一种基于四象限探测器的深孔直线度测量方法的研究.pdf

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深孔直线度 方法的 一种基于 四象限探测器 直线度测量方法 的研究 直线度测量方法研究
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第33卷第5期 2 007年9月 光学技术 OPTICAL TECFENIQUE V01.33 No.5 S印. 2007 文章编号:1002一1582(2()07)05—0745—03 一种基于四象限探测器的深孔 直线度测量方法的研究。 张鹏炜1,张智诠1,谢劲冰2 (1.装甲兵工程学院光电工程室,北京100072;2.内蒙古医学院计算机室,呼和浩特010059) 摘要:介绍了以半导体激光光束为测量基准,采用四象限探测器进行深孔直线度检测的原理和方法。重点针对 实际激光器近似于椭圆形状的入射光斑,推导了输出电压与椭圆光斑中心的变化规律,分析了光斑椭圆度对测量误差的 影响,论证了方案的可行性与可靠性。 关键词:半导体激光器;四象限探测器;直线度测量;电压灵敏度 中图分类号:TN249 文献标识码:A Study on a straightness measurement method based on the four-quadrant detector for deep hole 2HANG Peng-weil,ZHANG Zhi.quanl,xIE din-bin矛 (1.Section of Opto-Eleetronic Engineering,Institute of armored force engineering,Beijing 100072,China) (2.Section of Computer,Inner Mongolia Medical College,Inner Mongolia Hohhot 010059,China) Abstract:The principle and method of checking and measuring the straightness for deep hole was developed in which the alignod laser beam based on sdrficonductor is used as the measuring datum axis,four-quadrants detector is used as the txxsition s01180r.For the close tO dlipse laser beam,the formula for computing the relation between the output voltage and the beam(:en— ter was deduced and the influence of the shape of ellipse on the precision was analyzed by detail.The feasibility and reliability of the measurement were demonstrated. Key WOflds:diode-la螗;four-quadrants detector;straightness measurement;vdtage sensitivity O引 言 直线度测量是几何计量中的基本项目,是平面 度、平行度、同轴度测量的基础,在生产使用中受到 高度重视。直线度误差是指实际直线对理想直线的 偏离量。 据文献报道,国内外深孔直线度测量方法约有 14种,每种测量方法都有其适用性和局限性。目前 使用简便、稳定可靠、精度高且成本低廉的测量装置 和测量方法还处于探索阶段。基于这种现状,本文 根据直线法测量直线度的原理,提出了一种以准直 激光束为测量基准、采用光电探测器——四象限探 测器测量深孔在任意方向上,限制圆柱体轴线形状 误差的方法。