表面粗糙度对激光位移传感器测量精度的影响和补偿

激光非接触测量方法已被广泛应用于在机测量加工件,而被测工件表面粗糙度和测量距离对位移传感器精度的影响则少有研究。本文针对位移变化时不同参数的表面粗糙度对工件测量精度的影响,分析激光位移传感器测量表面粗糙度时的误差产生原理,设计了结合粗糙度和位移两项影响因素的误差测量实验,获得了激光干涉仪和激光位移传感器的位移数据。以激光干涉仪数据为基准计算出误差值,进而拟合获得误差模型。实验结果表明,经误差模型补偿后,测量精度提高到±7μm,较高地提升了测量精度,在机床在机测量上有一定应用价值。     

校准用低频垂直向振动台的研究

对测振传感器进行相对校准或绝对校准,都要求作校准用的振动标准装置中的振动台能提供波形近于理论上正弦的振动运动。根据有关研究报告分析,由振动台台面加速度波形失真引起的加速度校准误差△d_a=±0.36da,其中da为台面加速度失真以百分数计。考虑到振动标准装置的总校准误差还和许多别的因素有关,因此一般均规定波形失真度的数值不大于整个标准装置的校准精度。例如,校准精度为≤±2％时,在装置中工作的振动台的加速度波形失真应不大于2％。     

三面静压转台回转精度干涉测量与误差处理

介绍了激光干涉法测三面静压转台回转精度的原理及测量方法,分析了激光干涉仪在回转轴运动位置精度测量中的主要误差诱因;作出了角度测量中正弦近似误差特性曲线,并建立了该测量误差的数学模型,为机床的运动精度误差补偿提供了数据。经现场检验,该方案简便易行,成效显著。     

激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制

正本文采用合成波长干涉条纹细分原理,提出激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制,以检测参考镜毫米或微米级的位移来表征测量镜纳米级的微小位移,并利用单波长干涉信号作为标记参考信号,在同一干涉仪中实现了毫米量程测量范围和纳米级精度位移的同时测量,且具有米溯源性。详细研究了激光合成波长干涉实现大范围纳米位移测量的方法及其仪器化的相关技术,主要研究工作和创新点如下。     

正弦调频激光干涉仪Lissajous降维迭代校正算法

正弦调频激光干涉仪(SFMI)在基础科学、精密制造等领域应用广泛,但相位调制深度变化等非线性误差限制了其测程及精度的进一步提高。本文提出一种新型正弦调频干涉仪Lissajous校正方法,通过降维迭代算法对测量过程中的干涉正交信号进行椭圆参数提取,实现实时校正,以消除非线性误差,提高测量精度。仿真测试证明,所提方法精度高,带宽利用率高,消耗资源少,对于正弦调频干涉仪测程和精度的提高及其应用的扩展具有重要意义。     

几种激光干涉仪精度校准方法的分析

激光干涉仪的精度校准受到多种因素影响,是一个复杂的问题。本文讨论了三种激光干涉仪的精度校准方法。为了提高校准精度,应根据实际环境条件选择最合理的校准方法。     

激光投射式位移计在线校准方法与系统设计

激光投射式位移计(LDM)是桥梁形变监测的常用传感器,为解决其现场工作状态下的在线校准问题,提出了一种在线比较校准方法。首先,以经过溯源的位移传感器作为参考传感器,在共源随机激励条件下,同步采集RS及待校准激光位移计的现场测量数据;然后,利用基于特征点的分段匹配算法对2传感器数据序列进行匹配,解决因激励源变化和传感器响应特性差异所导致的错位问题,从而获取2传感器对同一输入量的对应测量结果;最后,对匹配后的数据序列进行统计学分析,输出校准结果。依据现场环境,设计并搭建了在线校准模拟系统,并在系统中引入激光干涉仪作为参考数据源,以验证所提方法的有效性。实验结果表明,所提出的在线校准方法与采用激光干涉仪进行同步比较校准的结果高度吻合,且具有在桥梁结构监测现场进行在线校准的可行性。     

亚纳米精度长度溯源计量型动态模式原子力显微镜

通过与长度溯源三轴激光干涉仪测量系统结合,设计开发计量型动态模式原子力显微镜(AFM).此AFM系统中,三轴激光干涉仪系统用于实时测量AFM测头与试样的相对位移.激光干涉仪系统的x,y,z测量轴正交于AFM探针顶端附近的一点,基本可以避免系统的阿贝误差,使AFM具有极高的测量精度.除此之外,扫描过程中三轴激光干涉仪系统还用于工作台x,y方向位移的反馈控制,完全克服AFM中压电器件的缺陷对水平尺寸测量的影响.分析表明,在对纳米标准栅的平均栅距测量中,AFM系统达到亚纳米的测量精度.     

