CN114264255A - 一种基于干涉位移测量系统的滚转角测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统和方法，包括底座和两单频干涉位移测量系统；所述底座上设有直线导轨，所述直线导轨上安装有负载平台，所述待测运动轴的轴向与所述直线导轨的线性运动方向一致；两所述单频干涉位移测量系统沿待测运动轴对称固定在所述底座的上方；两所述单频干涉位移测量系统的条形平面反射镜沿待测运动轴对称固定到负载平台上；解决了现有滚转角双频干涉测量技术中测量速度受到频差限制，系统复杂且安装调试难度大的问题。

Description

一种基于干涉位移测量系统的滚转角测量系统和方法

技术领域

本发明属于精密光学测量领域，尤其涉及一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统和方法。

背景技术

六自由度误差高精度测量方法的研究一直是精密加工以及测量领域重要的研究内容。对于运动平台俯仰角和偏摆角的干涉测量，比较广泛采用的方法是使用角偶棱镜作为反射镜开展测量。与俯仰角和偏摆角的测量方式不同，滚转角的误差方向与测量光束方向垂直，无法引入与滚转角误差相对应的光程差，使得滚转角误差的测量不能按照俯仰角和偏摆角的测量方式开展。

传统测量滚转角方法的是使用电子水平仪，其采用接触式测量，测量过程比较复杂、精度也不高。光学测量方法具有非接触、高精度以及使用灵活等特点，被广泛应用于线性运动平台高精度滚转角误差的测量中。按照滚转角误差的转换方式来分类，光学测量方法总体可分为干涉法、偏振法和几何光学法三大类。干涉测量研究做多的方法是基于拍频的外差干涉法，通过测量两个不同频率拍频光的相位差变化来获取滚转角大小。外差干涉法可实现分辨率高精度测量，不过测量速度受到频差限制，系统复杂且价格昂贵。而使用单频干涉技术对线性运动平台的位移开展测量，进而实现滚转角高精度测量的方法未见有相关报道。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术中的问题，提供一种基于干涉位移测量的滚转角测量装置和方法，解决了现有滚转角双频干涉测量技术中测量速度受到频差限制，系统复杂且安装调试难度大的问题。

技术方案：一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，包括底座和两单频干涉位移测量系统；所述底座上设有直线导轨，所述直线导轨上安装有负载平台，所述待测运动轴的轴向与所述直线导轨的线性运动方向一致；

所述单频干涉位移测量系统，包括条形平面反射镜、激光发射单元、干涉信号处理单元、偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜和四分之一波片；所述激光发射单元和干涉信号处理单元设置在所述偏振分光棱镜的左侧，所述第一角锥棱镜设置在所述偏振分光棱镜的上侧，所述第二角锥棱镜设置在所述偏振分光棱镜的右侧，所述四分之一波片设置在所述偏振分光棱镜的下侧，所述条形平面反射镜设置在所述偏振分光棱镜的下方；

两所述单频干涉位移测量系统沿待测运动轴对称固定在所述底座的上方；两所述单频干涉位移测量系统的条形平面反射镜沿待测运动轴对称固定到负载平台上，随所述负载平台的运动而移动；两所述单频干涉位移测量系统除条形平面反射镜外的部分悬空固定在所述底座上，不随所述负载平台的运动而移动；所述负载平台运动至任意位置，所述单频干涉位移测量系统入射至负载平台上的出射和反射光斑始终能够被条形平面反射镜完全覆盖。

进一步的，所述条形平面反射镜为条形高精度平面反射镜，且其长边方向与待测运动轴的轴向平行，其短边尺寸能覆盖所述单频干涉位移测量系统入射至负载平台上的出射和反射光斑。

进一步的，所述条形平面反射镜的面度技术指标为PV值小于λ/10。

进一步的，所述单频干涉位移测量系统的工作过程如下：

首先，首先，由激光发射单元发射出的线偏振光经过偏振分光棱镜分成两束线偏振光，分别为偏振方向平行于所述直线导轨横截面的P光和偏振方向垂直于所述直线导轨横截面的S光；所述直线导轨横截面为垂直于所述直线导轨线性方向的截面；

