CN207395720U - 二维光电水平倾角测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光测量技术领域，为提出二维光电水平倾角测量技术方案，降低测量成不、提高测量精度，本实用新型，二维光电水平倾角测量装置，由激光器，激光器功率稳定控制系统，激光器温度漂移补偿系统，激光器位置微调螺栓，立方体反射镜，立方偏振分光镜，四分之一波长波片，波片旋转安装座，油罐和位于油罐内部的液体，位于油罐内液体底部的吸光材料，透镜套筒，聚焦透镜，位置敏感传感器，高度调节转接件，支杆，光学自准直系统，黑色毛面吸光纸，四路I‑V转换电路、四路反向比例放大电路组成。本实用新型主要应用于二维光电水平倾角测量场合。

Description

二维光电水平倾角测量装置

技术领域

本实用新型涉及激光测量技术领域，具体讲，涉及二维光电水平倾角测量装置。

背景技术

二维水平倾角测量系统在房屋建设、桥梁施工、机械制造、测绘仪器、航海航空、控制工程、机器人、自动化等领域中都有着广泛的应用；随着数字电子技术和激光技术的发展，光电测量方法已经被广泛应用于精密测量领域，水平倾角测量装置也随之逐渐从最初的气泡水平仪向光电数显水平仪方向发展。

一方面，二维水平倾角测量装置从原理上可分为气泡式、光学式、电容式、电感式、电磁式、机械式以及MEMS式等。气泡式水平倾角测量装置通常指气泡水平仪，其分辨力由水准管内壁的曲率半径大小决定，曲率半径越大，分辨力越高；曲率半径越小，分辨力越低；光学式测角方式分辨率高、测量精确，但需要设计精密复杂的光学结构，成本高且常需要人工干预完成测量；电容式测量结果稳定性较差、测量范围较小；电感式测量范围较大且精度较高，但其结构复杂需要较高的能量输入；电磁式测量精度高、速度快，但其所需电路复杂；机械式成本较低，但其体积庞大且测量实时性差；基于MEMS传感器的水平倾角测量装置具有反应速度快、体积小、环境适应性强的特点，但其漂移大、测量精度低。

另一方面，针对台湾智泰集团与国立台湾大学精密测量实验室共同研发的3DFAMILY-LM400型双轴光电水平仪，其测量范围可达±100″，分辨力0.1″，重复性±1″，装置采用光学自准直原理和光束通过不同介质在其表面发生折射的原理。由于液体在地球表面受重力始终保持水平，当装置相对水平面发生倾角变化时，光束从空气射入液体表面时会在其表面产生折射并射向安装在装置底面的平面反射镜发生反射改变光路方向，由液体表面射入空气再次发生折射，由光电传感器感测光斑位置变化，并转化为二维水平倾角变化。此装置使用光学自准直原理使得光路较为简单易于装置小型化、集成化；使用四象限光电探测器可实现较高精度；价格平民，易于接受。但同时，此装置通过使用液体折射原理，导致当装置相对水平面发生倾角变化时，四象限光电传感器所接收到的倾角变化小于装置实际倾角变化，从而在原理上降低了测量精度，提高了后期检测成本和难度。

再一方面，针对于高端装备制造中大型机床误差测量中阿贝误差的测量与补偿，需要提高角度测量精度的同时，将角度测量数据上传至上位机进行处理并将角度误差进行运算后通过误差补偿器直接插补到不同形式(TXYZ、XTYZ、XYTZ、XYZT)机床的控制器以提高其加工精度。目前，市场上倾角测量装置少有配套数据处理软件、误差补偿器以及误差补偿软件。

由现有技术已知用于克服该技术问题的解决方案。

因此，示出一种二维光电水平倾角测量装置，该装置通过结合光学自准直原理以及液体表面反射原理可将待测水平倾角变化通过光学自准直系统2倍放大后由光电传感器感测光斑位置变化，提高装置测量精度，并且针对不同类型(TXYZ、XTYZ、XYTZ、XYZT)大型机床，提供一种集成倾角数据存储、数据处理并可直连数控机床控制器应用于大型机床阿贝误差补偿的误差补偿器以及误差补偿软件。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型旨在：

