CN1137369C - 大尺寸零件无导轨测量装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
大尺寸零件无导轨测量装置及其测试方法，其特点是采用双纵模热稳频激光器作光源，增设了过零定位光路和节点判别电路，充分发挥其双纵模激光产生于同一谐振腔中，拍频稳定度与激光频率稳定度相同的特点，再用同一双纵模双频激光干涉仪测量不足一个拍波长的剩余长度，以DSP为硬件基础，用自适应滤波方法去除激光源本身的噪声，用小波分析法凸现节点的特征，达成了高精度的节点判别方法。
Description
本发明涉及用双纵模双频激光干涉仪以拍波干涉的原理对高精度大尺寸零件作无导轨测量的装置及其测试方法，属于激光测试领域。
随着重工业、航空航天、造船、汽车、无线电工业的发展，对大型零件的尺寸精度的要求越来越高，其测量范围在几米至几十米范围内，由于被测零件尺寸及重量大，一般只能在现场测试，因而对无导轨高精度测量大尺寸方法的需求也甚为迫切，研究者也为数众多，相关的典型文章有：
(1)中国计量院1989年“实用性拍波干涉仪研制报告”
(2)Mastumoto H.《Applied Optics》1986.25(4)“Synthetic interferometric
distance measuring system using CO2 laser”
(3)邓罗根，田芊《计量学报》1991.12(4)“红外拍波锁定型绝对距离干
涉仪的研究”
(4)赵洋，任伟明《计量学报》1994.15(1)“用于绝对距离测量的0.6328μm
氦氖激光外差干涉仪”
文献(1)在0.6328μm波段采用纵向磁场Zeeman分裂得到1080MHz的频差，其合成波长约为280mm，通过过零检测测量小数条纹值，据称可在几十米范围内达到40μm+2×10-6L的测量精度，式中L为被测长度，单位为m，但其频差是靠闭环锁相系统调节磁场强度稳定在一外部晶振频率上，不仅拍波长精度有限，而且由于外部晶振器要求恒稳等原因导致系统复杂，抗干扰性能也不够理想。
文献(2)中CO2多波长激光器大尺寸测量系统的特点是波长链丰富，可在实验室环境中达到50米测量范围内的10-7级精度的测量，但其致命的缺陷是测量系统复杂，体积庞大，对环境要求很高且其谱线多存在线序重复性差的缺点，因而很难满足大尺寸测量的环境适用性要求。
文献(3)中3.39μm波段双线He-Ne激光器大尺寸测量系统的特点是波长链丰富，波长从1米到3.39μm，可取得较高测量精度，但其稳频系统及测量过程很复杂，且因红外波段光束不可见导致光路调整困难，级间过渡对环境条件要求很苛刻，因而要实现工业现场环境的实用测量还有距离。
文献(4)中尽管采用双纵模稳频He-Ne激光器作光源与本发明有相似之处，但其后续测量光路采用声光调制器产生的双波长零级衍射光作测量光束，一级衍射光作参考光束，会合后分别探测出两波长各自的光外差干涉信号，再进行混频比相求出所测长度，不需运动部件，但要得到较高精度，除需要360°范围内均有很高的测相精度外，还需要特别的昂贵器件声光调制器和特殊光路，且其精度直接受声光调制器的精度影响，只能达到所用晶体频率源的精度，在工业现场环境下很难实际应用。
以上四种方法不仅实用性有缺陷，而且均不能实现除测量大尺寸外，仍旧保留仪器作为一台通用双频激光干涉仪的功能。
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种无导轨大尺寸零件测量装置及其测试方法，其特点是采用本发明者已获专利权的专利ZL85102379.7，题为《双纵模双频激光光源自控式热稳频装置》作为激光光源，利用双纵模激光产生于同一谐振腔中，拍频稳定度与激光频率稳定度相同的特性，较好地解决了高精度大尺寸零件测量对拍波长稳定度的要求。
本发明的目的由以下技术措施实现的。
大尺寸零件无导轨测量装置是采用双纵模热稳频激光器作光源，增设了过零定位光路和节点判别电路，构成大尺寸零件无导轨测量装置整体。