针对激光器的输出光斑近似椭圆,推 导了输出电压与椭圆入射光斑中心的变化规律,分 析了光斑椭圆度对测量误差的影响。 1四象限探测器工作原理 光电探测器通常是作为单元器件使用,但在激 光准直和跟踪应用中,把四个性能完全相同的光电 二极管按照直角坐标方式排列成四个象限,即构成 了四象限探测器。 四象限探测器按照四个象限的电压构成误差信 号,以判断光斑中心位置或光束的方位。其工作原 理是:当入射光照射到四象限探测器上时,每个象限 的光电二极管都输出一个与光照面积成正比的信号 电压%、%、%和%,把这四个电压按一定的规 律组合,即可得到入射光斑在四象限探测器上的位 置信息,从而确定入射光束方位。 通常讨论四象限 探测器的工作原理时, 都将入射光斑假设为圆 形光斑。但在实际应用 中,特别是对于采用半 导体激光器作为发射光 源时,入射到四象限探 测器上的光斑通常更接 近于椭圆,而圆又是椭 *收稿日期:2006·09·19;收到修改稿日期:2006—12—28 E-maih zhpwlll9@163.tom 作者简介:张鹏炜(1975.),男,内蒙占人,装f_}=I兵工程学院博士研究生,从事光电榆测研究。 丫。 ,o、l掣.1 ’ ’仁“ Ⅶ一—。:fr一≮一7l x 父. 簟。.一/N 图1椭圆入射光斑 输出电压的计算 745 万方数据 光学技术 第33卷 圆的特殊彤式,所以本文仪以椭圆入射光斑进行讨 论。 1.1 输入光斑Y,j椭圆时,探测器的输出电压及其变 化率 如图1所示,设入射光斑是长短轴分别为n、6 的椭圆斑,大圆在四个象限中的等区域A、B、C、D 分别表示光电二极管的光敏面。若椭圆中心07的坐 标为(z,y),则入射光斑在各象限内的面积分别为 SA=S I+SII+Sxy=一6汀研如+ 睁汀砑dy+删 =引号+sin-1㈡+(和 (詈)仃丽+ su’--1(升+一(詈)汀i厕]+删 Su=3A——2S1I——2xy =曲j?,汀研“詈)- 如C/丽d(引一则 =譬[号+sin-1(詈)十(詈)/r二石了帮一 sn‘--t(詈)一(芳)汀I御]_冽 FO,——————————.————————。 SD=SA一2f b~/1一(x/a)2dx一2xy =譬[号一sin-1(詈)一(詈)汀百研+ s·’n-1㈩+(詈)汀了两]一删 由于光电二极管的输出电压与光照面积成正比,并 对输出电压进行归一化,则输出电压 、, ,(SA+Su)一(Sc+SO)%2意■玎Fii西百 =引sin-1(詈)+(詈)汀石研](1) ., ,(sA+SD)一(SB+Sc)Vy2惫—i了面下瓦百 =2k[sin-1㈩+(芳)仃气两](2) 式中k为比例常数。显然(1)式是关于z的奇函数, z的取值范围为(一口,a),E曲线相对于原点对 称;(2)式是关于y的奇函数,y的取值范围为(一b, 746 b),%曲线相对于腺点对称。 电压灵敏度 啦:一4k汀]孑殍 dx 丁c口 、 或 趔16k2(警)2+㈩b 2=·\如/。\/一1警=笔而 dv 7c6…1 、J’u 7 (3) (4) (5) 式中令口=b=r,即可得到圆形输入光斑的输出电 压计算公式(5)。 1.2当椭圆光斑的长短轴变化时,探测器输出电压 及其变化率分析 由于(1)、(2)式形一 式相同且相互独立,故枣 以下仅以(2)式为例讨莳。 论输出电压U的变化斌 规律。 襟 为了便于讨论,在套 (2)、(5)式中令k=1, 且只考察(0≤Y≤b) 区间,当入射椭圆光斑 在y方向的短半轴 b变化时,输出电 压砜及其电压灵 敏度dr,/dy。 表1列出了b =1,0.75,0.50, 0.25时,探测器输 出电压砜、电压灵 敏度dr,/dy表达 式,图2示出了b 取相应值时的U 位移y/cm 图3输出电压灵敏度曲线 电压K~ 图4输出电压与光斑 位置误差关系曲线 一严瓦 掣可卜胪研互。一b√F剐旷“芷6一n/I强L,堑2悟尘2村 = 万方数据 第5期 张鹏炜,等: 一种基于四象限探测器的深孔直线度测赶方法的研究 曲线,图3为电压灵敏度dU/d3,曲线。 