CN110806584A - 能在测量中进行测量功能转换的激光测量装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了能在测量中进行测量功能转换的激光测量装置，包括热稳频He‑Ne激光器（1）、测量单元（16）、信号处理系统，热稳频He‑Ne激光器（1）发出的光经过测量单元（16）后发送给信号处理系统，经处理得到测量结果，其特征在于，测量单元（16）中包括位置可变的反射镜（24）和遮光板（23）；当用于绝对测距功能时，靶镜（4）返回的光束经过反射镜（24）反射后，再经过偏振片（5）和雪崩管（6）；当用于绝对测距功能时，反射镜（24）改变位置，不位于靶镜（4）返回的光束的光路上，靶镜（4）返回的光束经过偏振片（11）由雪崩管（12）接收；遮光板（23）转换位置位于偏振分光镜（8）和角锥镜（10）之间，遮挡从偏振分光镜（8）透射光束的光路。
Description
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种能在测量中转换绝对测距与干涉测量功能的激光测量装置及测试方法。
背景技术
大尺寸制造件的长度和轮廓形状的精密测量，目前有两种实际应用的方式：①李广云《测绘通报》1998.(10)“工业三维坐标测量系统的最新进展”中介绍的绝对测距方式：以电子经纬仪、全站仪、数字相机等为传感器组成的工业光电测量系统可以一次测出被测距离，其特点是技术成熟，成本低，对使用环境要求低；但精度一般都不高，被测点需要预置合作目标，只能逐点测量，不能用跟踪技术测出大尺寸工件的轮廓形状，轮廓测量过程长且繁琐。此类产品如瑞士Leica公司的ECDS3电子经纬仪测量系统、TC2002全站仪测量系统，美国GSI公司的VSTARS数字摄影测量系统等。②张春富，张军《工具技术》2002.36(5)“激光跟踪仪在大尺寸工件几何参数测量中的应用”中介绍的干涉测量方式：以激光干涉仪为测量基准，用跟踪+测角修正技术免去了精密长导轨的激光跟踪仪测量系统。其特点是精度高，可以结合跟踪技术直接快速测量被测件的轮廓形状，但测量时必须将靶镜从测量起点连续移动到终点，中间不允许遮挡光束(否则只能从头再来)，且移动靶镜速度不能太快(否则跟踪系统会跟丢，也只能从头再来)，操作要求及对使用环境要求高，成本也很高。此类产品如瑞士Leica公司的SMART310及其最新产品LTD500、LTD800，美国SMX及API公司也有该类产品供应。
从上述可知，对大尺寸制造件的长度和轮廓形状的精密测量的两种实际应用方式各有优缺点，申请人曾获得发明专利-大尺寸零件无导轨测量装置及其测试方法，其中公开了一种高精度绝对测距系统，原理如图1所示。这是一种无需导轨和任何大型机件，只需在被测点瞄准目标靶镜、就能测出精确距离的新式测量系统。以该绝对测距技术为基础构成的激光测量系统由于测距过程中允许遮挡激光束而不影响测量结果，这不仅给现场操作带来很大方便，而且在长时间监视、定时采样的测量如构架变形监测、地震研究等领域有广泛的应用前景。
因此，将上述绝对测距系统重新设计成可以在测量中任意转换绝对测距功能模式和干涉测量功能模式的装置，则该装置同时具有前述两种大尺寸制造件的长度和轮廓形状的精密测试方法的优点且转换快捷方便，更重要意义是为具有中国自主知识产权的激光跟踪仪系统奠定了技术基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在测量中转换绝对测距与干涉测量功能的激光测量装置及测试方法，同时具有现有技术中两种大尺寸制造件的长度和轮廓形状的精密测试方法的优点的测量装置及其测试方法。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的工作原理如图2(a)及图2(b)所示。很明显，相较于图1所示的高精度绝对测距系统，图2(a)及图2(b)所示的光路中用于产生及输出节点判别信号的45°安装的偏振片5和雪崩管6位置进行了调整，方向与原方向垂直；同时加设了可变位置的反射镜24及遮光板23，二者是联动的，可由计算机控制动作。该联动机构有两个位置，一个位置状态为：反射镜24下垂45°，遮光板23向上；另一个位置状态为：反射镜24向上抬起到水平位置，遮光板23向下。
具体的说，滑板上可设有旋转机构，反射镜24和遮光板23皆安装在旋转机构上，计算机控制旋转机构旋转，从而控制反射镜24和遮光板23改变位置。