过零定位光路是在双纵模热稳频激光器输出偏振方向固定且偏振面相互垂直的两个频率的光波，经分光镜反射一小部分由雪崩管接收作为干涉仪的参考信号，所有雪崩管前皆有45°安装的偏振片使正交偏振光干涉，透射光经准直系统扩束准直后被分光镜分为两部分，一部分经短导轨上的角锥镜反射后再经布儒斯特窗分光，其透射光由雪崩管接收作为节点判别的参考信号，反射光为干涉仪的测量光束；而分光镜的透射光经布儒斯特窗反射作为干涉仪的参考光束，两束光经偏振分光镜汇聚干涉由雪崩管接收作为干涉仪的测量信号；经布儒斯特窗的透射光经测量角锥镜反射、雪崩管接收作为节点判别的测量信号。测量角锥镜越过节点而又不到下一个节点的精确长度由干涉仪的角锥镜移动，反求节点测出。干涉仪的测量信号与参考信号输入双频激光干涉仪计数电路可对角锥镜在短导轨上的位移进行高精度的测量。节点判别的测量及参考信号输入节点判别电路，节点判别电路连接到电路由数据处理及显示电路采集数据并加以处理，显示测量结果。
节点判别电路由雪崩管输出的节点判别测量信号和参考信号分别通过高频放大、功分器、混频器与DSP电路连接，其中一路功分器与混频器间接有延迟线，自适应滤波和小波分析算法通过DSP高速运算实现，节点确定时脉冲产生电路输出节点信号。
大尺寸零件无导轨测量装置的测试方法：
1.采用双纵模热稳频激光器作光源，充分发挥其双纵模激光产生于同一谐振腔中，拍频稳定度与激光频率稳定度相同的特点，为大尺寸零件无导轨测试提供了高精度光学基准。
2.采用过零定位光路确定节点，再用同一双纵模双频激光干涉仪测量不足一个拍波长的剩余长度。
3.利用节点判别光路输出的大尺寸参考信号和测量信号的关系符合自适应滤波要求的特点，以DSP为硬件基础，用自适应滤波方法去除激光源本身的噪声，用小波分析算法凸现波形特征，达成了高精度的节点确定方法。
本发明具有以下优点：
1.采用本所自有专利的双纵模热稳频He-Ne激光器作为光源，不仅系统简单，抗干扰能力强，而且理论及实验均证明：其拍频稳定度与激光频率稳定度相同，较好地解决了现有众多的针对单波长的稳频技术不合适多波长激光器的难点，较好地满足了高精度测量对拍波长高稳定度的要求。
2.系统采用拍波对零确定节点，以同一双纵模双频激光干涉仪测量不足一个拍波长的剩余长度的方案，不仅剩余长度测量精度高，测量过程简捷，而且系统结构简单，不需任何特别的昂贵器件声光调制器等和特殊光路，只需节点处有较高测相精度，易于实现。
3.比相鉴零判别节点电路的精度是整个测量装置及方法的关键，系统利用光路输出的两路信号以DSP为硬件基础采用自适应滤波方法去除激光源本身的噪声，用小波分析法凸现节点，大大提高了信号质量及节点分辨率，可靠地实现了优于0.03mm的节点判别精度。
4.系统在短导轨10运动方向上本身就是双纵模双频激光干涉仪，并可在布儒斯特窗6与测量角锥镜7间再添加一个干涉头，即能将系统扩充为平面两坐标双纵模双频激光干涉仪测量机，有较好的通用性。
5.由于系统的这些独特优点，在室外环境下系统双纵模稳频激光源频率及频差稳定度仍保持不低于10-7级，节点判别精度优于0.03mm，不足一个拍波长的剩余长度测量部分分辨率为0.08um，整个测量系统可在20m范围内进行精度为±(30+1.5×10-6L)um的可靠测量，式中L为被测长度，单位为m。
本发明的具体结构由附图和实施例给出。
图1为大尺寸零件无导轨测量装置的结构示意图。
1热稳频He-Ne激光器，2、6、11布儒斯特窗，3、5分光镜，4准直系统，7测量角锥镜，8、12、14、15雪崩二极管，9参考角锥镜，10短导轨，13偏振分光镜，16光电池，17节点判别电路，18干涉仪计数电路，19数据处理及显示电路，20稳频光源，21过零定位光路。
图2为节点判别电路框图。
实施例：
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
