CN116222464A - 一种高精度线性位移检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度线性位移检测系统，包括：基线导轨；设置在基线导轨上能够沿基线导轨滑动的位移移动装置；激光干涉位移数据采集系统，包括激光器和反射镜组；激光器作为标准测量器件，反射镜组对用于三路光路，形成用于激光器补偿的测量平面；激光分光系统，用于将激光器发射的激光分成三个平行且不共线的光路；环境监测模块，用于采集环境参数；补偿模块，用于根据环境参数补偿激光器的波长，并根据采集的位移量和另外两条光路与主光路的距离，对激光器的测量值进行补偿；计算模块，根据激光器采集的位移量和被测仪器采集的位移量计算被测仪器的示值误差。本发明能够对大长度类计量仪器提供量值溯源。

Description

一种高精度线性位移检测系统
技术领域
本发明属于室内大长度计量仪器的几何量量值溯源校准领域，特别是一种高精度线性位移检测系统。
背景技术
大长度（大尺寸）计量是几何量计量的一个重要发展方向，近年来随着大型制造业发展的需求，大长度计量仪器也随之迅速发展起来，如激光跟踪仪、激光测距仪、光电测距仪、组合式经纬仪坐标测量系统、雷达扫描测量系统、摄像测量、摄影测量等等，广泛应用于国防工业、航空航天、船舶和装备制造领域，且这类仪器的数量在不断增长。这类仪器量值溯源工作就显得尤为重要，部分仪器如激光干涉仪、激光跟踪仪、激光测距仪国家都已经发布了相应的校准规范，而更多的大长度计量仪器都没有相应的计量校准规范。
发明内容
本发明的目的在于提供一种长距离高精度二维基线系统，为激光干涉仪、激光跟踪仪、激光测距仪等大长度类计量仪器提供量值溯源服务，并可为尚未有国家计量校准规范的同类大长度计量仪器的量值溯源提供一种技术手段。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种高精度线性位移检测系统，包括：
基线导轨；
设置在基线导轨上能够沿基线导轨滑动的位移移动装置，用于带动反射镜组的水平位移；
激光干涉位移数据采集系统，包括激光器和反射镜组；激光器作为标准测量器件，反射镜组对用于三路光路，形成用于激光器补偿的测量平面；
激光分光系统，用于将激光器发射的激光分成三个平行且不共线的光路，包括：主光路、X向扭摆监控光路、Z向俯仰监控光路，分别用于获取位移移动装置的位移值、横向和纵向的位移量；
环境监测模块，用于采集气压、气温、湿度的环境参数；
补偿模块，用于根据环境监测模块采集的环境参数，补偿激光器的波长，并根据激光器采集的位移量和另外两条光路与主光路的距离，对激光器的测量值进行补偿；
计算模块，根据激光器采集的位移量和被测仪器采集的位移量计算被测仪器的示值误差。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
（1）现有基线导轨地基通常按固定间隔采用打桩至岩石层的做法，该种做法成本较高，且对地质条件有较高要求，否则导轨会发生沉降变形，而本发明采用了一体式整体浇筑钢筋混凝土地基，使得大长度基线导轨避免发生局部沉降，从而影响基线导轨的使用寿命，保证测量准确度。经实际使用实践证明，该种方式运行情况良好，在不具备岩石层的地质条件下也能够使用。
（2）采用了一光路分成三光路，并同时达到测量距离为50米，保证了三条光路激光稳定度的一致性和测量准确度的一致性，从而能够节约成本，准确监控基线导轨位移平台移动过程中的扭摆、俯仰偏差，进行实时补偿（补偿方法如激光分光系统中所述），获取高精度位移量。
（3）采用伺服电机加同步带的初级定位和音圈电机精密定位的二级驱动方式，从而实现位移平台快速准确地定位，定位准确度优于±1μm。
（4）在基线位移平台上安装高精度竖轴，使得整个测量系统能够组成二维空间坐标系，结合被测件的摆放位置，从而能够对三维空间坐标定位测量系统进行量值溯源。
附图说明
图1为高精度二维基线系统结构示意图。
图2为高精度二维基线系统实物图。
图3为基线导轨地基结构剖面图。
图4为位移闭环控制流程图。
图5为一束光分成三束等光强光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种长距离高精度二维基线系统，包括基线导轨系统、位移移动装置、激光干涉位移数据采集系统、激光分光系统、竖轴系统五个部分组成。整个高精度二维基线系统实物如图2所示。