小型精密谐波转台角度定位精度标定与补偿

为了解决应用于关节型三维激光传感器的小型谐波转台角度定位精度标定的问题,提出了一种基于Renishaw双频激光干涉仪的单自由度小型谐波转台旋转角度测量和补偿方法。首先依据干涉仪角度测量原理和光路调节方法,建立了测量光路系统,分析了回转台装配误差对角度测量精度的影响并进行了有效调整,而后提出了小型谐波转台360°范围角度标定的实验方案,最后通过曲线拟合的方法分析了转台转角误差的测量数据,总结转台转角误差随位置改变的变化规律,并将误差补偿函数嵌入控制器中,对转台的每次运动进行实时有效补偿。实验结果表明:使用该标定补偿方法能够将小型谐波转台的定位精度提高85%以上,补偿后的定位误差小于10″。采用该方法能够对小型谐波转台进行小间隔360°标定,标定后转台满足激光传感器空间精确定位的要求。     

基于单频激光干涉仪的精密工件台定位系统设计

激光干涉仪是以稳频氦氖激光波长为已知长度,利用迈克耳逊干涉系统测量位移的工具。近年来,激光干涉仪一直作为精密测量工具为精密加工机和工件台进行定位校准工作。本文介绍了一种基于单频激光干涉仪的精密工件台测量定位系统。本定位系统采用单频激光干涉仪作为精密测量工具,采用高档8位单片机作为数据处理微控单元,并基于VC＋＋语言编写相关控制软件。实际应用证明本系统定位速度快,精度高,理论上最小分辨率为58．6pm。     

四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统自标定与仿真

介绍了四路激光跟踪干涉三维坐标测量系统的工作原理，由于系统具有冗余特性，可以实现系统的自标定。重点研究了系统自标定的原理，采用初始动点的概念代替初始长度，建立了正确的自标定模型。提出了系统的标定和测量过程相互统一的新特征。最后综合运用各种数值算法对自标定模型进行了计算机仿真。仿真结果表明，激光跟踪干涉仪的测量误差对自标定参数的计算结果有重大影响。因此，自标定过程中需要保证激光跟踪干涉仪的测距精度。     

激光位移传感器在自由曲面测量中的应用

以点激光位移传感器(HL-C211BE)为对象,研究它在自由曲面测量中的应用。针对激光位移传感器因测点倾角代入的测量误差,提出了一个可以量化的倾角误差模型。基于直射式点激光三角法原理,分析了激光光路的几何关系,从会聚光斑光能质心发生的偏移推导出倾角误差模型。随后,用高精度激光干涉仪和正弦规对激光位移传感器进行校对实验,并用误差模型对测量结果进行补偿。结果显示,补偿后激光位移传感器的测量精度得到明显提高。对一非球面凸透镜进行了实验测量,得到了自由曲面测点倾角的计算方法,并用倾角误差模型修正了测量数据。实验结果表明,量化的倾角误差模型可以将激光位移传感器的测量误差控制到小于10μm,满足激光位移传感器在自由曲面测量中应用的要求。     

全相位谱分析在自混合干涉位移测量中的应用

提出基于全相位谱分析的自混合干涉信号处理方法,用于减小激光自混合干涉位移测量的误差。首先,基于三镜法布里-珀罗腔模型介绍了自混合干涉系统的数学模型,分析了自混合干涉信号的产生机理和特性。然后,研究了弱反馈条件下自混合干涉位移测量方法,采用全相位谱分析算法进行相位测量,重构外部反射体位移曲线;讨论了信号处理算法原理并进行了算法仿真。最后,进行自混合干涉位移测量实验,并给出压电陶瓷位移测量实验结果。结果表明,全相位谱分析算法可将自混合干涉位移测量误差减小到4.4nm;应用全相位谱分析算法分析自混合干涉信号,可在不增加外部光学元件的前提下将位移测量误差减小到纳米量级。     

