专利名称：导轨滚转角的非接触激光检测方法
技术领域：
本发明属于光电检测技术领域，涉及一种导轨运动副误差的检测方法， 具体涉及一种导轨滚转角的非接触激光检测方法。
背景技术：
由于制造和安装误差导致采用直线导轨的加工或测量设备的直线导轨 运动副不同程度地存在俯仰角、偏摆角和滚转角三个角运动误差，在其相应 方向产生的阿贝误差直接影响设备的加工或测量精度。目前，采用误差补偿 技术是减小和消除阿贝误差以提高设备精度的主要手段，但其前提是精确测 量角运动误差。
滚转角的测量方法，目前，主要有基于准直激光位置基准的滚转角测量 方法、基于准直激光方向基准的滚转角测量方法、基于准直激光偏振方向基
准的滚转角测量方法和基于偏振激光振动面基准的滚转角测量方法等；其 中，基于偏振激光振动面基准的滚转角测量方法，可应用于采用直线导轨设 备的导轨滚转角的测量，但该方法对滚转角测量时，因受入射光的干扰，测 量精度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种导轨滚转角的非接触激光检测方法，测量精度 较高。
本发明所采用的技术方案是， 一种导轨滚转角的非接触激光检测方法，
具体按以下步骤进行
步骤l:采用一检测装置，以检测装置中的激光器发出的线偏振激光为 探测光，该线偏振激光射入沿光束方向设置的1/2波片，通过l/2波片后射 入设置于1/2波片后的直角棱镜；
步骤2:射入直角棱镜的线偏振激光经其反射后，形成与入射光束平行 的逆向探测光并出射，该逆向探测光再次射入l/2波片；
步骤3:逆向探测光再次透过1/2波片后，射入沿逆向探测光方向设置 的偏振分光镜，偏振分光镜将入射的逆向探测光分成两束分光，该两束分光 分别射入沿分光光束射出方向设置的两个光电探测器；
步骤4:两光电探测器分别产生反映各自入射光光强的电流信号，并送 入与两光电探测器相连接的信号处理电路
步骤5:信号处理电路对来自光电探测器的电流信号进行处理，得到反 映偏振分光镜两束出射分光束光强差的电压信号"；
步骤6:信号处理电路将得到的电压信号"送入与其相连接的计算机， 经计算机处理后得到被测导轨滚转角的大小和方向。
本发明的有益效果是
1. 测量系统的输出电压t/。与被测量滚转角-间近似成线性关系，测量灵 敏度和精度进一步提高。
2. 采用1/2波片作为敏感元件，并不携带电缆，适合于设备导轨的滚转
角在线动态测量且被测导轨的行程不受限制，可从根本上有效提高设备的精度。
图1是本发明方法中采用的测量装置的结构示意图； 图2是采用本发明方法测量导轨滚转角的检测原理图；图3是采用本发明方法得到的滚转角与信号处理电路输出电压之间的关
系曲线图。
图中，l.激光器，2.偏振分光镜，3.1/2波片，4.直角棱镜，5.工作台， 6.光电探测器A， 7.光电探测器B， 8.信号处理器，9.计算机。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明 本发明方法中采用的检测装置的结构如图l所示。检测装置中，包括产 生探测用线偏振激光的激光器1，沿激光器1射出的探测光光束方向依次设
置有l/2波片3和直角棱镜4， 1/2波片3固接于工作台5;沿直角棱镜4反 射光射出方向设置有偏振分光镜2， 1/2波片3位于偏振光光镜2与直角棱镜 4之间。在偏振分光镜2两束分光射出方向分别设置有光电探测器A6和光 电探测器B7，光电探测器A6和光电探测器B7分别与信号处理电路8相连 接，信号处理电路8与计算机9相连接。 该检测装置中，
采用很薄的1/2波片3作为敏感元件，当1/2波片3随工作台5沿直线 导轨运动时，导轨的俯仰角和偏摆角误差不会对滚转角误差的测量产生很大 的影响，可以保证测量精度。
采用直角棱镜4为反射镜，可确保激光器1发出的探测光两次垂直经过 1/2波片3时，不重叠且平行，保证测量光偏振方向的改变是叠加的。
利用上述检测装置对导轨滚转角进行检测的方法，具体按以下步骤进
行
步骤l:采用该检测装置，检测装置中的激光器l发出线偏振激光作为 探测光，该线偏振激光射入1/2波片3，经过1/2波片3后射入设置于1/2波
片后的直角棱镜4;
步骤2:射入直角棱镜4的线偏振激光经其反射后，形成与入射光束平 行的逆向探测光从直角棱镜4中射出，该逆向激光束再次射入1/2波片3;
步骤3:逆向探测光透过1/2波片3后，射入沿逆向探测光方向设置的
偏振分光镜2，偏振分光镜2将其分成两束分光，该两束分光分别射入沿分 光光束射出方向设置的光电探测器A6和光电探测器B7;
步骤4:光电探测器A6和光电探测器B7分别产生反映各自入射光光强
的电流信号，并该电流信号送入与光电探测器相连接的信号处理电路8:
步骤5:信号处理电路8对来自光电探测器的两个电流信号进行处理得
到反映偏振分光镜2两束出射分光束光强差的电压信号C7。
，
步骤6:信号处理电路8将得到的电压信号C/。送入与其相连接的计算机
9，经计算机9处理后得到被测导轨滚转角的大小和方向。
本发明检测方法的原理如图2所示。建立直角坐标系ZXYZ，以线偏