(1)提供一种基于光学自准直原理和液体表面反射原理的二维光电水平倾角测量装置的整体方案设计，克服现有水平倾角检测装置结构复杂、成本高昂、漂移大、精度低等缺点。

(2)提供一种通过液体表面反射代替折射的方法，以提高液体水平倾角测量装置检测精度。

(3)提供一种机械结构，以保证整个水平倾角测量装置相对水平面倾角即为待测倾角。

(4)提供一种集成数据存储、数据处理并可直连数控机床控制器应用于大型机床阿贝误差补偿的误差补偿器以及配套误差补偿软件应用系统，从而提高机床加工精度。

为达到本实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是，二维光电水平倾角测量装置，由激光器，激光器功率稳定控制系统，激光器温度漂移补偿系统，激光器位置微调螺栓，立方体反射镜，立方偏振分光镜，四分之一波长波片，波片旋转安装座，油罐和位于油罐内部的液体，位于油罐内液体底部的吸光材料，透镜套筒，聚焦透镜，位置敏感传感器，高度调节转接件，支杆，光学自准直系统，黑色毛面吸光纸，四路I-V转换电路、四路反向比例放大电路组成，其中：

激光器功率稳定控制系统和激光器温度漂移补偿系统对激光器进行自动控制，提高激光器稳定性以及光斑质量；

激光器发出激光经过立方体反射镜改变光路方向，使其垂直射向底部油罐。并且安装在立方体反射镜正下方的立方偏振分光镜将激光分光为偏振方向互相垂直的两束光，其中偏振方向为S的偏振光作为无用光在立方偏振分光镜的分光面被反射，射向装置内壁，被粘贴在装置内壁上的黑色毛面吸光纸吸收；

激光器位置可由激光器位置微调螺栓进行调整，尽量保证光斑中心照射到位置敏感传感器中心，增大水平倾角测量范围；

偏振方向为P的偏振光通过立方偏振分光镜射向位于立方偏振分光镜正下方的四分之一波长波片并通过四分之一波长波片，一部分光作为测量光束在液体表面发生反射，产生2倍倾角变化后。再次通过四分之一波长波片，使其相位发生90°偏移，偏振方向由P变为S后。返回立方偏振分光镜，在其分光面发生反射后；射向位于位置敏感传感器和立方偏振分光镜之间的聚焦透镜，由聚焦透镜对测量光束进行聚焦后，被置于聚焦透镜焦平面上的位置敏感传感器进行接收；

聚焦透镜固定在透镜套筒中，透镜套筒通过螺纹固定方式安装在位于其右侧的立方偏振分光镜上；

另一部分光在液体表面发生折射，射入油罐内部的液体，由油罐内部液体底部的吸光材料进行吸收，避免其在油罐底部发生反射后再次折射回空气中被位置敏感传感器接收；

油罐内部液体底部吸光材料对此束折射光起吸收、减弱、消除作用，避免其对测量光束形成干扰；

油罐通过紧固螺栓被固定在装置底座上；

高度调节转接件和支杆用于连接立方偏振分光镜、四分之一波长波片和装置底座，并起到调节油面上光斑大小的作用，支杆垂直于装置于底座上，高度调节转接件装置于支杆上，可通过锁紧结构在支杆上进行高度调整；

位置敏感传感器可根据光斑重心位置不同经四路I-V转换电路、四路反向比例放大电路输出四路光电流信号。

本实用新型的特点及有益效果是：

(1)克服现有气泡水平仪分辨力由水准管内壁的曲率半径大小决定，曲率半径小，测量分辨率低的缺点；克服精密光学式水平倾角测量方式所需要设计精密复杂的光学结构，成本高且常需要人工干预完成测量的缺点；克服电容式水平倾角测量方式测量结果稳定性较差、测量范围较小的缺点；克服电感式水平倾角测量方式结构复杂需要较高的能量输入的缺点；克服电磁式水平倾角测量方式所需电路结构复杂的缺点；克服机械式水平倾角测量方式体积庞大且测量实时性差的缺点；克服基于MEMS传感器的水平倾角测量装置漂移大、测量精度低的缺点，提供一种结合光学自准直原理和液体表面反射原理的二维水平倾角测量装置。

(2)克服基于液体折射原理导致光电传感器感测角度变化小于实际待测角度变化，使得检测难度增大，检测精度下降的原理性问题，提供一种通过采用液体表面反射代替折射的测量方法。