表1 b取不同值时的输出电压及电压灵敏度表达式 b 蟛j 盟 dv 1 吾(sin_iy十y汀了) 卫厂F了 Ⅱ 。 2 sin-t(警)+竽√t一(警)2. 誓~/1一(4v/3)20.75 ‘●—— j托 “丌 0.50 号[s;n-1(2j,)十2y汀1驴) 导厂F研] 7亡 。 ’ 0.50 2 Esin-I(4y)+4y厂F可开] 萼以前 7【 … 由图2可知,砜曲线在Y的一定取值范围内近 似为直线。因此,在某些测量精度要求不高的应用 中,为了便于计算,通常将输出电压近似认为与光斑 偏离中心的距离Y成正比。由此产生的误差如表2 所示,其误差曲线如图4所示。 综合以上不难看出,随着椭圆光斑短半轴的减 小,四象限探测器在该轴方向的工作范围(一b,b) 也随之减小,测量误差减小,且在一定精度限制下的 线性范围变大,输出电压灵敏度也变大。 表2将输出电压U近似为直线时产生的光斑位置误差△y V 9烈 O.1 0.2 O.3 0.4 0,5 0.6 0.7 0.8 0.9 b=1.oo O.Oo008 O,O0066 O.00226 O.00553 O.01127 O.02062 0.03536 O.05973 O.09852 b=0.75 O.00007 O.00049 0.00170 0,00415 0.00846 0.01547 0.02652 0.04405 0.07390 Ay/cm b=0.50 0.o0004 O.00033 0。00113 0.00277 0.00564 0.01031 0.01768 0.02936 0.04926 b=0.25 0.()0002 0.00016 0.00057 O.00138 0.00282 0.00516 0.00884 0.01468 0.02464 由以上分析可得如下结论: ①光斑的椭圆度及面积大小与探测器的工作 范围、测量精度及灵敏度密切相关; ②如果要求z方向和Y方向的测量范围都大, 则应选用接近圆形且面积较大的光斑; ③如果要求在z或Y某一方向的测量范围大, 则可选用面积较大的长椭圆或扁椭圆; ④光斑的椭圆度越大,短轴方向的测量精度和 灵敏度越高,但测量范围也越小。 因此,在实际应用中应根据测量要求,选用合适 的光斑形状,实现测量范围、测量精度和灵敏度的和 谐统一。 1.3输入光斑为非标准圆时的计算误差 根据深孔直线度的测量要求,系统以准直激光 光束为基准,同时也是测量直线度的信息载体。所 以应选择准直度好、能量密度分布尽可能均匀的圆 形光斑。而实际应用中,由于完全符合测量标准的 光斑是不存在的,激光器以准直后的光斑形状往往 是介于圆和矩形之问,并且更接近于椭圆。因此按 椭圆形光斑公式(1)一(6)计算的直线度,可以获得 更高的测量精度,并且其计算误差小于其近似椭圆 与圆之间的误差。 2基于四象限探测器的深孔直线度测量系 统构成 2.1系统工作原理 基于半导体激光器和四象限探测器的深孑L直线 度检测系统的结构示意图如图5所示。半导体激光 器发出的激光束经准直后照射到四象限探测器上, 四象限探测器输出的电压%一%经信号放大和 A/D转换后送入单片机,经数据处理即可得到被测 管件的深孔直线度值,可通过显示器显示,或通过 RS-232串行接口送至PC机进一步处理与控制。 被测管件四象限探测器 精密定心装旨 激光f|光束准直H定心 系统I m【构 推拉杆 ”。j二j=j…;“”’ /回.兽随fJ L罾 压两妇—压孓孬夏磊卫一…I’lAD转换电路r 图5深孔直线度测量系统结构示意图 2.2深孔直线度测量方法 半导体激光准直系统经光束定心机构固定于深 孔一端,经准直后的激光束作为基准直线,照射到由 精密定心装置固定于深孔另一端中心的四象限探测 器上,探测器的输出信号经过放大、A/D转换后由 单片机解算出光斑的几何中心坐标值,并以此作为 测量的基准点(z。,yo)。当通过推拉杆移动四象限 探测器时,探测器输出的信号电压,经计算获得被测 点母线中心的坐标(z,Y),则偏离量z—zo,Y~Yo 即为被测点深孔中心的直线度值。