由于位移移动装置是采用气浮机构在基线导轨2-11上滑动，所以基线导轨2-11必须平直、稳固、不能有局部沉降。故设计采用13块长4米宽0.4米高0.6米的大理石组成基线导轨。为防止沉降，基线导轨2-11必须架设在经设计的钢筋混凝土地基上，如图3所示。整个地基深1.5m，地基先是素土夯实，铺上砂石层，夯实后再整体浇筑钢筋混凝土，这样就能确保整个基线导轨2-11不会发生局部沉降，经久耐用。整个基线导轨2-11调试完成后须达到水平面内的直线度不大于：0.003mm/m；0.015mm/4000mm；0.08mm/20m；0.5mm/50m，侧导向面的直线度不大于：0.004mm/m；0.02mm/4000mm；0.10mm/20m； 0.5mm/50m。这样才能保证移动装置在基线导轨2-11上移动时，平稳顺滑。激光才能在全程范围内经反射后原路返回。导轨地基剖面图如图3所示。
位移移动装置安置在上述大理石基线导轨2-11上，移动装置采用气浮结构，第一伺服电机2-7和音圈电机2-9两级驱动，闭环控制实现精确定位。移动装置底部加工出进气管道，通过外部空气压缩机供气，压缩空气经空气过滤器，空气压力调节阀输入气浮管道产生浮力，使主动滑块2-8与基线导轨2-11非接触分离，减小摩擦力，延长导轨使用寿命。根据主动滑块2-8载荷重量的不同，调节压力阀进气量压力大小可实现对不同载荷的移动装置均能够平稳运行。在移动装置与基线导轨2-11连接的侧面，安装负压吸附块，运行时以保证位移装置始终能够吸附在导轨的侧面，从而减小移动装置运动过程中的扭摆。
移动装置动力部分可分为主动机构和从动机构两部分。主动机构部分主要由第一伺服电机2-7、主动滑块2-8、传动同步带2-12组成。同步带2-12贴附在基线导轨2-11的一侧，同步带2-12为橡胶制品，所以其可以极大缓冲第一伺服电机2-7与基线导轨2-11的直接接触摩擦，保护导轨。由于同步带2-12与基线导轨2-11为柔性连接，就可以很好地预防由于地基沉降所造成的第一伺服电机2-7与基线导轨2-11的刚性接触。第一伺服电机2-7固定在主动滑块2-8上，在第一伺服电机2-7的转子端部安装与同步带2-12相配合的齿轮。当移动装置接收到位移命令时，第一伺服电机2-7在同步带2-12上滚动前行，从而带动移动装置（主动滑块2-8）快速定位到目标位置±1mm附近。气浮移动装置运行时，主动机构利用夹紧机构闭合连接从动机构，从动机构部分主要由音圈电机2-9、从动滑块2-10组成。主动滑块2-8通过夹紧机构与音圈电机2-9相连，音圈电机2-9与从动滑块2-10相连。主动滑块和从动滑块都设置在基线导轨2-11上。当位移装置接受到位移指令，第一伺服电机2-7运动到位后。从动机构利用激光干涉仪的数据，并将数据反馈给闭环控制软件，由音圈电机2-9将移动装置（从动滑块2-10）快速定位至目标位置±1μm处，从而实现精确定位。整个过程有接受指令、伺服电机快速粗定位、激光位移反馈、软件闭环控制、音圈电机精确定位等过程组成。具体位移闭环控制过程如图4所示。
激光干涉位移数据采集系统，作为标准位移量采集装置，激光干涉仪激光器2-1放置在基线导轨2-11上，反射镜组2-3（包括对应主光路的主反射镜，对应X向扭摆监控光路的反射镜和对应Z向俯仰监控光路的反射镜）放置在移动装置上，采集位移装置位移量准确值，激光器2-1投入使用前需先进行拍频校准，以确定激光的实际频率及真空中理论波长λ0。激光干涉是以激光波长为基准的长度测量仪器，波长的正确与否直接影响干涉仪测长的准确度。在实际使用过程中，一方面空气折射率的变化直接影响波长，另一方面在非20℃条件下的测量值需要折算到标准计量温度（20℃）下的示值，波长补偿即包含了上述二方面的内容，其补偿量分别为
Figure SMS_1
δλn为空气折射率引入的激光波长变化量，λ0为激光在真空中的波长，δns为空气折射率的变化量，ns为正常态（气压1013.25kPa，温度20℃，湿度50%RH）的空气折射率，δλw为偏离20℃时的长度变化量，tw和α为被测件的温度及热膨胀系数。
计算机设有补偿模块，以补偿激光器的波长，根据Edlen经验公式，实际测量中的总波长补偿量为：
Figure SMS_2
λs为正常态下的激光波长值，δp、δt、δf为气压、气温、湿度相对于正常态的变化量，tw为被测件温度。
根据以上公式，激光干涉位移测量系统配置两个空气压力传感器，两个空气湿度传感器，20个空气温度传感器，实时监控室内空气温度、湿度、气压值，并实时传输至计算机控制系统软件中，对激光波长进行实时补偿，从而得到准确的位移值。
