CN108871278B - 一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法，该水平仪包括光路结构和双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，所述光路结构由激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、反射液体、聚焦透镜、第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器组成，所述激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、和反射液体从上到下依次设置，所述第一位置敏感探测器设置于分光镜一侧，分光镜另一侧依次设有聚焦透镜和第二位置敏感探测器；该水平仪基于激光自准直、激光扩束与液体表面反射原理搭建，可实现大范围、高分辨力、快速地机床水平轴滚转角、俯仰角测量，同时具有结构简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，特别是一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法。
背景技术
数控机床的加工精度是衡量机床性能高低的主要指标之一。随着机械制造业对零件精度要求持续不断的提高，“如何提高数控机床的加工精度”受到各国专家学者的普遍关注。影响机床加工精度的误差包括几何误差、受力变形、热变形、刀具磨损、切削力等误差，其中几何误差与热误差占45％～65％，因此减小几何误差与热误差是提高机床精度的关键。
误差补偿法通过测量原始误差，通过机床误差模型算法解算出补偿量来削减原始误差，相比于误差防治法，更加经济有效，已逐渐成为高端制造业精密制造方向的重要技术分支之一。常见的数控机床为三轴机床，包括21项几何误差，分别是各轴对应的六自由度误差以及每两轴之间的正交误差。实现这些误差的精准测量是提高机床加工精度的首要任务。单轴六自由度误差中的定位误差、二维直线度误差、俯仰角及偏摆角误差利用激光干涉仪可以实现快速高精度测量。但是对于滚转角误差，利用激光干涉仪无法实现快速直接测量。电子水平仪可以实现水平轴滚转角的快速精准测量，对于数控机床水平轴滚转角的测量以及同其它测量装置对比试验具有重要意义。
目前，市面上已有一些高精度电子水平仪。国外，瑞士Dantsin公司新型BlueLEVEL蓝牙电容式电子水平仪在±20mm/m测量范围内分辨力1um/m，稳定时间约3秒；瑞士TESA公司MICROBEVEL1型号的电子水平仪在±2mm/m测量范围内分辨力1um/m，稳定时间约3秒。国内，青岛前哨精密仪器有限公司WL11型号的电子水平仪与青岛奥德森(中美)电子有限公司DEG型号的电子水平仪在±0.5mm/m测量范围内分辨力1um/m，稳定时间约10秒。可见相同测量分辨力的情况下，国外的电子水平仪测量范围更大，响应速度更快，但价格昂贵(约10万元人民币)。
数控机床滑台运动平面不是绝对水平，存在倾角；滑台运动时的角度误差很小，一般是角秒级别；水平仪不能实现实时测量，需要测量尽可能多的数据来反映机床误差情况。因此，研制大范围、高分辨力、响应速度快的电子水平仪十分必要。位置敏感探测器(PositionSensitive Detector，PSD)是一种基于横向光电效应探测光点重心位置坐标信息的半导体器件，具有分辨率高、响应速度快等优点。将角度信息转换为PSD的位置信息后，可进行高精度快速测量。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法，该水平仪基于激光自准直、激光扩束与液体表面反射原理搭建，可实现大范围、高分辨力、快速地机床水平轴滚转角、俯仰角测量，同时具有结构简单、成本低等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种液体表面反射式双轴光电水平仪，包括光路结构和双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，所述光路结构由激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、反射液体、聚焦透镜、第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器组成，所述激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、和反射液体从上到下依次设置，所述第一位置敏感探测器设置于分光镜一侧，分光镜另一侧依次设有聚焦透镜和第二位置敏感探测器；