大尺寸零件无导轨测量装置是采用双纵模热稳频He-Ne激光器作为光源，双纵模热稳频激光器1输出偏振方向固定且偏振面相互垂直的两个频率的光波，经分光镜3反射一小部分由雪崩管15接收作为干涉仪的参考信号，所有雪崩管前皆有45°安装的偏振片使正交偏振光干涉，透射光经准直系统4扩束准直后被分光镜5分为两部分，一部分经短导轨10上的角锥镜9反射后再经布儒斯特窗11分光，其透射光由雪崩管12接收作为节点判别的参考信号，反射光为干涉仪的测量光束；而分光镜5的透射光经布儒斯特窗6反射作为干涉仪的参考光束，两束光经偏振分光镜13汇聚干涉由雪崩管14接收作为干涉仪的测量信号；经布儒斯特窗6的透射光经测量角锥镜7反射、雪崩管8接收作为节点判别的测量信号。测量角锥镜7越过节点而又不到下一个节点的精确长度由干涉仪的角锥镜9移动，反求节点测出。干涉仪的测量信号与参考信号输入双频激光干涉仪计数电路18，可对角锥镜9在短导轨10上的位移进行高精度的测量。节点判别的测量及参考信号输入节点判别电路17，角锥镜9移动过节点，即比相电平为0时产生节点脉冲对双频激光干涉仪计数电路18取样锁存，测出不足一个拍波波长的剩余长度值，而整拍波长数可由标称值或简单的粗测唯一确定，粗测精度只须不低于λ/8，λ为拍波波长，由此求出所测大尺寸长度。可实现20m范围内精度为±(30+1.5×10-6L)um的测量，式中L为被测长度，单位为m。
比相鉴零判别节点电路是节点判别电路17由8的输出测量信号和12的输出参考信号分别通过频率为700～800MHz的高频放大、功分器、混频器与DSP电路连接，其中一路功分器与混频器间接有延迟线，自适应滤波和小波分析算法通过DSP高速运算实现，节点确定时脉冲产生电路输出节点信号，如图2所示。
Claims (4)
1.大尺寸零件无导轨测量装置，其特征在于该装置是采用双纵模热稳频激光器作光源(20)，增设了过零定位光路(21)和节点判别电路(17)，构成大尺寸零件无导轨测量装置整体。
2.按照权利要求1所述大尺寸零件无导轨测量装置，其特征在于过零定位光路(21)是在双纵模热稳频激光器(1)输出偏振方向固定且偏振面相互垂直的两个频率的光波，经分光镜(3)反射一小部分由雪崩管(15)接收作为干涉仪的参考信号，透射光经准直系统(4)扩束准直后被分光镜(5)分为两部分，一部分经短导轨(10)上的角锥镜(9)反射后再经布儒斯特窗(11)分光，其透射光由雪崩管(12)接收作为节点判别的参考信号，反射光为干涉仪的测量光束；而分光镜(5)的透射光经布儒斯特窗(6)反射作为干涉仪的参考光束，两束光经偏振分光镜(13)汇聚干涉由雪崩管(14)接收作为干涉仪的测量信号；经布儒斯特窗(6)的透射光经测量角锥镜(7)反射、雪崩管(8)接收作为节点判别的测量信号，测量角锥镜(7)越过节点而又不到下一个节点的精确长度由干涉仪的角锥镜(9)移动，反求节点测出，干涉仪的测量信号与参考信号输入双频激光干涉仪计数电路(18)，可对角锥镜(9)在短导轨(10)上的位移进行高精度的测量，节点判别的测量及参考信号输入节点判别电路(17)，节点判别电路连接到电路(18)，由数据处理及显示电路(19)采集数据并加以处理，显示测量结果。
3.按照权利要求1或2所述大尺寸零件无导轨测量装置，其特征在于节点判别电路由测量信号和参考信号分别通过高频放大、功分器、混频器与DSP电路连接，其中一路功分器与混频器间接有延迟线，自适应滤波和小波分析算法通过DSP高速运算实现，节点确定时脉冲产生电路输出节点信号。
4.按照权利要求1所述大尺寸零件无导轨测量装置的测试方法，其特征在于：
a.采用双纵模热稳频激光器作光源，充分发挥其双纵模激光产生于同一谐振腔中，拍频稳定度与激光频率稳定度相同的特点，为大尺寸零件无导轨测试提供了高精度光学标准，
b.采用过零定位光路确定节点，再用同一双纵模双频激光干涉仪测量不足一个拍波波长的剩余长度，
c.利用节点定位光路输出的节点判别参考信号和测量信号之间的关系符合自适应滤波要求的特点，以DSP为硬件基础，用自适应滤波方法去除激光源本身的噪声，用小波分析算法凸现波形特征，达成了高精度的节点确定方法。
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