(3)克服现有多数水平倾角测量装置在应用方面的缺陷，提供一种集成数据存储、数据处理并可直连数控机床控制器应用于大型机床阿贝误差补偿的误差补偿器和配套软件系统。

附图说明：

图1示出本实用新型二维光电水平倾角测量装置整体拓扑图。

图2示出本实用新型二维光电水平倾角测量装置机械结构图。

图中：1为激光器，2为激光器功率稳定控制系统，3为激光器温度漂移补偿系统，4为激光器位置微调螺栓，5为立方体反射镜，6为立方偏振分光镜(PBS)，7为四分之一波长(1/4λ)波片，8为波片旋转安装座，9为油罐，10为底部吸光材料，11为透镜套筒，12为聚焦透镜，13为位置敏感传感器(PSD)，14为高度调节转接件，15为支杆，16为外壁，17为光学自准直系统，18为黑色毛面吸光纸，19为四路I-V转换电路，20为四路反向比例放大电路，21为A/D转换电路，22为ARM微处理器，23为上位机软件，24为阿贝误差补偿器，25为机床控制器。

具体实施方式

为克服传统倾角检测方法技术的不足，本实用新型主要目的在于提供一种基于光学自准直原理和液体表面反射原理的二维光电水平倾角测量装置，主要解决的技术问题是：

(1)克服现有气泡水平仪分辨力由水准管内壁的曲率半径大小决定，曲率半径小，测量分辨率低的缺点；克服精密光学式水平倾角测量方式所需要设计精密复杂的光学结构，成本高且常需要人工干预完成测量的缺点；克服电容式水平倾角测量方式测量结果稳定性较差、测量范围较小的缺点；克服电感式水平倾角测量方式结构复杂需要较高的能量输入的缺点；克服电磁式水平倾角测量方式所需电路结构复杂的缺点；克服机械式水平倾角测量方式体积庞大且测量实时性差的缺点；克服基于MEMS传感器的水平倾角测量装置漂移大、测量精度低的缺点，提供一种结合光学自准直原理和液体表面反射原理的二维水平倾角测量装置。

(2)克服基于液体折射原理导致光电传感器感测角度变化小于实际待测角度变化，使得检测难度增大，检测精度下降的原理性问题，提供一种通过采用液体表面反射代替折射的测量方法。

(3)克服现有多数水平倾角测量装置在应用方面的缺陷，提供一种集成数据存储、数据处理并可直连数控机床控制器应用于大型机床阿贝误差补偿的误差补偿器以及配套软件应用系统。

为达到上述目标，本实用新型采取的技术方案是，基于光学自准直原理和液体表面反射原理相结合的二维光电水平倾角测量装置，如图1所示，装置包括：

激光器1，激光器功率稳定控制系统2，激光器温度漂移补偿系统3，激光器位置微调螺栓4，立方体反射镜5，立方偏振分光镜(PBS)6，四分之一波长(1/4λ)波片7，波片旋转安装座8，油罐9，底部吸光材料10，透镜套筒11，聚焦透镜12，位置敏感传感器(PSD)13，高度调节转接件14，支杆15，外壁16，光学自准直系统17，黑色毛面吸光纸18，四路I-V转换电路19，四路反向比例放大电路20，A/D转换电路21，ARM微处理器22，上位机软件23，阿贝误差补偿器24，机床控制器25组成。

进一步，通过安装在装置侧壁上的激光器功率稳定控制系统2和激光器温度漂移补偿系统3对激光器1进行自动控制，提高激光器稳定性以及光斑质量；

进一步，激光器1发出激光经过光学自准直系统17，通过油罐9内部液体表面反射由位置敏感传感器(PSD)13进行位置变化感测；

进一步，光束在硅油表面发生反射的同时发生折射，反射光作为测量光束被保留，折射光由油罐9内硅油底部吸光材料10进行吸收，避免折射部分光束通过油罐9底面反射射出液面被位置敏感传感器(PSD)13接收造成光斑混叠形成信号干扰，降低仪器精度，从而提高仪器信噪比；

进一步，固定位置敏感传感器(PSD)13于外壁16中轴线上，并通过激光器位置微调螺栓4和高度调节转接件14配合调节，使光斑中心尽量落在位置敏感传感器(PSD)13中心位置，以扩大测量范围；

进一步，位置敏感传感器(PSD)13为光电敏感器件，通过黑色毛面吸光纸18对装置内壁进行吸光处理，减小环境光对位置敏感传感器(PSD)13输出噪声电流影响；

进一步，通过四路I-V转换电路19、四路反向比例放大电路20、A/D转换电路21、ARM(Acorn RISC Machine)微处理器22将位置敏感传感器(PSD)13输出电流信号进行电流-电压转换、放大、采集等处理，将其转换为数字信号；

