CN102192716A - 转台动态指标的激光干涉检测法及检测系统 - Google Patents

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Abstract

转台动态指标的激光干涉检测法，其采用激光干涉的原理对转台在角度摆动或角振动时的角度位置连续变化进行实时动态的采集和测量；在激光器和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光束被角度干涉镜中的分光镜一分为二，一部分光束直接通过干涉镜，并从具有角度摆动的角度反射镜的一半反射回激光器，另一条光束通过角度干涉镜的角度分光镜，传到角度反射镜的另一半，角度反射镜使光束通过干涉镜返回到激光器，两条测量光束之间形成光程差；光程差的变化由激光器中的光栅计数器进行计数，再经计算机处理转换成角度动态测量值或者动态角度误差。本发明检测精度高、检测的采样率高、完全能够符合量值传递要求，并且可溯源至国家基准。本发明就是使用主要用于检测数控机床和三坐标测量机的激光干涉仪，对转台动态性能指标进行检测。

Description

转台动态指标的激光干涉检测法及检测系统
技术领域
本发明涉及到对转台动态指标进行检测所用激光干涉检测方法及检测系统，该技术属于惯性技术试验设备的检测和校准领域，可广泛应用于单轴、双轴和三轴动态试验转台的检测和校准。
背景技术
试验转台工作在角振动状态时，由于其角位移—时间是一个动态变化的曲线，捕捉和测量这一变化需要高采样率和高精度的传感器或仪器。目前不论在国内还是在国外的惯性技术测试领域，对转台相关动态指标的检测都是一个难点，因此还没有统一的检测标准和方法，而且各转台研制单位现行使用的转台自检测的方法均不能满足量值传递和溯源的要求。在惯性技术试验设备中，试验转台的角振动(摆动)功能是转台最重要的动态测试功能，因此，对角振动指标的检测是衡量转台动态性能的重要依据。试验转台的主要动态指标(以最常用的正弦振动为例)：峰值角加速度误差、振动频率误差、振动幅度误差、振动波形失真度、振动中心稳定性。
通常的惯性技术试验转台在检测其峰值角加速度误差、振动幅度误差、振动中心稳定性、最大振幅等时，都是利用转台自身的感应同步器(或圆光栅)做测角元件，以在单位时间所采集的角位置变化信号为依据，通过计算机对采集的数据进行分析、计算和实时处理，评价出转台峰值角加速度误差、振动频率误差、振动幅度误差等。该方法采样点数见表1、采样周期见表2。
该方法由于是采用转台自有的感应同步器(或圆光栅)做测角元件，因此不具有可溯源性。另外，由于目前主流转台的角位置精度都在±3.6″左右，如果转台工作在上百赫兹的振动频率(例如：100～200Hz)，因受最大角加速度限制，此时的振动角度幅值非常小，如果转台的振幅误差、角加速度误差指标为±2％左右，此时±3.6″的角位置精度是不能满足量值传递对标准器不确定度1/3(军品要求1/4～1/10)要求的。椐了解国内、外现行转台动态指标的检测方法基本都与此相似或相同。
由于传统的转台自检方法不符合量值传递及溯源的要求，因此，需使用被测转台以外能够满足量值传递要求，并且可溯源的高精度标准器对转台动态指标进行检测，但被选标准仪器需具备三个最基本条件：一是要满足在所测量程范围内的高精度动态测角功能；二是采样频率必须满足最新型动态转台(高频角振动台)高频、宽带的动态测试要求；三是要具备一定的数据统计和分析功能。
发明内容
本发明目的是提供一种转台动态指标的激光干涉检测法及检测系统，以解决现有转台相关动态指标检测的难题。
转台动态指标的激光干涉检测法，其在激光器和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光束被角度干涉镜中的分光镜一分为二，一部分光束直接通过干涉镜，并从具有角度摆动的角度反射镜的一半反射回激光器，另一条光束通过角度干涉镜的角度分光镜，传到角度反射镜的另一半，角度反射镜使光束通过干涉镜返回到激光器，两条测量光束之间形成光程差；光程差的变化由激光器中的光栅计数器进行计数，再经计算机处理转换成角度测量值或者角度误差。
