CN203908500U - 一种激光跟踪测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种激光跟踪测量装置，包含：激光干涉仪、角锥棱镜、偏振分光棱镜、分光棱镜、干涉滤光片、光电位置传感器、信号处理板、跟踪控制板、跟踪转镜、伺服电机和猫眼逆反射镜；所述激光干涉仪的光路经偏振分光棱镜分为两路：基准光路和测量光路；在所述基准光路上设置角锥棱镜，基准光路上的光束经角锥棱镜反射后沿原光路返回；所述测量光路上依次设置分光棱镜、跟踪转镜和猫眼逆反射镜；所述分光棱镜的另一输出光路上设置一干涉滤光片，且干涉滤光片将返回的测量光路信号输入至光电位置传感器，该光电位置传感器将信号依次输入信号处理板和跟踪控制板进行处理，跟踪控制板将信号输入伺服电机，进一步控制跟踪转镜的翻转。

Description

一种激光跟踪测量装置

技术领域

本发明涉及激光测量装置，具体涉及一种激光跟踪测量装置。

背景技术

本实用新型设计一种激光跟踪测量装置，适用于大尺寸的跟踪测量。例如：飞机形面的测量、车身尺寸的检测、地铁列车的检测等领域。

激光跟踪测量系统一般由激光干涉仪、跟踪头、控制器、上位机、反射靶镜及测量附件等部分组成。激光跟踪测量系统可仅采用长度量或采用长度量结合角度量，通过计算得到空间被测点的三维位置坐标。长度量由激光干涉仪得到的长度变动量和基准长度量推导得出，角度量由编码器或光栅尺得出。

根据测量原理和跟踪机构的数量分类，激光跟踪测量系统可分为：基于球坐标法的激光跟踪测量系统(单站式)、基于三角法的激光跟踪测量系统(双站式)和基于多边法的激光跟踪测量系统(多站式)三大类。

激光跟踪装置在国外技术相对成熟，API、Leica、FARO等这些世界上的知名公司和研究机构都花费了大量人力和财力研究激光跟踪测量系统，且早有成型产品投入市场，在许多领域都发挥着重大作用。

虽然激光跟踪装置在我国得到了广泛应用，但我国与激光跟踪装置的研究起步较晚，市面上尚未发现有成型产品出现。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本实用新型提供一种激光跟踪测量装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种激光跟踪测量装置，包含：激光干涉仪1，所述的激光测量装置还包含：角锥棱镜、偏振分光棱镜、分光棱镜、干涉滤光片、光电位置传感器2、信号处理板3、跟踪控制板4、跟踪转镜7、伺服电机5和猫眼逆反射镜6；

所述激光干涉仪1的光路经偏振分光棱镜分为两路：基准光路和测量光路；在所述基准光路上设置角锥棱镜，基准光路上的光束经角锥棱镜反射后沿原光路返回；所述测量光路上依次设置分光棱镜、跟踪转镜7和猫眼逆反射镜6，测量光路上的光束经猫眼逆反射镜6反射至跟踪转镜7，再经跟踪转镜7反射至分光棱镜分为两路，一路经分光棱镜投射后沿原光路返回至激光干涉仪1中，并与基准光路上的光束汇合；

所述分光棱镜的另一输出光路上设置一干涉滤光片，且干涉滤光片将返回的测量光路信号输入至光电位置传感器2，光电位置传感器2的输出端依次与信号处理板和跟踪控制板相连接，跟踪控制板的输出端又与伺服电机5相连，所述伺服电机5依据跟踪控制板的输出信号进一步控制跟踪转镜7的翻转。

可选的，上述的信号处理板3包含依次串联连接的：I/V转换单元、电压放大单元、单端转差分单元、A/D转换单元和第一处理单元；

其中，所述I/V转换单元的输入端与光电位置传感器2的输出端相连；所述第一处理单元基于FPGA实现，包含AD9238信号读入单元、求和单元与平均单元和输出端，该输出端作为信号处理板的输出端且与跟踪控制板4的输入端相连。

可选的，上述的跟踪控制板4进一步包含：

DSP芯片11，该DSP芯片11的输入端与所述信号处理板的输出端相连，且该DSP芯片11与第二处理单元10相连实现双向的并行数据传输；

所述第二处理单元10基于FPGA实现，包含：光栅信号计数与辨向单元和并行转串行单元，第二处理单元10的六组输出端分别与第一单端转差分单元23、第一D/A转换单元24、第二单端转差分单元37、第二D/A转换单元38、第一驱动器8和第二驱动器40相连；