进一步，上位机软件23可实现倾角测量的显示、存储、数据处理、待补偿误差计算等功能；

进一步，阿贝误差补偿器24将待补偿误差通过插补的方法补偿到机床控制器25中，以提高大型机床加工精度。

下面结合附图和具体实例进一步详细说明本实用新型。

为克服现有技术的不足，本实用新型提供一种基于光学自准直原理和液体表面反射原理的二维光电水平倾角测量装置，主要解决的技术问题有：

(1)克服现有气泡水平仪分辨力由水准管内壁的曲率半径大小决定，曲率半径小，测量分辨率低的缺点；克服精密光学式水平倾角测量方式所需要设计精密复杂的光学结构，成本高且常需要人工干预完成测量的缺点；克服电容式水平倾角测量方式测量结果稳定性较差、测量范围较小的缺点；克服电感式水平倾角测量方式结构复杂需要较高的能量输入的缺点；克服电磁式水平倾角测量方式所需电路结构复杂的缺点；克服机械式水平倾角测量方式体积庞大且测量实时性差的缺点；克服基于MEMS传感器的水平倾角测量装置漂移大、测量精度低的缺点，提供一种结合光学自准直原理和液体表面反射原理的二维水平倾角测量装置。

(2)克服基于液体折射原理导致光电传感器感测角度变化小于实际待测角度变化，使得检测难度增大，检测精度下降的原理性问题，提供一种通过采用液体表面反射代替折射的测量方法。

(3)克服现有多数水平倾角测量装置在应用方面的缺陷，提供一种集成数据存储、数据处理并可直连数控机床控制器应用于大型机床阿贝误差补偿相关误差补偿器和配套软件系统。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型中，采用First Sensor公司DL16-7双面型PSD作为光电接收传感器，感测被测信号变化，并计算角度。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型中，基于光学自准直原理和液体表面反射原理的二维光电水平倾角测量装置如图1所示，主要由激光器1，激光器功率稳定控制系统2，激光器温度漂移补偿系统3，激光器位置微调螺栓4，立方体反射镜5，立方偏振分光镜(PBS)6，四分之一波长(1/4λ)波片7，波片旋转安装座8，油罐9，底部吸光材料10，透镜套筒11，聚焦透镜12，位置敏感传感器(PSD)13，高度调节转接件14，支杆15，外壁16，光学自准直系统17，黑色毛面吸光纸18，四路I-V转换电路19，四路反向比例放大电路20，A/D转换电路21，ARM微处理器22，上位机软件23，阿贝误差补偿器24，机床控制器25组成。

进一步，液体采用光学硅油置于装置底部油罐9中，光学硅油具有较大的运动粘度，不吸潮，无腐蚀，生理惰性强，化学稳定性良好；

进一步，通过激光器功率稳定控制系统2对激光器1进行功率稳定自动控制，通过激光器温度漂移补偿系统3对激光器1温漂进行控制，以提高激光器发射功率稳定性以及光斑质量；

进一步，激光器1垂直于装置外壁，发射出633nm波长激光经过立方体反射镜5改变光路方向使其垂直射向装置底部；

进一步，安装在立方体反射镜5正下方的立方偏振分光镜(PBS)6将激光分光为偏振方向互相垂直的两束光，其中偏振方向为S的偏振光在立方偏振分光镜(PBS)6的分光面被反射，射向粘贴在装置内壁上的黑色毛面吸光纸18，通过黑色毛面吸光纸18对其进行吸收，防止其在封闭装置内部产生环境光，对PSD输出信号造成干扰；

进一步，另一部分偏振方向为P的偏振光通过立方偏振分光镜(PBS)6，射向四分之一波长(1/4λ)波片7；

进一步，通过四分之一波长(1/4λ)波片7的偏振方向为P的偏振光射向位于四分之一波长(1/4λ)波片7正下方的油罐9，其中一部分光在硅油表面发生反射，另一部分透过硅油发生折射；

进一步，发生反射的光束在硅油表面产生2倍倾角变化，再次通过四分之一波长(1/4λ)波片7，导致其相位发生90°偏移，偏振方向由P变为S；

进一步，返回立方偏振分光镜(PBS)6时，在分光面发生反射后，射向聚焦透镜12，汇聚后将光斑聚焦在置于聚焦透镜12焦平面上的位置敏感传感器(PSD)13上，作为测量光斑被接收；

