激光动态测角系统

激光动态测角系统 潘珍吾 　苏 　力 　汤全安 (清华大学精密仪器与机械学系 ,北京 ,100084) 摘要 : 动态测角应用广泛 ,技术难度大。应用环形激光传感器 ( RL S) 设计成功的动态测角系 统 ,具有精度高 ,测量快 ,结构简单 ,操作方便等优点。RL S输出信号作速度反馈 ,控制系统控制转 台恒速转动 ,光学指零传感器将反射光束转换成电脉冲 ,控制计数器工作 ,通过多次重复测量和计 算机数据处理 ,使重复测量精度达到 ±0. 2arcsec。 关键词 : 环形激光传感器 (RL S) 　动态测角 　光学指零传感器 Laser dynamic angle2measuring system Pan Zhenw u , S u L i , Tang Q uanan (Department of Precision Instruments , Tsinghua University , Beijing , 100084) Abstract : Dynamic angle2measuring system has various utilities , and its technology is hard to realize. The dynamic angle2measuring system using ring laser sensor (RL S) shows many advantages such as high accuracy , high speed , simple structure and easiness of operation , etc. We used output of RL S as the velocity feedback. The control system controls the table to rotate at a constant speed. Optical zero2pointing sensor converts the reflecting light into electrical impulse to control the counter. Through many times of measurement and data processing in the computer , the repeated measurement accuracy reaches ±0. 2 arcsec. Key words : ring laser sensor 　angle - measuring system 　zero2pointing optic sensor 引 　　　言 在高精度仪表测试、光学零件检测、惯性测量等诸多领域中 ,动态测角有广泛的应用前景。 我们将对测角系统的核心部件及测角原理作简要叙述 ,以光学多面体作试件进行测量 , 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 其 重复测量精度达到了 ±0. 2arcsec。该测角系统具有测量快 ,精度高 ,系统结构简单 ,操作方便 等优点。 整套动态测角系统由 RL S、光学指零传感器、匀速转台及控制系统、信号处理电路及计算 　　 Fig. 1 　Scheme of laser dynamic angle2measuring system机组成 ,结构原理如图 1 所示。RL S 及工作台面安装在精密转台转轴上 ,控制系统控制转台恒速转动。当光源窄光束经台面反射镜扫过被测物面时 ,反射光束通过透镜系统 ,由光学指零传感器接收并转换成电脉冲。光电脉冲开启计数器的计数门 ,RL S 提供基准测量脉冲 ,记下两个反射脉冲间的脉冲数 目 ,即可测量被测物两面夹角。当被测物运动时 ,只要反射光束在系统视野内 ,测量系统都可 第 23 卷 　第 4 期 1999 年 8 月 激 　　光 　　技 　　术 LASER TECHNOLO GY Vol. 23 ,No. 4 August ,1999 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 以正常工作。 1 　主要部件及 工作原理 数字放映机工作原理变压器基本工作原理叉车的结构和工作原理袋收尘器工作原理主动脉球囊反搏护理 1 . 1 　RLS RL S在测角系统中 ,既是基准测量脉冲发生器 ,又是控制系统角度反馈元件。系统中采 用俄制 L21 型 RL S ,是正方形、全反射棱镜构成的环形激光器 ,当转台以Ω0 恒角速度转动时 , RL S 的输出计数脉冲为 : ΔN = N ( t2) - N ( t1) = 4 A (θ2 - θ1) / (λL ) 或Δθ = θ2 - θ1 = λLΔN / (4 A ) = SFΔN (1) 式中 , A 为 RL S 环形光路所包围的面积 ,λ为激光波长 , L 为环形光路长度 ,ΔN 为时间常数 间隔 t2～ t1 内 ,计数器记录的 RL S 输出脉冲数 ,Δθ为在时间间隔 t2～ t1 内 ,转台转过的角度 , SF 为 RL S 的标度因子。(1)式表明 ,被测转角Δθ与 RL S 输出脉冲ΔN 成正比 ,SF 是ΔN 和 　　 Fig. 2 　Scheme of optical measurement Δθ之间的比例系数 ,由 RL S 结构参数决定。 1 . 2 　光学指零传感器 光学指零传感器光路原理如图 2 所示。光源 S 发出的光经过聚光镜 C 后 ,落在光栅 D1 处 ,经过光 栅 D2 后成为矩形光束 ,落至棱镜 P 的入射面 1。P 由 45°的双棱镜组成 ,接触面涂覆有半透明层。在 双棱镜 P 的出射面 2 和 3 形成了两束平行光 ,它们 被检测镜面 CM 反射后 ,就有了相移。相移大小与转角α有关。两束光按相反方向通过 P ,在 深层处产生干涉 ,然后经过反射镜 M3 和 M4 及透镜 L2 ,由光电接收器件 PR 接收。当 CM 绕 　　 Fig. 3 Control system of rotating table 轴线转动角度α( + ) 时 , PR 的输出端产生一个脉 冲。 