所述第一单端转差分单元23和第一D/A转换单元24的输出端与第一驱动器8相连；

所述第二单端转差分单元37和第二D/A转换单元38的输出端与第二驱动器40相连；

所述第一驱动器8的输出端与第一伺服电机5相连；

所述第二驱动器40的输出端与第二伺服电机39相连；

第一伺服电机5和第二伺服电机39的主轴分别与控制跟踪转镜7旋转的偏摆轴和俯仰轴同轴；且安装在第一伺服电机5和第二伺服电机39上的光栅尺读数头的输出端分别与第一差分转单端单元23和第二差分转单端单元36的输入端相连，且第一差分转单端单元22和第二差分转单端单元36的输出端与所述第二处理单元10的输入端相连。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

本实用新型主要解决技术问题有三：①模拟器件的信号传输干扰大和温漂特性所带来的测量误差。②纯软件方法在多路测量和实时控制方面的不便。③单片机作核心处理芯片时的运算速度低、跟踪速度慢。

附图说明

图1为本发明提供的激光跟踪测量装置系统框图；

图2为本发明提供的系统控制方案整体框图；

图3-a为本发明提供的信号处理板框图；

图3-b为本发明提供的PSD信号转换放大电路；

图3-c为本发明提供的A/D转换电路；

图3-d为本发明提供的FPGA的I/O接口电路；

图3-e为本发明提供的FPGA的配置电路；

图3-f为本发明提供的信号采集板电源电路；

图4-a为本发明提供的DSP的I/O接口电路；

图4-b为本发明提供的DSP的配置电路；

图4-c为本发明提供的光栅信号处理电路；

图4-d为本发明提供的FPGA的I/O接口电路；

图4-e为本发明提供的FPGA的配置电路；

图4-f为本发明提供的D/A转换电路；

图4-g为本发明提供的光耦隔离电路；

图4-h为本发明提供的跟踪控制板电源电路；

图4-i为本发明提供的网口通讯电路；

图5为本发明提供的DSP接线图。

附图标识：

1、激光干涉仪；                      2、光电位置传感器(PSD)；

3、信号处理板；                      4、跟踪控制板；

5、第一伺服电机；                    6、猫眼逆反射镜；

7、跟踪转镜；                        8、第一驱动器；

9、第一光栅尺；                      10、第二处理单元；

11、DSP芯片；                        12、上位机；

13、信号采集与预处理单元；           14、第一处理单元；

15、第一I/V转换单元；                16、第一电压放大单元；

17、单端转差分单元；                 18、A/D转换单元；

19、第一处理单元配置芯片；           20、信号处理板3.3V转1.2V单元；

21、信号处理板5V转3.3V单元；

22、光栅尺信号的差分转单端单元(即：第一差分转单端单元)；

23、第一单端转差分单元；             24、第一D/A转换单元；

25、DSP存储芯片；                    26、DSP配置芯片；

27、第二处理单元配置芯片；           28、D/A基本转换单元；

29、第一I/V转换单元；                30、第二电压放大单元；

31、电压跟随单元；                   32、光耦隔离芯片；

33、跟踪控制板5V转3.3V及3.3V转1.8V单元；

34、跟踪控制板3.3V转1.2V单元；       35、CP2200；

36、第二差分转单端单元；             37、第二单端转差分单元；

38、第二D/A转换单元；                39、第二伺服电机；

40、第二驱动器；                     41、第二光栅尺。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述方法进行详细说明。

图1为本发明提供的激光跟踪测量装置系统框图。激光干涉仪和猫眼逆反射镜为独立元件，其余部件全部置于激光跟踪测量装置的机械结构中。

激光跟踪测量装置包含：激光干涉仪、角锥棱镜、偏振分光棱镜、分光棱镜、干涉滤光片、光电位置传感器(PSD)、信号处理板、跟踪控制板、跟踪转镜、伺服电机和猫眼逆反射镜。

激光干涉仪的光路经偏振分光棱镜分为两路：基准光路和测量光路。基准光路上设置角锥棱镜；测量光路上依次设置分光棱镜、跟踪转镜和猫眼逆反射镜；分光棱镜的另一输出光路上设置一干涉滤光片和光电位移传感器PSD。

测量时，由激光干涉仪发出测量光束，猫眼逆反射镜沿被测物体表面移动进行测量。当猫眼逆反射镜移动时，测量光束经猫眼逆反射镜反射至跟踪转镜，经跟踪转镜反射后沿原光路返回至分光棱镜后分为两路，一路返回至激光干涉仪中与基准光束汇合，实现空间三维坐标中长度量的测量；另一路经干涉滤光片被PSD采集后，再经信号处理板和跟踪控制板处理输出给伺服电机，伺服电机带动跟踪转镜转动，从而改变激光干涉仪测量光束的方向，使测量光束重新回到原来的平衡位置，即始终对准猫眼逆反射镜的中心，此时信号采集处理电路输出信号为零，电机处于静止状态，由光栅尺测出跟踪转镜转过的俯仰角和偏摆角两个角度量，综合激光干涉仪测得的长度量，从而达到对空间三维坐标的跟踪测量。