其次，P光透过偏振分光棱镜后平行入射至第二角锥棱镜，经反射垂直向上横移后再次经过偏振分光棱镜，透射后入射至干涉信号处理单元，这束光是干涉位移测量的参考光；

再次，S光经偏振分光棱镜反射后竖直向下依次透过四分之一波片和经条形平面反射镜反射后，原路竖直向上返回再次入射至四分之一波片并透射，此时S光变为P光；之后，新的P光经偏振分光棱镜透射后，竖直向上入射至第一角锥棱镜405，经横移反射后竖直向下再次入射至偏振分光棱镜后透射，透射光向下依次经过四分之一波片以及条形平面反射镜反射后，原路竖直向上返回再次入射至四分之一波片并透射，此时P光又变回S光；之后，S光经偏振分光棱镜反射后入射至干涉信号处理单元，这束光是干涉位移测量的测量光；

干涉信号处理单元接收到的参考光信号和测量光信号的振动方向互相垂直，合成光是椭圆偏振光，通过解算测量光引入的不同椭圆偏振态来获取待测位移信息。

进一步的，所述基于干涉位移测量的滚转角测量系统还包括测量数据处理系统，所述测量数据处理系统包括软件处理单元和设置在所述干涉信号处理单元内的光电探测器；

所述光电探测器用于接收干涉光信息，将光程差信息转换为电流信号，进而获取待测位移信息；所述软件处理单元用于实时接收两个光电探测器的位移信息，并进一步计算滚转角大小。

本发明还提供了一种干涉位移测量系统的滚转角测量系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、单频干涉位移测量系统调零：

设置待测运动轴滚转角目标测量点的位置以及个数，在第1个滚转角目标测量点位置对两单频干涉位移测量系统进行位移调零操作，利用第1个滚转角目标测量点的两个位移测量点构造用于计算滚转角误差的基准线O1O2；

步骤2、干涉位移测量：

安装有条形高精度平面反射镜的负载平台沿待测运动轴的轴向运动至第2个滚转角目标测量点，待负载平台在停止且稳定后，两单频干涉位移测量系统分别进行位移测量得到位移O1D1以及O2D2，获取到位于待测运动轴滚转面上的两个测量点D1和D2，连接D1和D2构造滚转角测量直线D1D2；

步骤3、计算滚转角：

计算直线O1O2和直线D1D2的夹角，得到第2个滚转角目标测量点的滚转角大小；

步骤4、重复步骤2和步骤3，完成待测运动轴上所有目标测量点的滚转角测量，获取到所有测量点的滚转角大小。

有益效果：

1、本发明在保证较高测量精度的同时，充分发挥单频干涉测量技术不受测量速度限制且非线性测量误差小的优势。

2、本发明的测量装置轻巧简便，安装调试简单，测量过程易操作，控制以及数据处理相对简单。

附图说明

图1为本发明一种基于干涉位移测量的滚转角测量方法的结构示意图；

图2为本发明滚转角计算原理图。

图中标号：底座-1；直线导轨-2；负载平台-3；单频干涉位移测量系统-4；条形平面反射镜-401；激光发射单元-402；干涉信号处理单元-403；偏振分光棱镜-404；第一角锥棱镜-405；第二角锥棱镜-406；四分之一波片-407。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于实施例。

如图1所示，一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，包括底座1和两单频干涉位移测量系统4；所述底座1上设有直线导轨2，所述直线导轨2上安装有负载平台3，所述待测运动轴的轴向与所述直线导轨2的线性运动方向一致；

所述单频干涉位移测量系统4，包括条形平面反射镜401、激光发射单元402、干涉信号处理单元403、偏振分光棱镜404、第一角锥棱镜405、第二角锥棱镜406和四分之一波片407；所述激光发射单元402和干涉信号处理单元403设置在所述偏振分光棱镜404的左侧，所述第一角锥棱镜405设置在所述偏振分光棱镜404的上侧，所述第二角锥棱镜406设置在所述偏振分光棱镜404的右侧，所述四分之一波片407设置在所述偏振分光棱镜404的下侧，所述条形平面反射镜401设置在所述偏振分光棱镜404的下方；

两所述单频干涉位移测量系统4沿待测运动轴对称固定在所述底座1的上方；两所述单频干涉位移测量系统4的条形平面反射镜401沿待测运动轴对称固定到负载平台3上，随所述负载平台3的运动而移动；两所述单频干涉位移测量系统4除条形平面反射镜401外的部分悬空固定在所述基底1上，不随所述负载平台3的运动而移动；所述条形平面反射镜401为条形高精度平面反射镜，且其长边方向与待测运动轴的轴向相同，其短边尺寸能覆盖所述单频干涉位移测量系统4入射至负载平台3上的出射和反射光斑；