1 . 3 　转台恒速控制系统 转台恒速控制系统如图 3 所示。电子线路产生 参考信号和 RL S 反馈信号进行相位比较 ,其相位差 反映了转台转速与参考信号之间的差别。鉴相器将相位误差转换为控制信号控制伺服电机 , 形成闭环控制系统 ,改变参考信号频率 ,通过闭环控制系统 ,也就改变了转台转速。 1 . 4 　测角原理 测量时 ,将平面反射镜安置在被测平面上 ,另一反射镜安放在转台工作台面上。当被测物 是多面体棱镜时 ,将多面体安装在工作台面上 ,另一反射镜安放在固定位置 ,下面以测量多面 体夹角为例 ,说明测角的原理。 在测量过程中 ,令转台以恒速旋转 ,每次测量前都对 RL S 标度因子进行标定 ,通过换算 , 即可将计数器的结果变换为两个面的夹角。为了更加准确地测量角度 ,一般采用多圈连续测 量的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,并使转台正反向转动 ,以消除地球自转的影响 ,被测角φ可以用下式表示 : φ = 360°N i/ N 0 (2) 式中 , N 0 为 RL S 运行一周的脉冲数 ; N i 为被测物体输出信号的计数脉冲数。 当被测物为有 i 个面的多面体棱镜时 , (2)式变为 : 412　 激 　　光 　　技 　　术 1999 年 8 月 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. φi = 2πJ ∑ J j = 1 ∫ t j i t j i - 1 ν( t) d t ∑ n i = 1∫ t j i t j i - 1 ν( t) d t (3) 式中 ,φi 为待测角度 (多面体第 i 面角度) , J 为转台旋转圈数 , n 为多面棱体的面数 ,ν( t ) 为 RL S 输出的信号频率 , t ji 为第 j 圈中第 i 面光束指零时间。 　　 Table 1 　RLS output pulse measurement rate of table (deg/ s) RLS RF (arcsec/ pulse) unsuitability (ppm) 49. 97 1023084 1. 26676 5. 1 66. 71 1023077 1. 26677 4. 6 83. 45 1023060 1. 26697 2. 7 91. 83 1023028 1. 26683 3. 0 2 　测试结果及精度分析 1993 年的一次测试结果为 : 测试时间 : 1993. 10. 12 ;测试地点 :俄罗斯莫斯科包曼技术 大学 ;被测物 :四面体棱镜 , 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 夹角179. 975°。 2 . 1 　RF测量 　　利用光学指零传感器测试转台 360°转角 ,计数器记下相应的 RL S 的输出脉冲 ,结果如表 　　 Table 2 　Measurement data 511508 511508 511508 511510 511508 511508 511509 511506 511508 511509 511506 511509 511508 511507 511507 511507 511508 511508 511507 511506 511506 511507 511508 511507 511508 511507 511510 511507 511509 511507 511507 511507 511509 511506 511508 511510 511508 511507 511506 511508 1 所示。SF = 1. 2667arcsec/ pulse。 2 . 2 　对四面体棱镜两相对面的测量 对四面体棱镜两相对面进行了 40 次测量 , 测试结果如表 2 所示。 平均计数脉冲 : N = 511507. 7。测试结果 为 :四面体相对面夹角平均值为 179. 975°, δ= 1. 4 arcsec。 影响测量精度的因素主要有 : RL S 的标度 因子 SF 的分辨率和稳定性 ;指零脉冲宽度和转台速率稳定性。 为了达到测量的高精度 ,SF 的标定精度和稳定性是重要参数。对 L21 型 RL S 的标度因 子进行反复测试说明 ,稳定性为 7ppm。 为了提高测角分辨率 ,电子线路将 RL S 输出脉冲进行细分再送至计数器。对于 SF = 1. 267arcsec/ pulse 的 RL S ,经四倍频细分后 ,脉冲当量提高到 0. 317arcsec/ pulse。 指零传感器的分辨率也是至关重要的。为了达到 0. 1arcsec 的分辨率要求 ,对光学系统和 电子线路都有严格要求。转台速率采用锁相恒速控制方式 ,其速率精度可得到保证 ,为了满足 指零脉冲宽度要求 ,转台速率应大于 40°/ s。 3 　结 　　　论 利用 RL S 的高分辨能力 (0. 317arcsec 相当于 22 位码盘) 和光学指零传感器的分辨率 (0. 1arcsec) ,激光动态测角系统可在动态情况下进行高精度的角度测量 ,反复测试表明 ,该测 角系统的测角精度达到了 ±0. 2arcsec。如果进一步采用细分方法提高 RL S 分辨率 ,还可以提 高系统的测角分辨率。 参 考 文 献 1 　Zhang Y Sh , Tang Q A ,Su L . SPIE ,1994 ;2321 :302～304 2 　Zheng L D , Tang Q A1 SPIE ,1996 ;2899 :50～52 　 3 3 3 　 作者简介 :潘珍吾 ,男 ,1941 年 6 月出生。副教授。长期从事机电系统自动化和激光传感器的研究工作。 收稿日期 :1998209217 　　收到修改稿日期 :1998211226 512第 23 卷 　第 4 期 潘珍吾 　激光动态测角系统 　 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.