提高直线度测量灵敏度的双角立方体法外文翻译资料

武汉理工大学

毕业设计（论文）

外文文献翻译

提高直线度测量灵敏度的双角立方体法

摘要：

本文提出了一种利用双角立方体法来测量直线度的方法。基于双角立方体法设计的系统构架通过放大检测器上光点位移的偏移率来放大待测物的直线度误差。该方法提高了系统的灵敏度和精度，提高了大约5微米左右。

关键词：直线，立方体角，象限探测器

1.引言

在直线度测量中，我们探索一段直线相似性的程度。这类测量是一维的，可以在多种测量术语中表示，例如：平面度测量、平直度测量、两个纬度、圆度、球度等。所有这些都被广泛地应用于工业制造业的各个领域。

长距离运动阶段被广泛应用于许多远程运动阶段领域,如精密工程、计量、纳米技术、光刻技术的应用,以及先进的科学应用[1 - 5]。通常情况下,这些运动阶段预计将在每个方向上直线且精确地移动。然而,在实践制造中,制造运动系统时的加工误差会导致在预设的运动路径的正交方向上出现运动误差。这种类型的误差被称为直线度误差[6],并将影响系统在实际应用中的性能。为了实现所需的高分辨率的定位，平直度和直线位移测量变得越来越重要。

直线度测量的方法有两种基本类型，一种通常采用的方法是光学干涉测量法，而另一种采用几何光学测量法。举个例子，在我们之前的工作中，我们采用光学干涉测量法设计了一种基于准公共光路的外差式光栅干涉仪（QCOP）[ 7 ]用于两自由度的直线度误差测量。尽管我们的外差式光栅干涉仪提供了较高的测量灵敏度和分辨率，但由于光调制器和解调器的使用，这种外差式干涉仪的成本非常高且光学结构十分复杂。与之相比，采用几何光学测量法设计的话结构会简单的多，用自准直仪设计的该仪器，可用于望远镜和光学经纬仪[ 8 ]。大量研究文献[9-10]中有报道相关成果，这样的测量系统，在直线度测量中可以用四象限探测器的激光束构成的角立方体进行横向位移的检测。一般情况下，采用几何光学测量法设计的仪器成本更低，且能达到亚微米级的精度。

2.测量原理

这项研究的目的是提高运用传统的直线度测量方法设计的几何光学系统的灵敏度。如图1所示，角立方体# 1被用于一个移动的线性阶段的直线度测量中。四象限探测器从激光传播的光束角反射器# 1和# 2之间进行激光的最终接收。激光束在这个系统中的传播路径是1→2→3→4→5→6→7→8（见图1）

图1双角立方体结构的直线度测量

鉴于其特点，从角立方体中心轴线入射的光和反射光是相等的。如图2所示，D是入射激光束12与角立方＃2中心轴之间的距离。假设距离入射光束12和角立方体＃1中心轴之间的距离是a，而反射光束34和入射光束12之间的距离为2a。 我们可以获得原始入射光束12和最终反射光束78之间的距离如下：d =2times;（2a-D）。当角立方体＃1向下移动X的距离，激光束横向位移（虚线），激光束12和角立方体＃1中心轴之间的距离将更改为a x。原始入射光束12和最后的反射光束78之间的距离变为d=2times;（2（a X）-D）。因此，最终反射光束的位移为x= d-d =4x。最终反射光束的位移是角立方体＃1位移的四倍.它是参考[8]结果的两倍大。

图2角立方体测量原理示意图

四象限探测器的光束的强度分布可以写成一个高斯分布函数[8]：

(1)

如图3所示,其中w是光束腰,和P是激光的总功率光束。四象限探测器是由四个象限探测器A,B,C和D组成的,这四个探测器的光功率分布可以写成以下函数：

(2)

q = A、B、C、D是象限的积分范围。确定光线位移和电流之间的关系使用以下公式[11]：

(3); (4)