所述负载平台3运动至任意位置，所述单频干涉位移测量系统4入射至负载平台3上的出射和反射光斑始终能够被条形平面反射镜401完全覆盖。

高精度平面反射镜提供测量光束的反射信号信息，其平面加工精度直接影响滚转角测量精度，平面度技术指标为PV值小于λ/10时测量精度较高。

所述单频干涉位移测量系统4的工作过程如下：

首先，首先，由激光发射单元402发射出的线偏振光经过偏振分光棱镜404分成两束线偏振光，分别为偏振方向平行于所述直线导轨横截面的P光和偏振方向垂直于所述直线导轨横截面的S光；所述直线导轨横截面为垂直于所述直线导轨线性方向的截面；

其次，P光透过偏振分光棱镜404后平行入射至第二角锥棱镜406，经反射垂直向上横移后再次经过偏振分光棱镜404，透射后入射至干涉信号处理单元403，这束光是干涉位移测量的参考光；

再次，S光经偏振分光棱镜404反射后竖直向下依次透过四分之一波片407和经条形平面反射镜401反射后，原路竖直向上返回再次入射至四分之一波片407并透射，此时S光变为P光；之后，新的P光经偏振分光棱镜404透射后，竖直向上入射至第一角锥棱镜405，经横移反射后竖直向下再次入射至偏振分光棱镜404后透射，透射光向下依次经过四分之一波片407以及条形平面反射镜401反射后，原路竖直向上返回再次入射至四分之一波片407并透射，此时P光又变回S光；之后，S光经偏振分光棱镜404反射后入射至干涉信号处理单元403，这束光是干涉位移测量的测量光；

干涉信号处理单元403接收到的参考光信号和测量光信号的振动方向互相垂直，合成光是椭圆偏振光，通过解算测量光引入的不同椭圆偏振态来获取待测位移信息。

所述基于干涉位移测量系统的滚转角测量系统的测量数据处理系统包括软件处理单元和设置在所述干涉信号处理单元403内的光电探测器；所述光电探测器用于接收干涉光信息，将光程差信息转换为电流信号，进而获取待测位移信息；所述软件处理单元用于实时接收两个光电探测器的位移信息，并进一步计算滚转角大小。

一种基于干涉位移测量系统的滚转角测量系统的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、单频干涉位移测量系统调零

设置待测运动轴滚转角目标测量点的位置以及个数，在第1个滚转角目标测量点位置对单频干涉位移测量系统4和5进行位移调零操作，利用第1个滚转角目标测量点的两个位移测量点(即图2所示的测量点1和测量点2)构造用于计算滚转角误差的基准线O₁O₂(即图2中所示的直线O₁O₂)；

步骤2、干涉位移测量

安装有条形高精度平面反射镜的负载平台沿待测运动轴的轴向运动至第2个滚转角目标测量点，待负载平台在停止且稳定后，两单频干涉位移测量系统分别(在图2所示的位移测量点1和位移测量点2进行位移测量)进行位移测量，分别记录测量数据，获取到位于待测运动轴滚转面上的两个测量点D₁和D₂，连接D₁和D₂构造滚转角测量直线D₁D₂；

安装有条形高精度平面反射镜的负载平台沿待测运动轴的轴向运动至第2个滚转角目标测量点，待负载平台在停止且稳定后，两单频干涉位移测量系统分别(在图2所示的位移测量点1和位移测量点2)进行位移测量得到位移O₁D₁以及O₂D₂，获取到位于待测运动轴滚转面上的两个测量点D₁和D₂，连接D₁和D₂构造滚转角测量直线D₁D₂；

步骤3、计算滚转角

计算直线O₁O₂和直线D₁D₂的夹角，得到第2个滚转角目标测量点的滚转角大小；

步骤4、重复步骤2和步骤3，完成待测运动轴上所有目标测量点的滚转角测量，获取到所有测量点的滚转角大小。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，其特征在于，包括底座(1)和两单频干涉位移测量系统(4)；所述底座(1)上设有直线导轨(2)，所述直线导轨(2包括导轨(201)和滑块(202)；所述负载平台(3)安装在所述滑块(202)的上端面上，所述待测运动轴的轴向与所述直线导轨(2)的线性运动方向一致；

所述单频干涉位移测量系统(4)，包括条形平面反射镜(401)、激光发射单元(402)、干涉信号处理单元(403)、偏振分光棱镜(404)、第一角锥棱镜(405)、第二角锥棱镜(406)和四分之一波片(407)；所述激光发射单元(402)和干涉信号处理单元(403)设置在所述偏振分光棱镜(404)的左侧，所述第一角锥棱镜(405)设置在所述偏振分光棱镜(404)的上侧，所述第二角锥棱镜(406)设置在所述偏振分光棱镜(404)的右侧，所述四分之一波片(407)设置在所述偏振分光棱镜(404)的下侧，所述条形平面反射镜(401)设置在所述偏振分光棱镜(404)的下方；