振探测激光的传播方向为Z轴，以垂直于探测光的传播方向为坐标平面 XOY，坐标平面XOZ为水平面。检测前，调整激光器1使探测光的振动面 位于坐标平面XOZ内，设其初始位置为0号位。调整敏感元件1/2波片3， 使探测光垂直射入l/2波片3，同时使其快轴平行于坐标平面XOZ。探测光 经直角棱镜4反射后，其反射光与入射光所决定的平面与坐标平面XOZ平 行。安装偏振分光镜2时应尽量使信号处理电路8的输出电压f/。为零。
在滚转角测量时，当1/2波片3随工作台5转动一角度e后，其快轴由 初始位置O号位转到图中位置IV，线偏振激光经l/2波片3后，其出射光的 振动面将处于位置I ，位置I与位置W之间的夹角即为导轨的滚转角队线 偏振激光经直角棱镜4反射后其振动面转至位置II ，即为线偏振激光再次经
过1/2波片3前的振动面的位置。探测光再次经过1/2波片3后其振动面处
于位置m，此时探测光的振动面位置ni与其初始位置o号位间的夹角p等于
46。借助光电探测器检测偏振分光镜2两出射光的光强，即可得到偏振分光
镜2入射光振动面所在位置m相对激光器i产生的探测光振动面o号位间的
夹角p， ^的四分之一即为敏感元件1/2波片3随工作台5沿被测导轨运动 时绕导轨轴线的滚动角&两光电探测器产生的两光束的光强差A/与滚转角 0之间满足以下关系
A/ = /p — /、. = /。 sin2 (7 + p) — /。cos2 ( 7 + P) = /。 sin(2p) = /。 sin(86 )
由导轨精度所决定，1/2波片3随工作台运动时，其快轴与坐标平面XOZ 间的夹角^很小，《><8^)a8e，所以有 A/ 諸o
即光强差A/与滚转角e间近似成线性关系，且滚转角0被放大8倍。光 强差A/经信号处理电路8处理后，信号处理电路8的输出电压f/。还可对光强 差A/做进一步地放大。
检测装置在实际安装调试过程中，不可能做到使激光器1产生的线偏振 光的振动面在水平面内，设线偏振探测光的振动面与水平面间有夹角A《。 再者，偏振分光镜2的P轴和S轴不可能调整到要求的位置，设调整偏角为 A《。此时，根据线偏振光的传播特性，可得偏振分光镜2两出射光束的光
强差为
A/ = /p - /; = /0 sin(2A《+ 86 - 2A《)
安装引起的误差A《和A《很小，导轨滚转角P也非常小，即有 检测装置中，偏振分光镜两出射光的光强差A/'中含有调整误差项 2A《-2A《，相应地，来自信号处理电路8的反映光强差A/'的输出电压C/。中 也含有误差项2A《-2A《，但其对测量结果的影响是确定的，可通过对检测 装置的标定来消除。在系统使用前，移去1/2波片3后所测得的输出电压t/。 即为调整误差项2A《-2A《。
采用本发明方法进行滚转角检测实验。1/2波片3固定在一高精度转台 上，该高精度转台模拟工作台沿导轨运动时的滚转角变化，得到如图3所示 的滚转角与电压的关系曲线，图中显示，滚转角与信号处理电路的输出电压 呈线性关系，滚转角测量范围为土200'时，线性拟合曲线的性度为0.998; 实验表明，采用本发明方法测量导轨的滚转角，其测量分辨率为2"。相比于 现有的检测方法，本发明方法的测量精度和分辨率有较大提高。
权利要求
1.一种导轨滚转角的非接触激光检测方法，具体按以下步骤进行步骤1采用一检测装置，以检测装置中的激光器发出的线偏振激光为探测光，该线偏振激光射入沿光束方向设置的1/2波片，通过1/2波片后射入设置于1/2波片后的直角棱镜；步骤2射入直角棱镜的线偏振激光经其反射后，形成与入射光束平行的逆向探测光并出射，该逆向探测光再次射入1/2波片；步骤3逆向探测光再次透过1/2波片后，射入沿逆向探测光方向设置的偏振分光镜，偏振分光镜将入射的逆向探测光分成两束分光，该两束分光分别射入沿分光光束射出方向设置的两个光电探测器；步骤4两光电探测器分别产生反映各自入射光光强的电流信号，并送入与两光电探测器相连接的信号处理电路步骤5信号处理电路对来自光电探测器的电流信号进行处理，得到反映偏振分光镜两束出射分光束光强差的电压信号U0；步骤6信号处理电路将得到的电压信号U0送入与其相连接的计算机，经计算机处理后得到被测导轨滚转角的大小和方向。
全文摘要
本发明公开的一种导轨滚转角的非接触激光检测方法，按以下步骤进行采用一检测装置，以激光器发出的线偏振激光为探测光，探测光射入敏感元件1/2波片，经1/2波片后射向直角棱镜；探测光经直角棱镜反射，得到与入射光束平行的逆向光束，该逆向光束再次通过1/2波片后射入偏振分光镜，偏振分光镜的两束出射光分别射入两光电探测器，产生反映光强的电流信号；电流信号经信号处理电路后得到反映两束光光强差的电压信号，电压信号经计算机处理得到反映被测导轨滚转角的大小和方向。本发明方法可用于采用直线导轨的加工或测量设备，以实现其直线导轨滚转角的动、静态检测，该测量方法具有较高的检测精度。
文档编号G01B11/26GK101354243SQ200810150780
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者史恩秀, 杨辛芳, 伟 邵, 郭俊杰, 黄玉美 申请人:西安理工大学