绝对测距功能模式为图2(a)所示状态：反射镜24下垂45°将返回的激光束反射到45°安装的偏振片5和雪崩管6，遮光板23向上，不遮挡光路。双纵模热稳频激光器1出射的激光束由分光镜2(透过率80％)向上反射，经晶轴成45°安装的偏振片13，使偏振面正交的激光在45°方向上的矢量相互干涉，雪崩管14拾取混频需要的参考信号。滑板上的分光棱镜3、靶镜4、反射镜24、45°安装的偏振片5和雪崩管6组成寻找和判定节点位置的光路。被分光棱镜3反射的光，经由反射镜7、偏振分光镜8、角锥镜9、固定在滑板外的角锥镜10、45°安装的偏振片11和雪崩管12组成辅助干涉仪。上述被测点(靶镜4顶点)到最邻近节点的距离由辅助干涉仪自动测出。雪崩管14、雪崩管12及雪崩管6输出的参考、辅助干涉仪测量信号和节点判别信号，分别送到后续信号处理系统，经处理得到绝对测距结果。此时完全满足用拍频干涉绝对测距的要求，整个光路为高精度拍频绝对测距系统。
干涉测量功能模式为图2(b)所示状态：反射镜24向上抬起到水平位置，返回激光通过，到分光棱镜3，而遮光板23向下遮挡射向角锥镜10的激光束。双纵模热稳频激光器1出射的激光束由分光镜2(透过率80％)向上反射，经晶轴成45°安装的偏振片13，使偏振面正交的激光在45°方向上的矢量相互干涉，雪崩管14拾取干涉仪需要的参考信号。透过分光镜2的光束被分光棱镜3分光，反射部分的光经由反射镜7、偏振分光镜8、角锥镜9形成双频激光干涉仪光路的参考臂；透射部分的光经由靶镜4、偏振片25形成双频激光干涉仪光路的测量臂；两路光在分光棱镜3处汇合，经晶轴成45°安装的偏振片11，使偏振面正交的激光在45°方向上的矢量相互干涉，雪崩管12拾取干涉仪需要的测量信号。参考信号和测量信号分别送到后续信号处理系统，经处理得到精密干涉测量结果。此时装置处于双频激光干涉仪工作时的状态，整个光路变成成了典型的双频激光干涉仪系统。
由绝对测距转为干涉测量时，首先是反射镜24、遮光板23按计算机指令转到图2(b)所示位置，距离值由功能转换前绝对测距值与精密干涉测量计数值相加之和得到，其主要用途之一是满足用激光跟踪法作快速轮廓测量。反之，由干涉测量转为绝对测距则首先是反射镜24、遮光板23按计算机指令转到图2(a)所示位置，测量以最后的干涉测量数据为起点，后面的自动操作完全与绝对测距相同。具体的说，当从绝对测距功能转换为干涉测量功能时，其后的距离测量值为功能转换前绝对测距值与其后的精密干涉测量计数值相加之和；当从干涉测量功能转换为绝对测距功能时，测量以最后的干涉测量数据为起点，其后的距离测量值为功能转换前精密干涉测量计数值与其后的绝对测距值相加之和。
值得说明的是，高载波频率对精密干涉测量功能模式时的测量速度实际上没有限制，激光干涉仪的光源频差就是测量系统的载波频率，本发明的双纵模激光光源频差是780MHz，允许最高移动速度理论上可达150米/秒以上，实际上用不到这样快，因为太快会引起强烈振动等其它问题。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明给大尺寸零件测量带来很大方便，例如当测量到某一段遇到需进行曲面精密轮廓测量时只需通过计算机操作转换成传统激光干涉仪高分辨力的流畅轮廓测量。在转换过程中所有精细调整好的重要部件都没有动，因而无需从新调整光路。由于在传统干涉仪中参考光都是过强的(光路短)，所以此时的光损失没有实际的影响，而我们的绝对测距功能又是允许在测量间隔中遮挡光束的，所以转换不会带来误差。
(2)它既可转换又可单独作为测距仪或双频干涉仪使用，这对高价值仪器的普遍适用性有其重要意义。
附图说明
图1为现有技术中高精度绝对测距系统的原理示意图。
图2(a)为本发明装置的绝对测距功能模式状态光路图。
图2(b)为本发明装置的干涉测量功能模式状态光路图。
其中，附图标记如下所示：
1热稳频He-Ne激光器，2、7分光镜，3分光棱镜，4靶镜，5、11、13、25偏振片，6、12、14雪崩管，8偏振分光镜，9、10角锥镜，15滑板，16测量单元，17、18功分器，19、20混频器，21节点鉴别电路，22计算机，23遮光板，24反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例1
能在测量中进行测量功能转换的激光测量装置，包括热稳频He-Ne激光器、测量单元、信号处理系统。即热稳频He-Ne激光器发出的光经过测量单元各元件透射和反射并被雪崩管接收后发送给信号处理系统，经处理得到测量结果。
热稳频He-Ne激光器为申请人曾申请的专利双纵模热稳频激光器。
测量单元包括分光镜2、分光镜7、分光棱镜3、靶镜4、偏振片5、偏振片11、偏振片13、雪崩管6、雪崩管12、雪崩管14、偏振分光镜8、角锥镜9、角锥镜10、200mm的短导轨滑板15。