A high-precision five-degree-of-freedom measurement system based on laser collimator and interferometry techniques

A novel sensitivity improving method for simultaneously measuring five-degree-of-freedom errors of a moving linear stage is proposed based on collimator and interferometry techniques. The measuring principle and parameters of the system are analyzed theoretically. The experimental results proved that the resolution of the linear displacement of the proposed method has twice that of the current linear interferometer, and the resolutions of the two-dimensional straightness error measurement can be improved by a factor of 8 compared with the movement of the retroreflector itself by using multireflection and lens magnification. The resolutions of the pitch and yaw angular error measurement have been improved by a factor of 10 compared with the rotation of the plane mirror itself by using expander lenses. The whole measuring system is characterized of simple structure, small volume, and high precision. The moving component of the measurement system is wireless, which eliminates the errors and inconvenience introduced by the wire connection. Calibration and comparison tests of this system compared with Renishaw laser interferometer system have been carried out. Experimental results show good consistency for measuring a linear guide way.     

Geometric error calibration of multi-axis machines using an auto-alignment laser interferometer

This work will report the development and application of an auto-alignment laser interferometer system for the geometric error calibration of CNC multi-axis machines. The system is capable of a diagonal displacement measurement, where multiple machine axes are moved simultaneously, with automatic optic alignment. This capability provides a solution for quick evaluation of the overall volumetric error of a multi-axis machine tool. One application of the system is that the 21 geometric errors of a 3-axis machine can be quickly estimated from the displacement measurements of some determined diagonal lines in the working volume. Compared with a time of several days using a conventional laser interferometer system, it takes only 1 hour for the proposed system to complete the geometry calibration of a 3-axis machine. A method for the roll calibration of a vertical axis is also proposed and demonstrated in this work.     

电容传感器线性度标定平台

设计了一种电容位移传感器在线标定平台,用于位移的高精度调节和检测。该平台的运动对称中心轴、测量光路的对称中心轴和传感器的传感轴共轴,故从测量原理上减小了阿贝误差。标定平台具有z/tip/tilt调节功能,保证了传感器的传感面和被测面板的被测面之间的装调对准。介绍了标定平台的组成和标定方法的原理,采用对称平行四边形机构实现了微位移调节,基于柔度矩阵法(CMM)分析了导向机构的输出柔度和行程。试验测得动平台行程为735.162μm,和有限元法(FEM)、CMM计算结果的误差分别为7.410%和4.633%,满足行程误差要求。经过标定补偿后,传感器的线性度由0.014 21%提高至0.006 231%。实验结果显示,该线性度标定方法精度高,标定后的传感器满足位移精密调节机构使用要求。     

基于时间参考点的差动式线阵CCD位移传感器

为了将线阵CCD应用于实际工程的大尺寸位移测量,利用线阵CCD像元空间与输出时间的对应关系,提出了一种差动式测量的线阵CCD位移传感器测量系统。分析了线阵CCD位移测量存在的问题,结合线阵CCD中像元空间与驱动脉冲之间的对应关系,提出一种以时间为参考点的差动式测量方法。该方法用两个空间上对齐、时间上错开半个积分周期的线阵CCD检测透光挡板上等间距分布的透光光线的位置变化;通过计算两个CCD上输出光信号的时间差,用匀速扫描测量原理实现对空间位移的测量。用雷尼绍激光干涉仪对所研制的线阵CCD位移传感器进行了校准,结果显示：在有效测量范围（600.05 mm）内,经过修正后的测量误差可控制在±2 μm以内,验证了用差动法实现线阵CCD大尺寸精密位移测量的可行性。     

利用三光束激光干涉仪评估纳米平台的移动性能

纳米位移传感器多集成在纳米平台的平行移动柔性机构中,通过闭环控制回路来实现纳米级的平台移动精度,本文介绍了利用具有亚纳米分辨率的三光束单频激光干涉仪校正纳米级电容式线性移动平台位移的工作,阐述了校正测试系统的布局以及线位移和角度位移的校正测试原理.通过实验成功地对移动线位移320 μm的纳米平台进行了校正,实验数据表明...