图2为本发明提供的系统控制方案整体框图。所述信号处理板包含：光电位置传感器PSD、信号采集与预处理单元和第一处理单元；所述跟踪控制板包含：DSP芯片、第二处理单元、光栅信号处理单元(包含单端转差分单元与差分转单端单元)、D/A转换单元。光栅尺、伺服电机和驱动器为独立器件，光栅尺安装在伺服电机的主轴上。

本发明技术方案的完整内容

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：由DSP和两片FPGA为主要处理芯片构建激光跟踪测量装置的硬件电路。具体可分为信号处理板和跟踪控制板。

1信号处理板

信号处理板用来处理PSD输出的光电流信号，最终输出两路与光斑重心位置二维坐标相对应的数字电压信号，分别表示PSD上入射光斑在水平和垂直两个方向上的位置偏移量。

图3-a为本发明提供的信号处理板的框图，所述信号处理板主要由以下四个部分组成：PSD信号转换放大单元(包括第一I/V转换单元、第一电压放大单元和单端转差分单元)、A/D转换单元、第一处理单元和电源单元。

1.1PSD信号转换放大单元

图3-b为本发明提供的PSD信号转换放大电路。设计时有两个主要的问题需要注意：1)PSD的输出电流很小，只有μA级，I/V转换电路的放大倍数需达到上万倍才可以。2)PSD的四路光电流信号都要被检测，且必须保持高度的放大倍数一致性。

本实用新型选用了ADI公司生产的AD820，它的失调电压在25℃时的典型值为0.4mV，失调电压温度漂移最大为2μV/℃，输入偏置电流在25℃时最大为25pA，电压噪声在100Hz处为21nV/10Hz。放大电路采用了T型反馈网络代替运算放大器的反馈电阻，小阻值达到大倍数，且四路转换放大电路可保持高度的放大倍数一致性，可获取最大的信噪比(SNR)，调高了电路的灵敏度和精度。

PSD信号转换放大单元的输出端接A/D转换单元的输入端，本实用新型采用AD9238作为A/D转换芯片，由于它的输入信号为差分信号，因此在电压信号进入AD9238之前，需先将其转换为差分信号，本实用新型采用AD8138作为单端转差分芯片。

1.2A/D转换单元

图3-c为本发明提供的A/D转换电路。

本实用新型的A/D转换芯片采用2片12位高精度的AD9238-20，工作电压为3.3V，采样速率最高可达20MHz，采用差分输入，12位数字信号输出(AD转换精度为：2V/(2¹²)＝0.4883mV)。设置AD9238-20的SENCE脚(第9脚)接地，VREF被设置为1V，器件采用内部参考，使得输入信号范围为2Vp-p，即输入电压范围为±1V，但实际系统应用时，PSD输出光电流信号经I/V转换放大后全部为正电压，所以只需将输入电压调整为0-1V即可。

1.3第一处理单元

第一处理单元基于FPGA实现，本实用新型采用的FPGA是ALTERA公司的EP2C8T144C8N。

图3-d为本发明提供的FPGA的I/O接口电路；FPGA在接线上除了电源、时钟以外，主要是2个AD9238芯片的48位数字信号输入，DSP的地址、数据、控制总线，FPGA的配置电路和JTAG下载。

图3-e为本发明提供的FPGA的配置电路。FPGA采用主动串行模式(AS)，选用ALTERA公司生产的EPCS4作为配置芯片，使用4线接口和EPCS4进行通信，包括串行时钟线(DCLK)、串行数据输出(DATA)、串行数据输入(ASDI)和片选(nCS)。

1.4电源单元

图3-f为本发明提供的信号处理板电源电路。信号处理板需使用12V、3.3V和1.2V三种电压。系统可外接12V和5V的稳压电源。12V供运算放大器使用；AD9238电源电压和FPGA的I/O口电压均为3.3V，可由5V稳压电源经芯片MIC29306BU转换得到；FPGA的内核电压为1.2V，可由3.3V经芯片LTC3406转换得到。