两所述单频干涉位移测量系统(4)沿待测运动轴对称固定在所述底座(1)的上方；两所述单频干涉位移测量系统(4)的条形平面反射镜(401)沿待测运动轴对称固定到负载平台(3)上，随所述负载平台(3)的运动而移动；两所述单频干涉位移测量系统(4)除条形平面反射镜(401)外的部分悬空固定在所述底座(1)上，不随所述负载平台(3)的运动而移动；所述负载平台3运动至任意位置，所述单频干涉位移测量系统(4)入射至负载平台(3)上的出射和反射光斑始终能够被条形平面反射镜(401)完全覆盖。

2.根据权利要求1所述的一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，其特征在于，所述条形平面反射镜(401)为条形高精度平面反射镜，且其长边方向与待测运动轴的轴向平行，其短边尺寸能覆盖所述单频干涉位移测量系统(4)入射至负载平台(3)上的出射和反射光斑。

3.根据权利要求2所述的一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，其特征在于，所述条形平面反射镜(401)的面度技术指标为PV值小于λ/10。

4.根据权利要求1所述的一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，其特征在于，所述单频干涉位移测量系统(4)的工作过程如下：

首先，由激光发射单元(402)发射出的线偏振光经过偏振分光棱镜(404)分成两束线偏振光，分别为偏振方向平行于所述直线导轨横截面的P光和偏振方向垂直于所述直线导轨横截面的S光；所述直线导轨横截面为垂直于所述直线导轨线性方向的截面；

其次，P光透过偏振分光棱镜(404)后平行入射至第二角锥棱镜(406)，经反射垂直向上横移后再次经过偏振分光棱镜(404)，透射后入射至干涉信号处理单元(403)，这束光是干涉位移测量的参考光；

再次，S光经偏振分光棱镜(404)反射后竖直向下依次透过四分之一波片(407)和经条形平面反射镜(401)反射后，原路竖直向上返回再次入射至四分之一波片(407)并透射，此时S光变为P光；之后，新的P光经偏振分光棱镜(404)透射后，竖直向上入射至第一角锥棱镜405，经横移反射后竖直向下再次入射至偏振分光棱镜(404)后透射，透射光向下依次经过四分之一波片(407)以及条形平面反射镜(401)反射后，原路竖直向上返回再次入射至四分之一波片(407)并透射，此时P光又变回S光；之后，S光经偏振分光棱镜(404)反射后入射至干涉信号处理单元(403)，这束光是干涉位移测量的测量光；

干涉信号处理单元(403)接收到的参考光信号和测量光信号的振动方向互相垂直，合成光是椭圆偏振光，通过解算测量光引入的不同椭圆偏振态来获取待测位移信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于干涉位移测量的滚转角测量系统，其特征在于，所述测量数据处理系统包括软件处理单元和设置在所述干涉信号处理单元(403)内的光电探测器；

所述光电探测器用于接收干涉光信息，将光程差信息转换为电流信号，进而获取待测位移信息；所述软件处理单元用于实时接收两个光电探测器的位移信息，并进一步计算滚转角大小。

6.一种干涉位移测量系统的滚转角测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、单频干涉位移测量系统调零：

设置待测运动轴滚转角目标测量点的位置以及个数，在第1个滚转角目标测量点位置对两单频干涉位移测量系统进行位移调零操作，利用第1个滚转角目标测量点的两个位移测量点构造用于计算滚转角误差的基准线O₁O₂；

步骤2、干涉位移测量：

安装有高精度条形平面反射镜的负载平台沿待测运动轴的轴向运动至第2个滚转角目标测量点，待负载平台在停止且稳定后，两单频干涉位移测量系统分别进行位移测量得到位移O₁ D₁以及O₂D₂，获取到位于待测运动轴滚转面上的两个测量点D₁和D₂，连接D₁和D₂构造滚转角测量直线D₁D₂；

步骤3、计算滚转角：

计算直线O₁O₂和直线D₁D₂的夹角，得到第2个滚转角目标测量点的滚转角大小；

步骤4、重复步骤2和步骤3，完成待测运动轴上所有目标测量点的滚转角测量，获取到所有测量点的滚转角大小。

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