转台动态指标的激光干涉检测系统，其包括提供光源的激光干涉仪，和具有角度摆动的角度反射镜，且在激光干涉仪和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光干涉仪上连接有计算机，该计算机将测量光束之间形成光程差处理转换成角度测量值或者角度误差。
本发明一种用于转台动态指标检测的激光干涉检测法和检测系统，使用主要用于检测数控机床和三坐标测量机的激光干涉仪及干涉镜和角度镜，对转台动态性能指标进行检测，实践证明，该方法检测精度高、检测的采样率高、完全能够符合量值传递要求，并且可溯源至国家基准。本发明就是使用主要用于检测数控机床和三坐标测量机的激光干涉仪，对转台动态性能指标进行检测。
本发明有益效果：使用激光干涉法和检测系统，检测转台的动态指标，完全解决了转台以往使用自检程序时存在的量值传递和溯源不符合要求的关键问题，特别是由于激光干涉仪高采样率的特性，使得最新型的高频角振动台(高达100Hz～200Hz振动频率)不能检测的问题得到解决。
另外，激光干涉仪在动态检测时的采样率很高，最高达到了5KHz(XL-80干涉仪可达50KHz)，采样点多、密集。例如：当采样速率为5KHz，采样时间为40.957S时，采样点高达204788个，远远大于表1的要求，并且采样率可从10Hz～5KHz分段设置，采样时间也可设置(采样率高时最大采样时间缩短，反之延长)。
附图说明
图1为本发明原理示意图。
图2外围1.5°/20Hz位移-时间测量图。
图3为1.5°/20Hz角振动的加速度-时间测量图，横轴为时间，竖轴为角加速度。
图4为15°/2Hz角振动的位移-时间测量图。
图5为5°/1Hz时QuickView软件分析图。
具体实施方式
转台动态指标的激光干涉检测法，其采用激光干涉的原理对转台在角度摆动或角振动时的角度位置连续变化进行实时动态的采集和测量；在激光器和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光束被角度干涉镜中的分光镜一分为二，一部分光束直接通过干涉镜，并从具有角度摆动的角度反射镜的一半反射回激光器，另一条光束通过角度干涉镜的角度分光镜，传到角度反射镜的另一半，角度反射镜使光束通过干涉镜返回到激光器，两条测量光束之间形成光程差；光程差的变化由激光器中的光栅计数器进行计数，再经计算机处理转换成角度动态测量值或者动态角度误差。
如图1所示的转台动态指标的激光干涉检测系统，其包括提供光源的激光干涉仪，和具有角度摆动的角度反射镜；在激光干涉仪和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光干涉仪上连接有计算机，且该计算机将测量光束之间形成的光程差变化进行动态采集和计数，再处理转换成角度动态参数的测量值或者动态角度误差。
1.激光干涉仪小角度测量指标分析
激光干涉仪是用于数控机床、三坐标测量机、测长机等进行线性误差检测和补偿的最重要设备，其小角度功能通常是在自动控制多齿台配合下用于检测数控机床转台分度精度的，经过分析和实践，在同时使用小角度测量和动态测量时能够满足转台动态指标检测。
下面以英国雷尼绍ML10 Gold激光干涉仪检测转台动态指标为例加以说明。
ML10 Gold小角度测量时的指标如下：
小角度测量精度：±0.6％±0.5±0.1Mμm/m
(M为光学镜移动距离，单位米)
小角度测量分辨率：0.01″
小角度测量范围：±10°
动态采集速率：10Hz～5KHz可设置。
动态测量需使用的功能包括：角度测量、角度测量动态分析功能(软件)、角度测量快速傅立叶分析(软件)等。
表3.使用QuickView软件时的角度测量精度
Figure BSA00000380661900051
通常高精度动态转台的振幅误差、角加速度误差指标为±2％～±6％，ML10激光干涉仪摆动(角振动)测量的幅值和角加速度精度均为±0.6％(小数忽略)，完全能够满足量值传递1/3精度的要求，ML10的动态采集速率(采样率)高达5KHz，采样点可达到204788个，且ML10激光干涉仪是以激光波长做为测量标准，因此具有国际认可的长度基准溯源能力。测量原理完全符合量值传递及溯源的要求。
2.激光干涉仪的角度动态测量原理
