一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法，高精度激光测量的激光束漂移误差，包括激光束的平漂、角漂、随机漂移等和测量系统结构误差，指系统结构、工装受环境影响产生的微小形变；会严重影响激光精密测的准确性和稳定性。本发明专利技术通过建立精密激光测量系统误差的数学模型，利用激光源和四象限探测器组合的特殊装置对高精度激光测量系统总误差进行检测，进而计算和分离激光束漂移误差和系统结构误差。

A method of error detection and separation for high precision laser measurement system

The invention discloses a method for error detection and separation of a high-precision laser measuring system. The laser beam drift error of high-precision laser measuring includes the horizontal drift, angular drift, random drift of the laser beam, and the structural error of the measuring system, which refers to the small deformation of the system structure and the fixture caused by the environmental impact, and can seriously affect the laser beam. Accuracy and stability of precision measurement. By establishing a mathematical model of the error of the precision laser measuring system, the invention detects the total error of the high precision laser measuring system by using a special device composed of a laser source and a four-quadrant detector, and then calculates and separates the drift error of the laser beam and the system structure error.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法
本专利技术涉及一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法，该方法主要应用于激光精密测量误差检测和补偿。
技术介绍
激光精密测量技术凭借测量精度高性能稳定广泛应用于高精度尺寸和角度测量的领域(高精度机床加工误差检测、精密设备多自由度检测、大尺寸长距离导轨直线度测量、示准测量等)。目前高精度激光测量系统通常使用昂贵的低漂移激光源降低测量系统的激光束漂移误差，还有通过压电陶瓷微位器反馈控制调节测量系统的激光束反射镜姿态来补偿激光束漂移误差。虽然这些方法能够降低激光束的漂移误差，但是采用高精度激光源和压电陶瓷反馈控制系统主动补偿技术会使系统结构复杂而且价格昂贵，最主要的问题是这些方法只能解决激光束漂移的问题，无法检测和分离出测量系统结构的误差。使用普通的激光源作为精密测量的光源时，激光束的漂移误差和系统结构误差在同一数量级且两种误差耦合在一起。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术的不足，公开了一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法。本专利技术建立一种激光漂移误差和系统结构误差的数学模型，把精密激光测量中的总误差分离为激光漂移误差和系统结构误差，为精密测量误差补偿提供了准确地依据。使用普通半导体体激光源发射激光束通过分光棱镜分散成两束呈90度夹角的激光束，分别照射在两个四象限探测器中间位置。根据两个四象限探测器的电压信号数值进而计算出激光漂移误差和系统结构误差，并建立出误差检测和分离的数学模型以及方法。具体技术方案为：一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法，包括如下步骤：第一步，搭建误差检测和分离装置；使用普通半导体激光器作为光源，光束垂直照射在分光棱镜表面，激光束分离成两束呈90度的光分别垂直照射在两个四象限探测器的中心位置；第二步，搭建的装置只针对Y轴单一方向上的误差检测和分离计算；所述的测量系统误差由激光漂移误差EL和系统结构误差EM构成，激光漂移误差EL和系统结构误差EM在四象限探测器Y坐标轴上分别用ELyz，EMyz表示，Y轴上的总误差Eyz等于ELyz、EMyz在Y轴上的线性叠加；EMyz对两个四象限探测器Y轴影响是相同的，即EMy1＝EMy2；ELyz对两个四象限探测器Y轴的影响与它们到分光棱镜的距离呈线性关系且方向相反，即Y轴上的实时ELyz等于对应光斑在四象限探测器实时测量的坐标值Yz；所述yz和Yz中右下角标z的数字表示对应四象限探测器的编号,z取1或2；L与M表示分光棱镜到四象限探测器①和四象限探测器②距离；k3是线性补偿系数；两个四象限探测器在各自坐标系的Y轴误差计算和分离如下：进一步地，上述两四象限探测器分别距离分光棱镜的距离大于等于150mm。