2跟踪控制板

因激光跟踪测量装置是个随动系统，需要实时检测俯仰轴电机和偏摆轴电机转过的角度作为反馈量进行控制，系统配备了2个英国雷尼绍(Renishaw)RESR圆光栅和4个RGH20读数头，每个电机主轴上安装一个圆光栅和2个读数头。

图2可显现出本发明提供的跟踪控制板的框图。跟踪控制板主要由以下七部分组成：CPU处理单元、光栅信号处理单元、第二处理单元、D/A转换单元、电源单元、时钟单元和网口通讯单元。

2.1CPU处理单元

本实用新型选用TMS320F2812作为控制芯片，DSP内核电压l.8V，接口电压3.3V。时钟采用外接晶体提供30M时钟，内部经PLL倍频得到系统时钟120MHz。

图4-a为本发明提供的DSP的I/O接口电路。外置的SRAM存储芯片(IS61LV51216)、第一处理单元、第二处理单元和网口芯片(CP2200)共用地址总线和数据总线。此外，还有DSP输出给第二处理单元的读、写、片选及时钟信号。

图5为本发明提供的DSP接线图，集中体现了DSP与第一处理单元、第二处理单元和CP2200三者之间的连接关系。

图4-b为本发明提供的DSP的配置电路。采用大小为1K的EEPROM(AT93C46)来存储DSP的配置信息。TMS320F2812的PW7～PW10引脚分别与AT93C46的DO、DI、SK和CS引脚相连。TMS320F2812用以实现两方面功能：①与第一处理单元和第二处理单元进行并行通讯，实现数据传输，并实现跟踪测量；②与上位机通讯，综合长度变化量，实时显示被测点的三维坐标值。

2.2光栅信号处理单元

图4-c为本发明提供的光栅信号处理单元，包括光栅尺信号的差分转单端与单端转差分单元两部分。

光栅信号的硬件电路部分主要是指与FPGA的接口电路，光栅尺的4个读数头共输出24路差分信号。在接入FPGA之前，需要将光栅尺输出的差分信号转换为单端信号，本实用新型采用AM26LS32ACD芯片实现差分转单端功能及电压匹配(5V转3.3V)。信号在FPGA中处理完成后，再经芯片AM26LS31ACD单端转差分后方可传送给电机驱动器。

2.3第二处理单元

第二处理单元基于FPGA实现，本实用新型采用的FPGA是ALTERA公司的EP2C8T144C8N。FPGA时钟由DSP提供，经DSP的系统时钟分频得到，频率为60MHz。第二处理单元主要是用来实现信号的中转(即并行转串行)、对光栅尺信号的计数与辨向处理以及给电机提供一些控制信号。

图4-d为本发明提供的FPGA的I/O接口电路。在接线上，除了电源和时钟以外，主要是4个光栅尺读数头、2个伺服电机驱动器、2个D/A芯片和与DSP通讯的地址、数据、控制总线。

图4-g为本发明提供的光耦隔离电路。在FPGA和电机驱动器之间加上光耦隔离芯片(TLP281-4)实现电压转换(3.3V转5V)及保护FPGA的功能，上拉电阻阻值为1K。

图4-e为本发明提供的FPGA的配置电路。配置方式采用主动串行模式(AS)，配置芯片选用EPCS4，FPGA的DATA0、DCLK、nCSO、ASDO引脚分别与EPCS4的DATA、DCLK、nCS、ASDI引脚相连。

2.4D/A转换单元

图4-f为本发明提供的D/A转换单元，包括D/A基本转换单元、第二I/V转换单元、第二电压放大单元和电压跟随单元四部分。本实用新型选用TI公司生产的DAC8811，采集时钟由第二处理单元编程提供，芯片工作在3.3V，D/A芯片的SDI引脚上输入的数据即为DSP处理后经FPGA并行转串行输出的可被电机驱动器识别的代码值，经转换成为控制电机的模拟电压值。

2.5电源单元

图4-h为本发明提供的跟踪控制板电源电路。主要有12V、-12V、5V、3.3V、1.8V、1.2V等几种电压。采用12V和-12V给D/A转换单元供电，5V电压给电机驱动器接口和光栅尺接口供电，3.3V电压给DSP、FPGA和CP2200的外围接口供电，DSP内核电压为1.8V，FPGA内核电压为1.2V。本实用新型选用MIC49150BMM实现了3.3V转1.2V，将TPS75733和TPS76818Q组合使用，实现了5V转3.3V和3.3V转1.8V。