进一步，聚焦透镜12固定在透镜套筒11中，透镜套筒11通过螺纹固定方式水平安装在立方偏振分光镜(PBS)6上；

进一步，另一部分在硅油表面发生折射的光束，射入硅油，由位于油罐9内部硅油底部吸光材料10进行吸收，防止其被油罐9底面反射再次折射入空气中被位置敏感传感器(PSD)13接收，从而避免光斑混叠影响测量精度；

进一步，激光器位置可以根据激光器位置微调螺栓4进行调整，尽量保证光斑中心照射到位置敏感传感器(PSD)13中心，增大水平倾角测量范围；

进一步，高度调节转接件14和支杆15用于连接立方偏振分光镜(PBS)6、四分之一波长(1/4λ)波片7和装置底座，并起到调节光斑高度的作用。支杆15垂直装置于装置底座上，高度调节转接件14装置于支杆15上，可通过锁紧结构在支杆15上进行高度调整；

进一步，位置敏感传感器(PSD)13输出四路光电流，经四路I-V转换电路19转换为电压信号；

进一步，四路电压信号经四路反向比例放大电路20进一步进行放大；

进一步，通过ARM微处理器22控制A/D转换电路21对四路电压信号进行采集；

进一步，由下述双面型PSD光斑位置计算公式计算光斑位置，并转换为水平倾角信息；

其中I_x1、I_x2、I_y1、I_y2分别为PSD四路输出电流信号，L_x、L_y为PSD光敏面两方向边长，x、y为光斑重心位置；

进一步，上位机软件23可实现倾角测量的显示、存储、数据处理、待补偿误差计算等功能；

进一步，通过阿贝误差补偿器24将待补偿误差通过插补的方法补偿到机床控制器25中，以提高大型机床加工精度。

Claims (1)

1.一种二维光电水平倾角测量装置，其特征是，由激光器，激光器功率稳定控制系统，激光器温度漂移补偿系统，激光器位置微调螺栓，立方体反射镜，立方偏振分光镜，四分之一波长波片，波片旋转安装座，油罐和位于油罐内部的液体，位于油罐内液体底部的吸光材料，透镜套筒，聚焦透镜，位置敏感传感器，高度调节转接件，支杆，光学自准直系统，黑色毛面吸光纸，四路I-V转换电路、四路反向比例放大电路组成，其中：

激光器功率稳定控制系统和激光器温度漂移补偿系统对激光器进行自动控制，提高激光器稳定性以及光斑质量；

激光器发出激光经过立方体反射镜改变光路方向，使其垂直射向底部油罐，并且安装在立方体反射镜正下方的立方偏振分光镜将激光分光为偏振方向互相垂直的两束光，其中偏振方向为S的偏振光作为无用光在立方偏振分光镜的分光面被反射，射向装置内壁，被粘贴在装置内壁上的黑色毛面吸光纸吸收；

激光器位置可由激光器位置微调螺栓进行调整，尽量保证光斑中心照射到位置敏感传感器中心，增大水平倾角测量范围；

偏振方向为P的偏振光通过立方偏振分光镜射向位于立方偏振分光镜正下方的四分之一波长波片并通过四分之一波长波片，一部分光作为测量光束在液体表面发生反射，产生2倍倾角变化后，再次通过四分之一波长波片，使其相位发生90°偏移，偏振方向由P变为S后，返回立方偏振分光镜，在其分光面发生反射后；射向位于位置敏感传感器和立方偏振分光镜之间的聚焦透镜，由聚焦透镜对测量光束进行聚焦后，被置于聚焦透镜焦平面上的位置敏感传感器进行接收；

聚焦透镜固定在透镜套筒中，透镜套筒通过螺纹固定方式安装在位于其右侧的立方偏振分光镜上；

另一部分光在液体表面发生折射，射入油罐内部的液体，由油罐内部液体底部的吸光材料进行吸收，避免其在油罐底部发生反射后再次折射回空气中被位置敏感传感器接收；油罐内部液体底部吸光材料对此束折射光起吸收、减弱、消除作用，避免其对测量光束形成干扰；

油罐通过紧固螺栓被固定在装置底座上；

高度调节转接件和支杆用于连接立方偏振分光镜、四分之一波长波片和装置底座，并起到调节油面上光斑大小的作用，支杆垂直于装置于底座上，高度调节转接件装置于支杆上，可通过锁紧结构在支杆上进行高度调整；

位置敏感传感器可根据光斑重心位置不同经四路I-V转换电路、四路反向比例放大电路输出四路光电流信号。