为了实现平行度误差的精确测量, 提出了基于位置敏感探测器(PSD)激光准直法的平行度误差测量方法, 并设计了实验测量系统。该系统利用倒置望远镜结构二次透镜变换的方法, 对准直激光束的发散角和光斑大小进行平衡, 通过光学五棱镜转折光路, 由PSD将测量位移经信号调理电路和数据采集及处理系统, 实时得到测点相对于基准的位置, 再以最小包容区域法快速评定出被测要素和基准要素两者之间的平行度误差。结果表明, 系统相对不确定度为0.077%, 具有较高的测量精度。该研究为平行度误差的精密测量技术提供了有效测量方法, 具有一定的现实指导意义。

为了进一步提高激光光束用作直线基准的精度, 建立了基于反射镜平动式光束稳定器以及两点式光束漂移分离法的高精度激光光束准直系统。首先, 对系统中基于反射镜平动的光束稳定器进行研究, 对其光束偏转原理以及影响因素进行分析, 并对两点式光束漂移分离方法进行介绍。然后, 对光束偏转单元的分辨力以及偏转范围、所使用的压电陶瓷非线性和迟滞特性、以及光束偏转单元的频率响应特性进行实验测试。最后, 对该激光准直系统的激光光束准直精度进行测试。实验结果表明: 本文提出的光束偏转单元在120 μrad范围内的光束偏转分辨力可以达到5 nrad, 频率响应特性高于2 kHz; 最终激光准直系统的准直精度在二维方向上分别达到1.9×10-8 rad和2.1×10-8 rad, 相对于现有技术约提高了3倍, 满足激光光束用作高精度直线基准的需求。

以二维位移测量为应用实例,在对光漂的产生机制及特性进行分析的基础上,提出了一种差分补偿和共路补偿相结合的光漂补偿方案,并对所采用的两种补偿方法进行了详细分析及实验验证。实验结果表明,对于光线角度漂移和总漂移,差分补偿法分别可以实现35.2%和54.4%的补偿效果,共路补偿法对光线总漂移可以实现42.2%的补偿效果。研究结果可为解决激光准直测量中光漂补偿这一共性问题提供技术支持。

为了克服现有二维转角动态测量方法结构复杂、成本昂贵的缺点, 提出了结合激光准直的二维转角动态测量方法。首先, 根据二维转角测量的关键问题提出基于激光准直的测量方法, 采用准直激光作为测量基准, 以远端的位置探测器作为检测器件。接着, 设计测量系统和各组成模块, 根据测量要求对系统中的关键模块进行设计和优化。然后, 具体设计系统中的测量算法, 完成测量模型建立。最后, 在±2°范围内进行实验测试和分析。实验结果表明: 系统可动态测量, 稳定性好, 测量重复性误差为1 μrad, X轴非线性误差为1.8%, Y轴非线性误差为1.7%, 动态带载响应频率在±0.01°内优于200 Hz, 基本满足二维转角测量的高精度、高重复性、高稳定性的要求。

空间激光准直系统常采用位置传感器(PSD)作为光电接收单元,半导体激光器作为光源。由于PSD具有非线性,激光光源出射激光的衍射特性会导致准直系统在空间不同距离处响应情况不同。为了减少空间激光准直系统工作时在不同空间距离处的重复标定工作,提出了一种模拟PSD探测半导体激光光斑位置的方法。该方法通过设计相关光学系统获取PSD靶面非线性数据及激光光强分布数据,完成了PSD对光斑强度重心响应的模拟。之后对仿真结果进行了实验验证,实验结果表明该仿真系统能够较好地重现实际PSD探测过程,在0~4.5 mm的相对位移范围内最大误差仅为0.026 mm。

激光准直技术在位移测量及相关应用中具有重要作用, 其核心器件是位置敏感探测器, 环境杂散光、电源波动、光电信号处理电路噪声等是影响测量精度的主要因素。针对以上问题, 提出一种基于激光调制的高精度位移测量方法。将激光器由直流驱动的连续输出模式改为交流驱动的调制模式输出, 优化设计光电探测器微弱光电信号的调理与采集系统, 通过编写Labview软件对信号进行频谱分析、带通滤波、均值处理等, 对激光连续输出和激光调制输出2种情况分别进行了实验测试与分析, 并对比了位移测量的稳定性。实验结果表明: 其测量值波动范围从7 μm减少到了2.6 μm, 验证了基于激光调制方法的有效性, 可以通过滤波更加有效地消除噪声, 测量精度提高至3 μm以内。

为了检测长导轨的直线度, 采用激光作为参考基准线, 将2维光斑位置传感器作为光电转换器件。当固定在导轨滑块上的2维光斑位置传感器沿着导轨移动时, 光斑的位置数据会通过蓝牙模块传输到终端上, 输入位置信息之后, 软件会自动绘制出导轨的2维直线度曲线。结果表明, 计算出激光偏角带来的误差远小于1μm;通过高精度位移平台, 实验验证了系统的精度可达到3.4μm;实际使用中, 检测了7.2m的长导轨, 取得了长导轨的直线度数据, 重复精度可达5μm。这一结果对长导轨直线度测量的研究是有帮助的。

为了对大尺寸筒状设备进行圆度误差评定，研制了大尺寸筒状设备圆度误差测量系统。其结合了激光准直、图像处理等多方面技术对大尺寸筒状设备的圆度误差评定进行研究。首先，介绍了系统获取大尺寸筒状设备圆度数据的方式。然后，根据圆度数据的获取方式，提出了基于相邻测点位置关系的最小外接圆过滤算法。最后，验证该算法的过滤效率，并与同类算法在解算时间、解算结果两方面进行比较。实验结果表明：最小外接圆过滤算法解算时间较以往同类算法缩短了30%以上。系统CCD测量杆的测量精度达到0.7 mm。大尺寸筒状设备圆度误差测量系统满足工程需要，可对大尺寸筒状设备进行有效圆度误差评定。

为了实现三维角度的同时测量, 提出了一种基于柱透镜组的小角度测量方法。首先, 在传统激光准直法的基础上, 采用柱透镜组和特殊的四面体反射镜代替平面反射镜作为合作目标, 用于表征三维角度的变化。然后, 利用矩阵分析光束在传播过程中的形状、位置参数变化, 说明了采用柱透镜组进行小角度测量的算法。最后, 在实验室条件下对扭转角的测量进行了实验验证。实验结果表明: 在工作距离12 m, 光束直径5 mm时, 扭转角测量范围20′, 测量误差RMS值优于8″, 基本满足非接触小角度测量的要求, 具有一定的工程实用价值。

提出一种基于激光准直技术的多自由度误差同时测量方法。采用半导体激光单模光纤组件为光源，分别以角锥棱镜和分光直角棱镜作为二维直线度误差和三维角度误差的敏感器件，实现了直线导轨五自由度误差的同时测量，且测量移动部分无电缆连接。通过理论分析及实验，验证了方法的可行性和可靠性。在设定参数下，直线度、俯仰偏摆角和滚转角误差的测量分辨率可分别达到0.1 μm ，0.1″和0.3″。