进一步地，上述普通半导体激光器的功率为5mW，光束直径为3mm。与现有的高精度激测量系统误差检测对比，本专利技术可以实现整体系统误差检测和系统结构误差分离，具有结构简单，测量精度高，操作便捷，成本低等优点。附图说明图1是本专利技术的系统结构示意图。图2是激光束角漂产生误差示意图。图3是测量系统结构形变产生误差示意图。图4是四象限探测器(a)主视图和(b)左视图。图2和图3中的O1位于四象限探测器①的中心表示坐标系原点，O2是四象限探测器②的中心表示坐标系原点，其中O2坐标系中X轴的正方向垂直于纸面向外。图中：1半导体激光源；2分光棱镜；3四象限探测器①；4四象限探测器②；5电流电压转换板①；6电流电压转换板②；7电压信号采集卡；8工控机；9激光束。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。使用功率为5mW光束直径3mm的普通半导体激光器作为光源，光束垂直照射在分光棱镜表面，激光束分离成两束呈90度的光分别垂直照射在四象限探测器①和四象限探测器②的中心位置。分光棱镜到四象限探测器①和四象限探测器②距离L与M为150mm。四象限探测器如图4所示感光部分为四个部分，沿逆时针方向分别命名A、B、C、D四个象限，每个象限在激光照射后产生的电流分别为IA、IB、IC、ID，经过电流转换板输出电流转为对应的电压VA、VB、VC、VD。输出电压经过电压信号采集卡转成数字信号输入工控机。保持环境温度稳定在25摄氏度，激光源开机预热30分钟后开始测量工作，使用计算机实时几率两束激光光板在分别在对应的四象限探测器是哪个位置坐标信息(X1，Y1)、(X2，Y2)。测量系统误差由激光漂移误差EL和系统结构误差EM构成，这两种误差在四象限探测器Y坐标轴上使用ELyz，EMyz表示，Y轴上的总误Eyz等于ELyz，EMyz这两种误差在Y轴上的线性叠加。测量系统结构形变产生误差，只考虑单一的系统结构形变如图3，激光器尾部高度升高，分出的激光束会向四象限探测器①Y轴负方向偏移，另一光束会向四象限探测器②Y轴的负方向偏移系统结构误差为，EMyz对两个四象限探测器Y轴影响是相同的；只考虑激光在一个方向的角漂，图中2激光束产生角漂方向是沿激光源中轴线向下，分出的激光束会向四象限探测器①Y轴负方向偏移，另一光束会向四象限探测器②Y轴的正方向偏移，激光漂移误差ELyz对两个四象限探测器Y轴的影响与它们到分光棱镜的距离呈线性关系且方向相反，即Y轴上的实时总误差Eyz就等于对应光斑在四象限探测器实时测量的坐标值Yz。(yz和Yz中右下角标z表示对应四象限探测器的编号,z可以取1或2；L与M表示分光棱镜到四象限探测器①和四象限探测器②距离；k3是线性补偿系数)。根据已知关系ELy1+EMy1＝Ey1，ELy2-EMy2＝Ey2；y1＝Y1，Ey2＝Y2；EMy1＝EMy2,Y1,Y2，通过测量已知。根据以关系式可以计算出对于两个四象限探测器在它们各自坐标系的Y轴误差如下:本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，搭建误差检测和分离装置；使用普通半导体激光器作为光源，光束垂直照射在分光棱镜表面，激光束分离成两束呈90度的光分别垂直照射在两个四象限探测器的中心位置；第二步，搭建的装置只针对Y轴单一方向上的误差检测和分离计算；所述的测量系统误差由激光漂移误差EL和系统结构误差EM构成，激光漂移误差EL和系统结构误差EM在四象限探测器Y坐标轴上分别用ELyz，EMyz表示，Y轴上的总误差Eyz等于ELyz、EMyz在Y轴上的线性叠加；EMyz对两个四象限探测器Y轴影响是相同的，即EMy1＝EMy2；ELyz对两个四象限探测器Y轴的影响与它们到分光棱镜的距离呈线性关系且方向相反，即

【技术特征摘要】
1.一种高精度激光测量系统的误差检测和分离方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，搭建误差检测和分离装置；使用普通半导体激光器作为光源，光束垂直照射在分光棱镜表面，激光束分离成两束呈90度的光分别垂直照射在两个四象限探测器的中心位置；第二步，搭建的装置只针对Y轴单一方向上的误差检测和分离计算；所述的测量系统误差由激光漂移误差EL和系统结构误差EM构成，激光漂移误差EL和系统结构误差EM在四象限探测器Y坐标轴上分别用ELyz，EMyz表示，Y轴上的总误差Eyz等于ELyz、EMyz在Y轴上的线性叠加；EMyz对两个四象限探测器Y轴影响是相同的，即EMy1＝EMy2；ELyz对两个四象限探测器Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭正刚，李泽，孙阳阳，张良，牛帅旗，冯盼州，徐董辉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21