2.6时钟单元

图4-a所示DSP的I/O接口电路中可看到时钟电路的连接方式。DSP由外接晶体提供30MHz时钟，使用X1/XCLKIN和X2引脚将晶体与TMSF2812芯片连接起来，引脚悬空，PLL使能，通过给PLLCR寄存器写入一个值“n”来实现。设置n＝8，则系统时钟频率SYSCLKOUT为120MHz。频率为60MHz的XCLKOUT由DSP输出给第二处理单元使用，CP2200和D/A芯片的时钟都是在FPGA中编程实现分频输出提供。

2.7网口通讯单元

图4-i为本发明提供的网口通讯电路。本实用新型选用芯片CP2200为DSP增加以太网通信功能，实现与上位机的通讯。外接两个LED指示网络连接和活动状态。时钟由FPGA提供。

本发明技术方案带来的有益效果

除PSD光电流信号的I/V转换和信号放大采用模拟电路外，其余硬件电路全部采用数字电路实现，可以完成数据采集处理、控制算法实现、电机控制等，系统小巧灵活，上位机只用来实时显示被测点的三维坐标，因而避免了利用上位机传递控制信号实时性差的问题，同时也避免了模拟器件的信号传输干扰大和温漂特性所带来的测量误差。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种激光跟踪测量装置，包含：激光干涉仪(1)，其特征在于，所述的激光测量装置还包含：角锥棱镜、偏振分光棱镜、分光棱镜、干涉滤光片、光电位置传感器(2)、信号处理板(3)、跟踪控制板(4)、跟踪转镜(7)、伺服电机(5)和猫眼逆反射镜(6)；

所述激光干涉仪(1)的光路经偏振分光棱镜分为两路：基准光路和测量光路；在所述基准光路上设置角锥棱镜，基准光路上的光束经角锥棱镜反射后沿原光路返回；所述测量光路上依次设置分光棱镜、跟踪转镜(7)和猫眼逆反射镜(6)，测量光路上的光束经猫眼逆反射镜(6)反射至跟踪转镜(7)，再经跟踪转镜(7)反射至分光棱镜分为两路，一路经分光棱镜透射后沿原光路返回至激光干涉仪(1)中，并与基准光路上的光束汇合；

所述分光棱镜的另一输出光路上设置一干涉滤光片，且干涉滤光片将返回的测量光路信号输入至光电位置传感器(2)，光电位置传感器(2)的输出端依次与信号处理板(3)和跟踪控制板(4)相连接，跟踪控制板(4)的输出端又与伺服电机(5)相连，所述伺服电机(5)依据跟踪控制板(4)的输出信号进一步控制跟踪转镜(7)的翻转。

2.根据权利要求1所述的激光跟踪测量装置，其特征在于，所述的信号处理板(3)用于处理光电位置传感器输出的光电流信号，最终输出两路与光斑重心位置二维坐标相对应的数字电压信号，分别表示光电位置传感器上入射光斑在水平和垂直两个方向上的位置偏移量；

所述信号处理板(3)包含依次串联连接的：I/V转换单元、电压放大单元、单端转差分单元、A/D转换单元和第一处理单元；

其中，所述I/V转换单元的输入端与光电位置传感器(2)的输出端相连；所述第一处理单元基于FPGA实现，包含AD9238信号读入单元、求和单元与平均单元和输出端，该输出端作为信号处理板的输出端且与跟踪控制板(4)的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的激光跟踪测量装置，其特征在于，所述的跟踪控制板(4)进一步包含：

DSP芯片(11)，该DSP芯片(11)的输入端与所述信号处理板的输出端相连，且该DSP芯片(11)与第二处理单元(10)相连实现双向的并行数据传输；

所述第二处理单元(10)基于FPGA实现，包含：光栅信号计数辨向单元和并行转串行单元，所述第二处理单元(10)的六组输出端分别与第一单端转差分单元(23)、第一D/A转换单元(24)、第二单端转差分单元(37)、第二D/A转换单元(38)、第一驱动器(8)和第二驱动器(40)相连；

所述第一单端转差分单元(23)和第一D/A转换单元(24)的输出端与第一驱动器(8)相连；

所述第二单端转差分单元(37)和第二D/A转换单元(38)的输出端与第二驱动器(40)相连；

所述第一驱动器(8)的输出端与第一伺服电机(5)相连；

所述第二驱动器(40)的输出端与第二伺服电机(39)相连；

第一伺服电机(5)和第二伺服电机(39)的主轴分别与控制跟踪转镜(7)旋转的偏摆轴和俯仰轴同轴；且安装在第一伺服电机(5)和第二伺服电机(39)上的光栅尺读数头的输出端分别与第一差分转单端单元(22)和第二差分转单端单元(36)的输入端相连，且第一差分转单端单元(22)和第二差分转单端单元(36)的输出端与所述第二处理单元(10)的输入端相连。