重复上述测量过 程,即可得到整个被测管件的直线度,通过数据处理 和拟合,可图形显示被测管件的三维直线度曲线。 3结论 本文结合深孑L直线度检测,分析了四象限探测 器的工作原理,讨论了不同形状光斑入射时,探测器 的输出电压、探测灵敏度及其线性化所产生的误差。 通过数值分析可知,运用四象限探测器的平均测量 精度最小可达到0.016mm,并且直线度变化范围越 小,测量精度和灵敏度就越高。为正确使用四象限 探测器进行直线度检测提供了理论参考。 (下转第750页) 747 万方数据 光学技术 第33卷 (2)系统真空度参数配置 误差,而并不是 !。4U 理论计算【5 J表明,环境温度发生1K的变化,空 给出准确的位 o-30 气折射率变4Ld'T-10—10It寸,对密封真空系统的真 移测量值。电呈黑i 空度要求约为lOPa。经实测表明,图2所示系统可 容式测微仪的雾o.15 长时间保持真空度lOPa以下,满足测量要求。 线性度(即测微蓬:‘裟 3实验数据 警景鸳卷蓑嚣.。0.。0,0 由于本系统的研究目标拟达到非线性±lnm, 线性关系)已被 目前没有仪器的精度足以对本系统直接检测。通过 验证过,因此实 与电容式测微移的大量比对实验,--HJl.e开t9到系统性能 验结果是有说 的大致轮廓。 服力的。 实验中所用 的电容式测微仪g 的量程约为蠢 20tma,分辨率为瑟 lOnm。测微仪的”、 主放大器输出端 连接示波器,电容 传感器探头通过 专用夹具与F-P 腔动镜构成传感 图3与电容式测微仅 比对结果(抽真空前) 器两极板。将测微仪的模拟量输出端连接数字电压 表,可获得更精确的读数。计算机同时读取系统位移 及电容式测微仪模拟电压输出。实验结果如下: 抽真空前(行程0.3504vm),图3。 对实验数据(共46点)进行线性拟合Y=a+ 如,得:a=一21.6339,b=31.20749,相关系数r =0.996。计算各测量点yi与最小二乘估计值Yi的 差值,求得△y一=0.00893t生m。 抽真空后(行程0.3558btm),图4。 对实验数据(共33点)进行线性拟合Y=口+ 如,得:n=一1.27818,b=1.9878,相关系数r= 0.99919。计算各测量点yi与最小二乘估计值M的 差值,求得衄一=0.00386/_tm。 由此可见,抽真空与否对系统的非线性度影响 很大。目前系统的非线性误差由抽真空前的8. 93nm提高至3.86nm。需要说明的是,实验结果的 横坐标来自数字电压表测得的模拟电压输出,而非 电容式测微仪的位移读数。本系统用于校准非线性 图4与电容式测微仪 比对结果(抽真空后) 观察图l、图2,曲线在Y=0.16p.m及y=0. 32t-m(即1/4波长及其整数倍)附近出现拐点,原因 是系统运行换模锁定子函数的速度远低于谐振频率 跟踪时锁定放大器的运算速度,造成了换模点和非 换模点之间锁定速度的不均衡。若对图2中数据分 段进行最小二乘拟合,得前19点(第一处拐点前)的 厶y。,=0.00110tlm;20至30点(第二处拐点前)的 △岁一=0.00119弘m。故去除拐点可使系统非线性 优于1.1nm。 4结论 通过非线性误差校准系统与电容式测微仪的比 对,验证了系统的稳定性,在大于半波长的测量范围 内,系统的非线性误差由抽真空前的8.93nm提高 至3.86nm,证明了采用光路真空密封技术后,系统 抗干扰能力得到改善,降低了对测量环境的要求;在 不超过1/4波长的测量范围内,系统运行过程中不 发生换模,非线性误差优于1.1nm。因此,解决换模 点和非换模点之间锁定速度的不均衡的问题,是提 高系统非线性度的一个重点。随着研究工作的进 行,系统性能必将得到进一步提高。 参考文献: [1]徐毅,叶孝佑,李成阳,等.高精度微位移差拍激光于涉仪[J].计 量学报,1990,(1):32—35. 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