CN1217154C - 一种利用单光束激光进行准直/轴对中测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于利用激光进行精密测量的技术。其技术方案是：将半导体激光器LD和位敏探测器PSD分别安装到待对中的两轴上，以半导体激光器LD支柱的轴线与从动轴B的轴线之交点为坐标原点O，作直角坐标系O-XYZ，X轴沿半导体激光器LD支柱的轴线向上，Z轴沿从动轴B的轴线向右，Y轴则垂直于纸面向外。本发明提供了以半导体激光器LD和位敏探测器PSD作为测量仪器及其测量数据处理的数学模型，该测量方法不仅其装置结构简单，而且扩大了功能，可兼作激光准直仪使用，而且其数学模型还可用于对计算机采集的数据进行处理。

Description

一种利用单光束激光进行准直/轴对中测量的方法

                        技术领域

本发明属于利用激光进行精密测量技术领域。

                        背景技术

自激光出现后，人们利用其优良的高方向、高单色、高能量等性能对许多传统的技术进行了革命性改造。

传统的机械轴对中(即调同轴)采用千分表，必须人眼读数，手工计算；不便且费时。经激光对中仪取代后，可用计算机进行数据的采集和处理，使测量过程变得简单、迅速。

现有的激光对中仪主要有双光束型，其基本结构有两种。一种是半导体激光器LD与位敏探测器PSD作为一方装在一个盒内，直角棱镜作为另一方装在另一盒内，分别置于待对中的两轴上，由棱镜将激光束返回。另一种结构是在两轴上各有一对LD和PSD。个别采用单光束者，则安装了两个位敏探测器，利用半反半透镜将激光束一分为二。以上两种结构不但所用元件多，而且用途单一。

                        发明内容

本发明的目的是提供一种采用单光束激光、一个位敏探测器PSD的激光对中仪，使结构简化，功能扩大，可兼作激光准直仪，并提出了对计算机所采集的数据进行处理的数学模型。

本发明的技术方案是：将半导体激光器LD和位敏探测器PSD分别安装到待对中的两轴上，即图1中示出的从动轴B(2)和主动轴A(1)，以半导体激光器LD支柱的轴线与从动轴B的轴线之交点为坐标原点O，作直角坐标系O-XYZ，见图1，X轴沿半导体激光器LD支柱的轴线向上，Z轴沿从动轴B的轴线向右，Y轴则垂直于纸面向外。设位敏探测器PSD支柱的轴线与主动轴A的轴线之交点在坐标系的坐标为x₀，y₀和z₀，两轴夹角在竖直面和水平面的投影分别为θ和φ，利用本方法进行测量时，须同步、同向转动两轴，转角为α，测出半导体激光器LD发出的激光束照射到位敏探测器PSD上的光斑的位置，即光斑在位敏探测器PSD上的二维坐标X和Y，则可计算出上述表征两轴相对位置的参量x₀，y₀，θ和φ。

半导体激光器LD发出的激光束照射到位敏探测器PSD上的光斑的二维坐标与两轴轴线相对位置关系的数据处理模型为：

$X=(h\cos \mathrm{\α}-x_0)[\sin \mathrm{\α}\tan \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\φ}+\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}]+(h\sin \mathrm{\α}-y_0)\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\φ}}-h,$

$Y=(h\cos \mathrm{\α}-x_0)[\cos \mathrm{\α}\tan \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\φ}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}]+(h\sin \mathrm{\α}-y_0)\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\φ}},$