激光分光系统2-2，包括两个分光镜和两个转向镜；本发明所用光路区别于传统采用三个激光头分别搭建三路光的方式，只采用了一个激光头通过分光系统、转角系统将激光干涉仪一束主光分成三个光强一致的光路。不但极大地节约了成本，还可以保证三路光频率一致，避免了由于三个激光器测量准确度各不相同而产生的系统误差。具体做法首先将激光器2-1安装在基线导轨2-11一侧，反射镜组2-3安装在从动滑块2-10上，将主光束调整至与基线导轨2-11平行。在主光束前面安装第一个45°角半透半反的分光镜，其透射率33%反射率67%，将反射出的光再经过另一个45度半透半反的分光镜，其透射率反射率都为50%。第一个45°角半透半反的分光镜透射的光经过转向镜（Z向反射镜）形成Z向俯仰监控光路，第二个45°角半透半反的分光镜透射的光经过转向镜（X向反射镜）形成X向俯仰监控光路，光路图如图5所示。这样就将一束光分成了三束光，并且光强一致，其中一束为主光路，一束为X向扭摆监控光路，还有一束为Z向俯仰监控光路，三路光路相互平行，均平行于基线导轨2-11。
三束光的反光镜（反射镜组2-3）都安装在从动滑块2-10上，形成一个垂直于主光路的测量平面，分别对应三束光。一路光为主光路，提供位移平台的水平精确位移值（滑移方向），另两路光为辅助光路，分别监控位移装置横向（水平垂直于滑移方向）和纵向（竖直方向）的位移量，该位移量值与主光路位移量进行比较，从而实现对位移平台扭摆、俯仰姿态的实时监控。在该测量平面上任意一点均可实现高精度位移值，从而对测量对象的摆放位置具有较大的可选择范围。补偿模块，根据采集的激光器采集的位移量和另外两条光路与主光路的距离，对激光器的测量值进行补偿，具体实现方法如下，
将被测件的激光器平行于标准激光干涉仪的激光器2-1固定放置在基线导轨2-11上，主光路、X向扭摆监控光路、Z向俯仰监控光路的位移值分别为S、Sx、Sz。X向转向镜距离主光路反射镜距离为X0、Z向转向镜距离主光路反射镜距离为Z0。被测件的反射镜安装在测量平面上，距离主反射镜的横向和纵向距离分别为X1、Z1。则该测量点补偿后的标准值为：
Figure SMS_3
本发明主要提供的长距离高精度二维位移基线系统，既可以利用激光干涉系统配合环境参数传感器，实现位移装置的高精度一维位移量测量准确度为0.1μm+0.1×10-6L，在三个反射镜组成的目标测量面上任意一点均可实现精确定位，可用于最大允许误差0.5×10-6L的激光干涉仪量值溯源，溯源时现将被捡仪器反射镜安装在测量系统测量面上，用数显卡尺测量安装点距测量系统主光路X向、Z向距离并输入值计算机的计算模块中。在起点位置时将测量系统与被测件分别置零，逐步将测量系统位移装置移动至下一测量点，分别记录测量系统的位移量与被测仪器的位移量，两者之间的差值即为被测仪器的各校准点的示值误差。
本发明还设有竖轴系统，包括第二伺服电机2-6、丝杠、金属光栅、竖轴滑块2-4。竖轴系统设置在从动滑块2-10上，第二伺服电机2-6通过丝杠带动竖轴滑块2-4在固定在从动滑块2-10上的支座2-5上进行竖向滑动，金属光栅用于测量位移滑块2-4的位移量。竖轴系统与水平基线垂直安装，两者组成一个直角坐标系统，从而实现空间位移精确测量。竖轴系统位移量值由金属光栅提供，由于光栅在使用前需要对其准确度进行补偿，为保证补偿数据的准确性，采用绝对位置补偿法，安装一个光电开关触发器作为零点位置。系统启动时，首先将竖轴滑块2-4归零操作，找到其零点位置。竖轴滑块2-4的驱动，由伺服电机带动丝杠转动，将转动转化为竖轴滑块2-4的直线运动，由金属光栅确定滑块的位移量，位移准确度控制在±2μm以内。
本发明中激光干涉系统与竖轴系统相互垂直安装，两者组成直角坐标系，可实现空间三维定位坐标测量系统（如激光跟踪仪）的量值溯源。溯源时将被测仪器反射靶标安装在竖轴系统滑块上，在起始点通过激光干涉仪激光器2-1和金属光栅读取系统的激光数据L1和竖轴数据M1得到（L1，M1），被测仪器此时采集反射靶标的空间位置坐标（X1，Y1，Z1），通过移动装置和竖轴系统，将测量系统的移动至下一位置，激光干涉仪激光器2-1和金属光栅读取分别测得数据（L2，M2），被测仪器再次采集反射标靶的空间位置坐标（X2，Y2，Z2）。则此时被测仪器该受校点的位移示值误差为：
Figure SMS_4
。/>

Claims (10)