图3四象限探测器的光束强度分布

如图3所示，如果四象限探测器的中心位于光束中心（0,0），这四个探测器的光功率不对称，导致Fx和Fy的变化。图4显示的是用Matlab计算的位移和Fx之间的关系，其中光束腰宽= 0.5毫米。与“风和凡”（人名）的方法相比，该方法的测量灵敏度是其两倍。未来的实验将展示这个测量系统的性能。

图4位移X和Fx的函数关系

3.实验装置

现在研究的是通过实验来证明上面描述的架构设计的可行性。如图5所示，实验中的一个角立方体# 1，一束直径25.4毫米的激光束射向角反射器# 1。然后反射回来的光束被光束分离器分离并射向检测器。其中光束分离器可以用反射镜来代替，反射镜可以阻止激光束的传播并能解决探测器体积大的问题。当然这个问题也可以通过扩大角立方体# 1的大小来解决。

双角立方体实验原理如图6所示。这个设计与用一个角立方体所构成的实验框架相似，只不过多了一个角立方体# 2，在这个设计中有一个直径10mm的范围充满了固定的激光束。激光束通过角立方体# 2后再次反射回角立方体# 1，然后再通过角立方体# 1反射出去，以此来进一步放大光斑在探测器上的位移。

整个实验装置，除了角立方体# 1之外，都是固定在载物台上的，所以角立方体# 1可以在入射激光束的正交方向上移动。当角立方体# 1移动时，探测器能够接收到的光斑的位移。

在研究长距离运动的实验中，设计上改变了载物台的方向，使角立方体的运动方向能平行于激光束的方向，并将运动的距离范围设定为300毫米。

在许多的直线度测量研究中，都声称角立方体的位置偏移对实验的影响可以忽略不计，要为了验证这一推断与角立方体相关的推断，我们设计了一个如图7所示的旋转运动的实验。在这个实验中原实验设计中移动阶段被替换成转动阶段，如图6中的实验结构所示，有一个旋转的载物台让角立方体# 1进行旋转运动。

图5单个角立方体的步进运动和长距离运动实验

图6双角立方体的步进运动和长距离运动实验

图7双角立方体旋转运动实验

4.实验研究结果

为了展示附加的角立方体对光斑在探测器上位移的放大作用，我们分别对两个系统的测量结果进行了评估。

角立方体# 1进行步进运动时探测器上的电信号如图8中所示。该步进运动中角立方体# 1一步的距离为10 微米，我们可以在图中清楚地看到双角立方体实验结构中的信号总是大于单角立方体实验结构中的信号。这可以表明与单角立方体结构相比，使用双角立方体结构时探测器上的光点位移明显增大，从而导致探测器接收的信号相应地提高。

两系统中步进运动的步距是相同的，但随着电压信号的增强，系统的灵敏度会相应的提高。从图8所示的结果中我们可以看到，在单个角立方体结构的实验系统中步进运动的每一步所产生的电压信号变化是0.04伏，这意味着单角立方体结构的灵敏度约为4伏/毫米。与之相比，在双角立方体实验结构中，步进运动的每一步所产生的电压信号变化是0.08V，即双角立方体结构的灵敏度约为0.08伏/毫米。依据于此从图10所示的结果中我们可以猜想双角立方体结构的实验系统的精度约为5mu;m。

图8由探测器接收的步进运动实验结果，每一步的距离是10微米

如图9所示为角立方体# 1做长距离运动时直线度误差的电压信号。很明显，该运动阶段的方向与激光束通过角立方体# 1传播的方向并不平行。虽然单角立方体和双角立方体这两个系统都有直线度误差，但双角立方体系统的总电压总是比单角立方体系统大。这再次证明了由检测器接收到的光束位移在增强。