式中h为激光束到从动轴B轴线之间的距离。

本发明不仅结构简单，而且扩大了功能，可兼作激光准直仪，还提出了数学模型用于对计算机采集的数据进行处理。

                        附图说明

图1是本发明的组成示意图；

图2是本发明中的LD安装、调整示意图；

图3是本发明中的PSD安装、调整示意图。

                       具体实施方式

本发明由半导体激光器LD、位敏探测器PSD及其装卡机构和计算机C组成，如图1所示。

LD发出作为直线基准的激光束K，并照射到PSD上。PSD能够输出光斑的位置信号，用二维坐标表示；该信号由计算机C采集并处理。

该仪器作为准直仪，原理比较简单；只须激光束的方向不变，沿激光束方向改变PSD的位置即可；关键是须精密调整PSD至准直的位置。

作为对中仪，需要较详细地说明如下：将半导体激光器LD和位敏探测器PSD分别安装到待对中的两轴上，即图1中示出的从动轴B(2)和主动轴A(1)。以半导体激光器LD支柱的轴线与从动轴B的轴线之交点为坐标原点O，作直角坐标O-XYZ，见图1。X轴沿LD的支柱轴线向上，Z轴沿B轴轴线向右，Y轴则垂直于纸面向外。设PSD支柱的轴线与主动轴A的轴线之交点在该坐标系的坐标为x₀，y₀和z₀，两轴的夹角在竖直面和水平面的投影分别是θ和φ。利用本仪器进行测量时，需同步、同向转动两轴，设转角为α，测出光斑的位置，即光斑在PSD上的二维坐标，则可计算出上述表征两轴相对位置的参量x₀，y₀，θ和φ。从而按下式可求得待对中的两机械轴的调整量：

                      X₁＝-L₁ sinθ-x₀，         (1)

                      X₂＝-L₂ sinθ-x₀，         (2)

                      Y₁＝-L₁ cosθsinφ-y₀，    (3)

                      Y₂＝-L₂ cosθsinφ-y₀，    (4)

式中X₁，X₂和Y₁，Y₂分别为垂直方向和水平方向的调整量；L₁和L₂如图1所示。

光斑在PSD上的位置、即坐标信号，送入放大器放大，由A/D板采集，最后由计算机按所给的数学模型处理。

LD和PSD的安装、调整示意见图2和图3。LD绕支点3经调节螺丝4进行俯仰调节和调节螺丝5进行偏转调节；而PSD用螺丝6进行水平移动和用螺丝7进行垂直移动。

本发明的特征是：采用单光束，一个位敏探测器，激光准直与激光对中合二而一。这是类似仪器所不具备的。

由于本仪器采用单光束，且仅用一个二维位敏探测器，因此必须寻找新的数据处理模型。根据本仪器测量的特点，我们用矩阵方法进行坐标变换，得到光斑在PSD上的坐标与两轴相对位置的关系：

$X=(h\cos \mathrm{\α}-x_0)[\sin \mathrm{\α}\tan \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\φ}+\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}]+(h\sin \mathrm{\α}-y_0)\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\φ}}-h,---\left(5\right)$

$Y=(h\cos \mathrm{\α}-x_0)[\cos \mathrm{\α}\tan \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\φ}+\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}]+(h\sin \mathrm{\α}-y_0)\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\φ}},---\left(6\right)$

式中h为激光束到从动轴轴线之间的距离，其他参量已如前述。选择特殊的α角度，测量相应的X和Y，由(5)、(6)解出x₀，y₀，θ和φ，代入(1)～(4)式。

本发明采用单光束、一个位敏探测器PSD，使结构简化，功能扩大，兼作激光准直仪，提出了对计算机所采集的数据进行处理的数学模型。

Claims (2)

1.一种利用单光束激光进行准直/对中测量的方法，其特征是，将半导体激光器LD和位敏探测器PSD分别安装到待对中的两轴上，即图1中示出的从动轴B(2)和主动轴A(1)，以半导体激光器LD支柱的轴线与从动轴B的轴线之交点为坐标原点O，作直角坐标系O-XYZ，见图1，X轴沿半导体激光器LD支柱的轴线向上，Z轴沿从动轴B的轴线向右，Y轴则垂直于纸面向外，设位敏探测器PSD支柱的轴线与主动轴A的轴线之交点在坐标系的坐标为x₀，y₀和z₀，两轴夹角在竖直面和水平面的投影分别为θ和φ，利用本方法进行测量时，须同步、同向转动两轴，转角为α，测出半导体激光器LD发出的激光束照射到位敏探测器PSD上的光斑的位置，即光斑在位敏探测器PSD上的二维坐标，则可计算出上述表征两轴相对位置的参量x₀，y₀，θ和φ。

2.根据权利要求1所述的利用单光束激光进行准直/对中测量的方法，其特征是，半导体激光器LD发出的激光束照射到位敏探测器PSD上的光斑的二维坐标与两轴轴线相对位置关系的数据处理模型为：

$X=(h\cos \mathrm{\α}-x_0)[\sin \mathrm{\α}\tan \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\φ}+\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}]+(h\sin \mathrm{\α}-y_0)\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\φ}}-h,$

$Y=(h\cos \mathrm{\α}-x_0)[\cos \mathrm{\α}\tan \mathrm{\θ}\tan \mathrm{\φ}-\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}]+(h\sin \mathrm{\α}-y_0)\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\φ}},$

式中h为激光束到从动轴B轴线之间的距离。

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