。

如图5所示，由空间折射率变化以及激光跟踪仪相对被测件纵向位移产生的误差即为双频激光干涉测距结果l_r，对激光跟踪仪测量结果进行直接修正，补偿后长度l_c为l_c＝l_t+l_r，其中l_t为激光跟踪仪距离测量结果，l_r为双频激光干涉测距结果.

如图6所示，激光跟踪仪相对被测件横向相对位移将体现在补偿光束光斑在PSD8感光面位置的变化，对PSD位移探测光路得到的数据(即横向相对位移)l_v、l_h(其中l_v为PSD探测器y方向测量结果，l_h为PSD探测器x方向测量结果)进行角度变换：

使用变化后的角度θ_r、φ_r对激光跟踪仪测量水平角φ_t，垂直角θ_t进行补偿：

补偿后的数据即为最终的测量数据。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步，从激光跟踪仪内置双频激光器的出射双频激光中分光出补偿用激光；

第二步，将补偿用激光投射至被测件上并由角锥棱镜反射形成补偿光路；

第三步，在补偿光路中加入干涉元器件，使补偿光路具备双频激光干涉测距功能；

第四步，在补偿光路中加入分光器件及位置敏感探测器(PSD)，使补偿光路具备PSD位移测量功能；

第五步，使用双频激光干涉测距数据及PSD位移测量数据对激光跟踪仪测量结果补偿。

2.根据权利要求1所述的激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，其特征在于：所述第一步中，从激光跟踪仪内置双频激光器的出射双频激光中分光出补偿用激光的方法为：在激光出射路径上加入分光镜，透过分光镜的光束为激光跟踪仪测量用激光，方向转折的光束为补偿用激光。

3.根据权利要求1所述的激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，其特征在于：所述的第二步中，将补偿用激光投射至被测件上并由角锥棱镜反射形成补偿光路的方法为：

(1)加入平面反射镜，调整激光跟踪仪相对被测件姿态，并旋转平面反射镜进行光路调整实现补偿用激光投射。

(2)在确定激光投射位置后，在被测件上补偿用激光光束光斑位置处调整并固定并角锥反射镜。

4.根据权利要求1所述的激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，其特征在于：所述的第三步中，在补偿光路中加入干涉元器件，使补偿光路具备双频激光干涉测距功能的方法为：

(1)在分光镜后加入干涉镜，形成光干涉；

(2)加入接收器对干涉测量光信号进行接收并转换；

(3)加入信号处理电路，利用光接收器信号与激光器信号得出位移变化量。

5.根据权利要求1所述的激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，其特征在于：所述的第四步中，在补偿光路中加入分光及PSD，使补偿光路具备PSD位移测量功能的方法为：

(1)在角锥反射镜前添加分光镜，光束透过部分为双频干涉测距所用激光，光束转折部分为PSD位移测量所需激光。

(2)转折光路中加入滤光片用以过滤杂散光；

(3)在滤光片后加入二维PSD，用以进行二维位移探测。

(4)加入PSD信号处理模块对PSD测量信号处理，得出位移信号。

6.根据权利要求1所述的激光跟踪仪测量中环境补偿的方法，其特征在于：所述的第五步中，使用双频激光干涉测距数据及PSD位移测量数据对激光跟踪仪测量结果补偿的方法为：

(1)使用双频激光干涉测距结果l_r对激光跟踪仪距离测量结果l_t进行直接补偿，补偿后长度l_c为l_c＝l_t+l_r；

(2)使用PSD位移测量结果l_v、l_h对激光跟踪仪角度测量结果θ_t、φ_t进行补偿，其中l_v为PSD的y方向位移测量结果，l_h为PSD的x方向位移测量结果，θ_t为激光跟踪仪测量垂直角，φ_t为激光跟踪仪测量水平角，补偿后垂直角θ_c为

补偿后水平角φ_c为

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