图9由探测器接收到的长距离运动的电压信号

我们还测试了系统的稳定性。如图10所示为两个系统的振动信号。与单角立方体系统相比双角立方体系统的振动范围明显更大。这意味着不是只有运动的位移扩大了，对周围环境的影响也扩大了。

图10探测器上光点的位移

角立方体# 1做旋转运动所造成的直线度误差如图11所示。图11中所显示的信号的振动范围与图10中所显示的角立方体# 1没有运动的信号的振动范围近似。我们从这里可以知道角立方体# 1的偏移角对直线度测量的干扰可以忽略不计。

图11角立方体# 1做旋转运动时的直线度误差

5.结论

我们提出了一种能提高直线度测量灵敏度的双角立方体系统测量法，并将直线度测量从旋转运动的影响中解放了出来。
与单角立方体系统相比，双角立方体系统通过放大光斑在探测器上的位移来提高直线度测量系统的灵敏度，当然这种系统的测量范围也相应减少。这个实验结果表明我们设计的这种双角立方体系统在直线度测量上的精度可达到5 微米左右。

深管直线度测试仪的设计

摘要：

基于激光和光电检测的技术和原理，提出了一种光电测量方法，即通过参考图像处理技术和计算机技术用象限探测精度机来对直径35mm的管道进行直线度测量。通过对系统的总体结构和系统的测量原理进行讨论和分析，得出了计算该管道直线度的相应公式。总之该系统是用来对长度1.15m，内径35mm的管道进行测量的。最终运用数据拟合的方法给出了整个管道的直线度曲线。结果显示该系统的分辨率可以达到0.01mm，这表明该测量方法适用于测量此深管的直线度。

关键词：直线度测量；CCD；光电目标

1.引言

深管的直线度直接关系到其可靠性、使用寿命和相关设备的使用性能，因此高精度的直线度测量是很有必要的。现如今，国内外测量深管直线度的方法有激光多普勒法，EST测量法和象限检测法。当使用象限检测法时，激光是中心轴的准直线，象限检测仪是在激光准直的基础上来测量直线度的。通过综合运用象限检测法、精密机床技术、图像处理技术和计算机技术，一种无损的测量深管直线度的方法出现了。

2.测量仪表系统的整体结构

该测量仪表系统包括定心调整设备，激光器，光电靶，CCD成像系统、计算机和数据处理系统。

通过使用定心调整设备、激光器和光电靶分别安装在深管的两端，激光器将激光束射在光电靶上。通过CCD成像和计算机数据处理系统得到整个深管的直线度，同时，将数据文件存储，显示、打印出来。测量仪表系统的总体结构如图1所示。

图1系统总体结构图

A:激光器

该系统采用的是5MW的He-Ne白光激光器，这种激光器拥有如下几种特点：

1、该激光器的工作物质为氦氖混合气体，这是一种颜色固定且均匀一致的物质。这种激光器发出的激光是优秀的辐射源，输出功率和波长都很稳定且易于控制。

2、这种激光器射出的激光几乎是直线，具有优秀的定向性。用该激光器射出的激光在角度上几乎没有误差。

3、这种激光器有很多优点，包括：结构简单，体积小，重量轻，寿命长。

B：定心调整设备

为确保激光束的中心点和深管的中心点刚性重叠，激光束的中心点和光电目标必须在深管的中心轴线上，因此，需要用定心调整设备来把激光束调整到合适位置上。

当设计一个合格的定心调整设备时，有两个主要因素需要考虑：

1、如何将定心调整设备置于深管的中心，并在将其置于深管中心的同时固定住它的位置。

2、如何克服重力对定心调整设备的影响，确保定心调整设备在深管中心。

因此，定心调整设备应该设计成弹性元件。将圆环状的物质置于深管内层，在深管内层中每间隔120°光滑的放置一个弹簧，总计在定心调整设备周围放置三个弹簧，以确保定心调整设备位于深管的中心。

C:光电靶

光电靶的主要部分是在印度制造的cvm2350CCD相机

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