1.一种高精度线性位移检测系统，其特征在于，包括：
基线导轨；
设置在基线导轨上能够沿基线导轨滑动的位移移动装置，用于带动反射镜组的水平位移；
激光干涉位移数据采集系统，包括激光器和反射镜组；激光器作为标准测量器件，反射镜组对用于三路光路，形成用于激光器补偿的测量平面；
激光分光系统，用于将激光器发射的激光分成三个平行且不共线的光路，包括：主光路、X向扭摆监控光路、Z向俯仰监控光路，分别用于获取位移移动装置的位移值、横向和纵向的位移量；
环境监测模块，用于采集气压、气温、湿度的环境参数；
补偿模块，用于根据环境监测模块采集的环境参数，补偿激光器的波长，并根据激光器采集的位移量和另外两条光路与主光路的距离，对激光器的测量值进行补偿；
计算模块，根据激光器采集的位移量和被测仪器采集的位移量计算被测仪器的示值误差。
2.根据权利要求1所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，还包括设置在位移移动装置上的竖轴系统，用于安装被测仪器反射靶标，结合位移移动装置，得到被测仪器的二维位移示值误差。
3.根据权利要求1或2所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，所述补偿模块对激光器的测量值进行补偿通过下式实现：
Figure QLYQS_1
；
其中Sz为补偿后的标准值，S、Sx、Sz分别为主光路、X向扭摆监控光路、Z向俯仰监控光路采集的位移值；X0、Z0分别为X向扭摆监控光路、Z向俯仰监控光路与主光路的距离；X1、Z1分别被测靶标距离主光路的横向和纵向距离。
4.根据权利要求2所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，计算模块计算被测仪器的示值误差，通过下式实现：
Figure QLYQS_2
；
其中（L1，M1）为激光器和竖轴系统获取的反射靶标起始点数据；（X1，Y1，Z1）为被测仪器采集反射靶标的起始点空间位置坐标；（L2，M2）为激光器和竖轴系统获取的反射靶标下一位置点数据；（X2，Y2，Z2）为被测仪器采集反射靶标的下一位置点空间位置坐标。
5.根据权利要求1或2所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，所述补偿模块补偿激光器的波长通过下式实现：
Figure QLYQS_3
；
其中，δλ为波长补偿量，λs为正常态下的激光波长值，δp、δt、δf为气压、气温、湿度相对于正常态的变化量，tw为被测件温度，α为被测件的热膨胀系数。
6.根据权利要求1或2所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，所述位移移动装置包括主动机构和从动机构两部分；
主动机构，由伺服电机、主动滑块、传动同步带组成；同步带贴附在基线导轨的一侧，伺服电机固定在主动滑块上，在伺服电机的转子端部安装有与同步带相配合的齿轮；
从动机构，由音圈电机、从动滑块组成；主动滑块与音圈电机相连，音圈电机与从动滑块相连。
7.根据权利要求1所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，所述基线导轨水平面内的直线度不大于：0.003mm/m；0.015mm/4000mm；0.08mm/20m；0.5mm/50m，侧导向面的直线度不大于：0.004mm/m；0.02mm/4000mm；0.10mm/20m； 0.5mm/50m。
8.根据权利要求1所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，基线导轨地基采用一体式整体浇筑钢筋混凝土地基。
9.根据权利要求1所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，所述激光分光系统包括两个分光镜和两个转向镜；第一个45°角半透半反的分光镜，其透射率33%反射率67%；反射出的光再经过另一个45度半透半反的分光镜，透射的光经过转向镜形成Z向俯仰监控光路；另一个分光镜的透射率反射率都为50%，透射的光经过另一个转向镜形成X向俯仰监控光路。
10.根据权利要求1所述的高精度线性位移检测系统，其特征在于，所述位移移动装置采用气浮结构。
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