激光器发出激光，一部分光经过第一扩束透镜、透过分光镜、再经过第二扩束透镜达到扩束效果，最终照射在反射液体上，安装时第一扩束透镜的像方焦点与第二扩束透镜的物方焦点重合于F点，以使扩束后激光的发散角变小；另一部分光经过第一扩束透镜、在分光镜处反射、再经过聚焦透镜照射至第二位置敏感探测器上，第二位置敏感探测器用于测量激光束漂移角度φ；照射在反射液体上的激光一部分光经过分光镜反射照在第一位置敏感探测器上，调节第一位置敏感探测器的位置，第一位置敏感探测器上光点的位置与F点关于分光镜共轭，以保证第一位置敏感探测器上的光点形状最小，从而受激光光强波动影响最小；第一位置敏感探测器用于测量水平仪倾角θ并受激光束漂移角度φ的影响；
所述双位置敏感探测器同步信号采集处理电路包括第一信号采集板、第二信号采集板和主板，第一信号采集板上设有依次相连的第一位置敏感探测器、第一跨阻放大电路、第一低通滤波电路和第一模拟数字转换电路，第二信号采集板上设有依次相连的第二位置敏感探测器、第二跨阻放大电路、第二低通滤波电路和第二模拟数字转换电路；所述主板上设有第一二级单片机、第二二级单片机、一级单片机、按键、屏幕和串口通讯电路，所述第一模拟数字转换电路和第二模拟数字转换电路分别通过信号屏蔽线与所述第一二级单片机和第二二级单片机连接，所述第一二级单片机、第二二级单片机、按键、屏幕和串口通讯电路均与一级单片机连接。
进一步的，所述反射液体为白色不透明且粘度为150厘斯的硅油乳液，在激光功率一定的情况下可提高反射光强度，从而提高信噪比。
进一步的，第一位置敏感探测器的光电流信号经第一跨阻放大电路转换为电压信号，经第一低通滤波电路滤除高频噪声，第一模拟数字转换电路将模拟信号转换为数字信号，该过程在第一信号采集板上完成，采集角度θ'，角度θ'受水平仪倾角θ与激光束漂移角度φ的共同影响，同理，第二信号采集板采集激光束漂移角度φ的信号；一级单片机向第一二级单片机、第二二级单片机发出同步信号进行采集，第一二级单片机、第二二级单片机同时控制对应第一模拟数字转换电路、第二模拟数字转换电路进行电压采集，电压采集完成后第一二级单片机、第二二级单片机向一级单片机发出完成信号，当一级单片机收到两个完成信号后，对第一二级单片机、第二二级单片机数据依次采集；最后将结果显示在屏幕上，通过按键可进行水平仪调零和数据存储；串口通讯电路实现将数据传送至上位机。
一种消除激光束角度漂移误差影响的方法，包括以下步骤：
a.当水平仪只有倾角θ时，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1'，第二位置敏感探测器上光点位置不变；倾角θ用式(1)表示，其中，|p1p1'|为光点位置p1与位置p1'之间的距离，f2为第二扩束透镜的焦距：
b.当水平仪只有激光束漂移角度φ时，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1"，第二位置敏感探测器上光点由位置p2移动到p2"；引入误差角度α，α用式(2)表示，其中，|FF"|表示点F与点F"之间的距离，F"表示水平仪只有激光束漂移角度时激光束经第一扩束透镜的聚焦位置，f1为第一扩束透镜的焦距，f2为第二扩束透镜的焦距：
c.通过第二位置敏感探测器可单独测出激光束漂移角度φ，由几何关系知激光束漂移角度φ用式(3)表示，其中，|p2p2"|为光点位置p2与位置p2"之间的距离，l1是第一扩束透镜像方焦平面与聚焦透镜物方主面的距离，l2为聚焦透镜像方主面与第二位置敏感探测器的距离，f1为第一扩束透镜的焦距：
d.实际使用水平仪时，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1'"，第二位置敏感探测器上光点由位置p2移动到p2"，第一位置敏感探测器的测量结果θ'受水平仪倾角θ与激光束漂移角度φ的共同影响，用式(4)表示，第二位置敏感探测器的测量结果仅受激光束漂移角度φ的影响，可通过第二位置敏感探测器消除激光束漂移角度φ的影响