激光干涉仪分为单频干涉仪和双频干涉仪，无论哪种干涉仪其基本功能都是直线位移(光程)的测量，在进行角度测量时使角度反射镜组件相对于角度干涉镜组件有一定的角度旋转，这将导致两条测量光束之间形成光程差。光程差的这种变化由激光器中的光栅计数器进行计数(线位移)，再经计算机软件处理这样就转换成角度测量值或者角度误差。以ML10测角为例，角度干涉镜放在激光头和角度反射镜之间的光路中，带有两个光学镜面的角度干涉镜的一面必须面对激光头的反方向，朝向反射镜。如图一所示，激光束被角度干涉镜中的分光镜一分为二，一部分光束(A1)直接通过干涉镜，并从角度反射镜的某一半反射回激光头。另一条光束(A2)通过角度干涉镜的角度分光镜，传到角度反射镜的另一半，角度反射镜使光束通过干涉镜返回到激光头。通过比较光束A1和A2之间的光程差获取角度测量值，因为环境变化对两条测量光束的影响相同，所以不必进行环境补偿。
测量转台动态指标时，不能使用数控机床检测时配用的自动控制多齿台，只需使用干涉仪与干涉镜和反射镜配合使用。
3.使用激光干涉仪动态测量软件分析测量转台动态指标
使用ML10动态测量功能时，需选择适用的功能和干涉镜、反射镜组，测量时由激光干涉仪中的光栅计数器动态实时捕捉并存储被测点的位置，再经计算机软件分析相关幅频特性等曲线。在转台动态指标测量时，必须正确地选择角度干涉镜和角度反射镜组并将动态测量功能选择在角度测量状态。
ML10的动态测量分析功能可分别进行线性测量和角摆(角振动)测量。图二为1.5°/20Hz实际测量位移-时间图，在采集完成后选择“显示各测量值”，通过鼠标移动可选择查看和记录测量曲线上任意点的相应参数，图中黑色书竖线对应上方小窗口参数值，横轴为时间，竖轴为振幅(位移)。
图3为1.5°/20Hz角振动的加速度-时间测量图，横轴为时间，竖轴为角加速度。
图4为15°/2Hz角振动的位移-时间测量图，从图中可以看出虽然ML10的小角度测量范围标称为±10°，实际测量中如果光路调整状态较好时测量范围可以轻易超过±15°。动态测量软件的角度傅立叶分析功能(Flat窗、Parzen窗、Welch窗、Hanning窗)可用于转台研制过程的控制系统特性分析。
图5为5°/1Hz时QuickView软件分析图。
4.使用激光干涉仪的示波器软件分析转台动态指标
雷尼绍ML10 Gold激光干涉仪
软件中有一个QuickView软件包，该软件包是一个模拟示波器功能的动态测量软件包，能够实时采集、查看和保存来自ML10激光系统的动态数据，并能够以示波器的方式实时显示和存储来自ML10激光系统的连续数据“流”，从而可对运动和定位特性进行分析，该软件可将采集和显示的大量数据保存或导入其他软件包(如Excel)中，这样可按国军标要求的数据处理方法对公式进行编程，可实现采集数据的自动计算和处理——即可进行与本机测试类似的自动测试程序，与以往自检方法不同的是使用了外部的可溯源标准仪器而非转台自检程序。图五为使用QuickView软件实际测试的5°/1Hz正弦振动波形，该波形存储为Excel文件时的实测存储(或输出)为25043个数据。

Claims (2)

1.转台动态指标的激光干涉检测法，其特征是采用激光干涉的原理对转台在角度摆动或角振动时的角度位置连续变化进行实时动态的采集和测量；在激光器和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光束被角度干涉镜中的分光镜一分为二，一部分光束直接通过干涉镜，并从具有角度摆动的角度反射镜的一半反射回激光器，另一条光束通过角度干涉镜的角度分光镜，传到角度反射镜的另一半，角度反射镜使光束通过干涉镜返回到激光器，两条测量光束之间形成光程差；光程差的变化由激光器中的光栅计数器进行计数，再经计算机处理转换成角度动态测量值或者动态角度误差。
2.转台动态指标的激光干涉检测系统，其特征是包括提供光源的激光干涉仪，和具有角度摆动的角度反射镜；在激光干涉仪和角度反射镜之间的光路中放置角度干涉镜，激光干涉仪上连接有计算机，且该计算机将测量光束之间形成的光程差变化进行动态采集和计数，再处理转换成角度动态参数的测量值或者动态角度误差。
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