在本发明中，热稳频He-Ne激光器及信号处理系统与现有技术相同，而核心改进点在于，相比于如图1所示的现有技术，本发明的测量单元中，45°安装的偏振片5和雪崩管6位置进行了调整，方向与如图1所示的原方向垂直；同时加设了可变位置的反射镜24及遮光板23，其二者是联动的，可由计算机控制动作。该联动机构有两个位置，一个位置状态为：反射镜24下垂45°，遮光板23向上；另一个位置状态为：反射镜24向上抬起到水平位置，遮光板23向下。
当作绝对测距功能时其状态如图2(a)所示，此时可变位置反射镜24的位置下垂45°，具体的说，热稳频He-Ne激光器1射出的激光束由分光镜2(透过率80％)向上反射，经晶轴成45°安装的偏振片13，使偏振面正交的激光在45方向上的矢量相互干涉，雪崩管14拾取混频需要的参考信号；分光镜2透射的光经过靶镜4返回，位置下垂45°的反射镜将激光束反射到45°安装的偏振片5及雪崩管6上。而上述分光棱镜3、靶镜4、反射镜24、45°安装的偏振片5和雪崩管6组成寻找和判定节点位置的光路。
当作绝对测距功能时，遮光板23向上，不遮挡光路。滑板15上的反射镜7、偏振分光镜8、角锥镜9、固定在滑板外的角锥镜10、45°安装的偏振片11和雪崩管12组成辅助干涉仪。热稳频He-Ne激光器1出射的激光束被分光棱镜3反射的光，经由滑板15上的反射镜7、偏振分光镜8，光透射到角锥镜10并返回，经过45°安装的偏振片11和雪崩管12。上述被测点(靶镜4顶点)到最邻近节点的距离由辅助干涉仪自动测出。雪崩管14、雪崩管12及雪崩管6输出的参考、辅助干涉仪测量信号和节点判别信号，分别送到后续信号处理系统，经处理得到绝对测距结果。这时整个光路为高精度拍频绝对测距系统。
当作干涉测量功能时其状态如图2(b)所示，可变位置反射镜23向上抬起到水平位置，返回激光直接通过，到分光棱镜3，而遮光板24向下遮挡射向角锥镜10的激光束。双纵模热稳频激光器1出射的激光束由分光镜2(透过率80％)向上反射，经晶轴成45°安装的偏振片13，使偏振面正交的激光在45°方向上的矢量相互干涉，雪崩管14拾取干涉仪需要的参考信号。透过分光镜2的光束被分光棱镜3分光，反射部分的光经由反射镜7、偏振分光镜8、角锥镜9形成双频激光干涉仪光路的参考臂；透射部分的光经由靶镜4、45°安装的偏振片25形成双频激光干涉仪光路的测量臂；两路光在分光棱镜3处汇合，经晶轴成45°安装的偏振片11，使偏振面正交的激光在45°方向上的矢量相互干涉，雪崩管12拾取干涉仪需要的测量信号。参考信号和测量信号分别送到后续信号处理系统，经处理得到精密干涉测量结果。这时整个光路变成了典型的双频激光干涉仪系统。
信号处理系统由于属于现有技术，如图1所示，本实施例不作详细说明。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.能在测量中进行测量功能转换的激光测量装置，包括热稳频He-Ne激光器（1）、测量单元（16）、信号处理系统，热稳频He-Ne激光器（1）发出的光经过测量单元（16）后发送给信号处理系统，经处理得到测量结果，其特征在于，测量单元（16）中包括位置可变的反射镜（24）和遮光板（23）；
当用于绝对测距功能时，靶镜（4）返回的光束经过反射镜（24）反射后，再经过偏振片（5）和雪崩管（6）；
当用于绝对测距功能时，反射镜（24）改变位置，不位于靶镜（4）返回的光束的光路上，使得热稳频He-Ne激光器（1）发出的光束经过分光棱镜（3）透射后到靶镜（4）、偏振片（25）形成测量臂；改变遮光板（23）的位置，使得热稳频He-Ne激光器（1）发出的光束经过分光棱镜（3）反射后到反射镜（7）、偏振分光镜（8）、角锥镜（9）形成参考臂；经过参考臂的光束和经过测量臂的光束汇合后被雪崩管（12）接收形成测量信号。
2.根据权利要求1所述的能在测量中进行测量功能转换的激光测量装置，其特征在于，遮光板（23）和反射镜（24）在电脑控制下发生转动，改变位置。
3.能在测量中进行测量功能转换的激光测试方法，其特征在于，包括以下过程：
S1:当从绝对测距功能转换为干涉测量功能时，其后的距离测量值为功能转换前绝对测距值与其后的精密干涉测量计数值相加之和；
S2：当从干涉测量功能转换为绝对测距功能时，测量以最后的干涉测量数据为起点，其后的距离测量值为功能转换前精密干涉测量计数值与其后的绝对测距值相加之和。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200218 |