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明水平仪使用两片位置敏感探测器(PSD)同时采集，将水平仪倾角与激光束漂移角度同时测出，方便之后数据处理，消除激光束漂移角度对水平仪倾角测量的影响，提高测量精度与稳定性；
(2)本发明液体表面反射式双轴水平仪，基于激光自准直、激光扩束与液体表面反射原理搭建，可实现大范围、高分辨力、快速地机床水平轴滚转角、俯仰角测量，同时结构简单、测量精度高、稳定性高、成本低。
(3)通过本发明水平仪在激光光源不变前提下提高信号强度，从而提高信噪比；同时反射液体粘度适宜，可以提高水平仪的响应速度；
(4)本发明水平仪包括双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，对于降低电路噪声、提高信噪比有良好的效果。
附图说明
图1是本发明的光路结构图。
图2是当水平仪只有倾角、无激光束漂移角度时的光路图。
图3是水平仪倾角测量的原理图。
图4是当水平仪只有激光束漂移角度、无倾角时的光路图。
图5是水平仪倾角受激光束漂移角度影响的原理图。
图6是激光束漂移角度测量的原理图。
图7是当水平仪有倾角和激光束漂移角度时的光路图
图8是本发明液体表面反射式双轴光电水平仪的电路结构图。
附图标记：1-激光器，2-第一扩束透镜，3-分光镜，4-第二扩束透镜，5-反射液体，6-聚焦透镜，7-第一位置敏感探测器，8-第二位置敏感探测器，9-第一跨阻放大电路，10-第二跨阻放大电路，11-第一低通滤波电路，12-第二低通滤波电路，13-第一模拟数字转换电路，14-第二模拟数字转换电路，15-第一信号采集板，16-第二信号采集板，17-第一二级单片机，18-第二二级单片机，19-一级单片机，20-按键，21-屏幕，22-串口通讯电路，23-主板，24-信号屏蔽线，25-信号屏蔽线
p1为第一位置敏感探测器7的初始光点位置，p1'为水平仪只有倾角时第一位置敏感探测器的光点位置，p1"为水平仪只有激光束漂移角度时第一位置敏感探测器的光点位置，p1'"为水平仪有倾角和激光束漂移角度时第一位置敏感探测器的光点位置，p2为第二位置敏感探测器的初始光点位置，p2"为水平仪只有激光束漂移角度时第二位置敏感探测器的光点位置，F为第一扩束透镜像方焦点位置与第二扩束透镜物方焦点位置，F'为水平仪只有倾角时液面反射光经第二扩束透镜的聚焦位置，F"为水平仪只有激光束漂移角度时激光束经第一扩束透镜的聚焦位置，F"'为水平仪只有激光束漂移角度时液面反射光经第二扩束透镜的聚焦位置，F""为水平仪有倾角和激光束漂移角度时液面反射光经第二扩束透镜的聚焦位置，f1为第一扩束透镜的焦距，f2为第二扩束透镜的焦距，θ为水平仪倾角，φ为激光束漂移角度，α为激光束漂移角度造成的倾角测量误差，θ'为水平仪有倾角和激光束漂移角度时测量出的角度，l1是第一扩束透镜像方焦平面与聚焦透镜物方主面的距离，l2聚焦透镜像方主面与第二位置敏感探测器的距离；此处只考虑水平仪单轴角度测量，另一轴角度测量同理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
本发明液体表面反射式双轴光电水平仪包括光路结构和双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，光路结构用于测量俯仰角、滚转角，如图1所示，由激光器1、第一扩束透镜2、分光镜3、第二扩束透镜4、反射液体5、聚焦透镜6、第一位置敏感探测器7和第二位置敏感探测器8组成，激光器1、第一扩束透镜2、分光镜3、第二扩束透镜4、和反射液体5从上到下依次设置，第一位置敏感探测器7设置于分光镜3一侧，分光镜3另一侧依次设有聚焦透镜6和第二位置敏感探测器8；
激光器1发出激光，一部分光经过第一扩束透镜2、透过分光镜3、再经过第二扩束透镜4达到扩束效果，然后照射在反射液体5上，安装时第一扩束透镜2的像方焦点与第二扩束透镜4物方焦点重合于F点，保证扩束后激光的发散角变小，同时，此结构可以通过增大第二扩束透镜4的焦距提高测量角度的分辨力；另一部分光经过第一扩束透镜2、在分光镜3处反射、再经过聚焦透镜6照射在第二位置敏感探测器8上，调节聚焦透镜6与第二位置敏感探测器8位置，保证第二位置敏感探测器8上光点形状最小，从而受激光光强波动影响最小。第二位置敏感探测器8用来测量激光束漂移角度φ。
反射液体5选取反射率高的白色不透明硅油乳液，激光功率一定的情况下可以提高反射光强度，从而提高信噪比。当硅油乳液粘度过高时，硅油乳液液面恢复水平的时间长，当硅油乳液粘度过低时，液面恢复水平后有波动，稳定时间长，因此选择适宜粘度的硅油乳液。本实施例选用150厘斯的硅油乳液。
扩束后激光照射在反射液体5后反射，一部分光经过分光镜3反射照在第一位置敏感探测器7上，调节第一位置敏感探测器7的位置，保证第一位置敏感探测器7上光点的位置与F点关于分光镜共轭，这样保证第一位置敏感探测器7上的光点形状最小，从而受激光光强波动影响最小。第一位置敏感探测器7用来测量水平仪倾角，会受激光束漂移角度φ的影响。
当水平仪只有倾角θ时，如图2所示，第一位置敏感探测器7上光点由位置p1移动到位置p1'，第二位置敏感探测器8上光点位置不变。几何关系如图3所示，倾角θ用式(1)表示，其中，|p1p1'|为光点位置p1与位置p1'之间的距离，f2为第二扩束透镜4的焦距：
当水平仪只有激光束漂移角度φ时，如图4所示，第一位置敏感探测器7上光点由位置p1移动到位置p1"，第二位置敏感探测器8上光点由位置p2移动到p2"。由图5知，激光束漂移角度φ对倾角测量造成影响，引入误差角度α，α可用式(2)表示，其中，|FF"|表示点F与点F"之间的距离，f1为第一扩束透镜2的焦距，f2为第二扩束透镜4的焦距。
由图6知，通过第二位置敏感探测器8可以单独测出激光束漂移角度φ，由几何关系知激光束漂移角度φ用式(3)表示，其中，|p2p2"|为光点位置p2与位置|p2"|之间的距离，l1是第一扩束透镜2像方焦平面与聚焦透镜6物方主面的距离，l2聚焦透镜6像方主面与第二位置敏感探测器8的距离，f1为第一扩束透镜2的焦距：
实际使用水平仪时，如图7所示，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1'"，第二位置敏感探测器上光点由位置p2移动到p2"，第一位置敏感探测器7的测量结果θ'受水平仪倾角θ与激光束漂移角度φ的共同影响，用式(4)表示，第二位置敏感探测器8的测量结果仅受激光束漂移角度φ的影响，因此可以通过第二位置敏感探测器8来消除激光束漂移角度φ的影响。
双位置敏感探测器同步信号采集处理电路如图8所示，电路由第一位置敏感探测器7、第二位置敏感探测器8、第一跨阻放大电路9、第二跨阻放大电路10、第一低通滤波电路11、第二低通滤波电路12、第一模拟数字转换电路13、第二模拟数字转换电路14、第一信号采集板15，第二信号采集板16、第一二级单片机17、第二二级单片机18、一级单片机19、按键20、屏幕21、串口通讯电路22、主板23、信号屏蔽线24和信号屏蔽线25构成。
第一位置敏感探测器7的光电流信号经第一跨阻放大电路9转换为电压信号，经第一低通滤波电路11滤除高频噪声，这里使用无源滤波电路，避免有源滤波电路中运放引入噪声，第一模拟数字转换电路13将模拟信号转换为数字信号，这一过程在第一信号采集板15上完成，采集角度θ'(受水平仪倾角θ与激光束漂移角度φ的共同影响)，同理，第二信号采集板16采集激光束漂移角度φ的信号，采集过程与第一信号采集板15一样。
一级单片机19向第一二级单片机17、第二二级单片机18发出同步信号进行采集，第一二级单片机17、第二二级单片机18同时控制对应第一模拟数字转换电路13、第二模拟数字转换电路14进行电压采集，电压采集完成后第一二级单片机17、第二二级单片机18向一级单片机19发出完成信号，当一级单片机19收到两个完成信号后，对第一二级单片机17、第二二级单片机18数据依次采集。由于是同步采集，两组数据具有很大的相关性，由一级单片机19进行数据处理，去除激光束漂移角度φ造成的影响，最后将结果显示在屏幕21上。按键20可控制水平仪调零、数据存储等功能。串口通讯电路22实现将数据传送至上位机，这一部分功能在主板23上完成，主板23与第一信号采集板15、第二信号采集板16分别通过信号屏蔽线24、信号屏蔽线25进行通讯，增强抗干扰能力。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种消除激光束角度漂移误差影响的方法，基于液体表面反射式双轴光电水平仪，包括光路结构和双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，所述光路结构由激光器(1)、第一扩束透镜(2)、分光镜(3)、第二扩束透镜(4)、反射液体(5)、聚焦透镜(6)、第一位置敏感探测器(7)和第二位置敏感探测器(8)组成，所述激光器(1)、第一扩束透镜(2)、分光镜(3)、第二扩束透镜(4)、和反射液体(5)从上到下依次设置，所述第一位置敏感探测器(7)设置于分光镜(3)一侧，分光镜(3)另一侧依次设有聚焦透镜(6)和第二位置敏感探测器(8)；
激光器(1)发出激光，一部分光经过第一扩束透镜(2)、透过分光镜(3)、再经过第二扩束透镜(4)达到扩束效果，最终照射在反射液体(5)上，安装时第一扩束透镜(2)的像方焦点与第二扩束透镜(4)的物方焦点重合于F点，以使扩束后激光的发散角变小；另一部分光经过第一扩束透镜(2)、在分光镜(3)处反射、再经过聚焦透镜(6)照射至第二位置敏感探测器(8)上，第二位置敏感探测器(8)用于测量激光束漂移角度φ；照射在反射液体(5)上的激光一部分光经过分光镜(3)反射照在第一位置敏感探测器(7)上，调节第一位置敏感探测器(7)的位置，第一位置敏感探测器(7)上光点的位置与F点关于分光镜(3)共轭，以保证第一位置敏感探测器(7)上的光点形状最小，从而受激光光强波动影响最小；第一位置敏感探测器(7)用于测量水平仪倾角θ并受激光束漂移角度φ的影响；所述双位置敏感探测器同步信号采集处理电路包括第一信号采集板(15)、第二信号采集板(16)和主板(23)，第一信号采集板(15)上设有依次相连的第一位置敏感探测器(7)、第一跨阻放大电路(9)、第一低通滤波电路(11)和第一模拟数字转换电路(13)，第二信号采集板(16)上设有依次相连的第二位置敏感探测器(8)、第二跨阻放大电路(10)、第二低通滤波电路(12)和第二模拟数字转换电路(14)；所述主板(23)上设有第一二级单片机(17)、第二二级单片机(18)、一级单片机(19)、按键(20)、屏幕(21)和串口通讯电路(22)，所述第一模拟数字转换电路(13)和第二模拟数字转换电路(14)分别通过信号屏蔽线与所述第一二级单片机(17)和第二二级单片机(18)连接，所述第一二级单片机(17)、第二二级单片机(18)、按键(20)、屏幕(21)和串口通讯电路(22)均与一级单片机(19)连接，其特征在于，包括以下步骤：
a.当水平仪只有倾角θ时，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1'，第二位置敏感探测器上光点位置不变；倾角θ用式(1)表示，其中，|p1p1'|为光点位置p1与位置p1'之间的距离，f2为第二扩束透镜的焦距：
b.当水平仪只有激光束漂移角度φ时，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1"，第二位置敏感探测器上光点由位置p2移动到p2"；引入误差角度α，α用式(2)表示，其中，|FF"|表示点F与点F"之间的距离，F"表示水平仪只有激光束漂移角度时激光束经第一扩束透镜的聚焦位置，f1为第一扩束透镜的焦距，f2为第二扩束透镜的焦距：
c.通过第二位置敏感探测器可单独测出激光束漂移角度φ，由几何关系知激光束漂移角度φ用式(3)表示，其中，|p2p2"|为光点位置p2与位置p2"之间的距离，l1是第一扩束透镜像方焦平面与聚焦透镜物方主面的距离，l2为聚焦透镜像方主面与第二位置敏感探测器的距离，f1为第一扩束透镜的焦距：
d.实际使用水平仪时，第一位置敏感探测器上光点由位置p1移动到位置p1'"，第二位置敏感探测器上光点由位置p2移动到p2"，第一位置敏感探测器的测量结果θ'受水平仪倾角θ与激光束漂移角度φ的共同影响，用式(4)表示，第二位置敏感探测器的测量结果仅受激光束漂移角度φ的影响，可通过第二位置敏感探测器消除激光束漂移角度φ的影响
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