激光位移传感器在角度测量中的应用
发布时间：2017-09-01
引言
角度测量[1, 2]是计量科学的重要组成部分,特别是微小角度的测量在精密加工、航空航天、军事和通信等许多领域都具有极其重要的意义和作用。对于角度的测量可以分为接 触式和非接触式测量,近年虽然非接触式测量角度虽然逐渐成为主流,但是要获得高精度的角度测量值,则仍需要采用接触式测量。接触式测量是测量头与工件表面 的某一个点接触进行测量,沿着工件形状进行扫描,可在短时间内高密度地获得大量点数,测量点数越多,越能获得更为正确的形状参数,主要采用三坐标机进行测 量。非接触测量则有其独特优点,如,测量速度快,与工件非接触,这可以避免对工件的划伤。
本文只探讨非接触式光学测量方法,对于光学测角方法,除了大家熟知的光学分度头法和多面棱体法外,常用还有光电编码器法、衍射法、圆光栅法、激 光干涉法等。这些方法中的很多方法在小角度精密测量中已经成功应用,并得到了较高的测量精度和测量灵敏度,通过适当的改进还可对360°整周角度进行测 量。
激光位移传感器是一种高精度测量位移的传感器[3],本文将其应用在角度测量中来,实现高精度角度的测量。
1激光位移传感器测量角度原理
步进电机带动激光位移传感器向右移动,传感器每前进一步,激光位移传感器可以得出一个距离值,最终可以扫描出二面角的形状。
图2给出了激光位移传感器测量角度的基本原理图。所求角度由直线A1和A2组成,激光位移传感器沿着x轴向右移动,可以测量出多个距离值,最终可以求出A1和A2的斜率,从而求出夹角θ=α1+α2,如果求出2条直线的斜率分别为k1和k2。
为了讨论方便,现在只讨论单边的测量,即设A2的斜率为无穷大,此时可以得到A1与y轴的夹角。 x方向采用步进电机带动激光位移传感器向前移动,精度可以很高,实验中采用的是步进电机带动位移传感器前进100mm,测量的数据为65536个数据,因 此,步长很小,则单步的精度会很高,如果不考虑轴的影响,那么,所有误差都可以归结为y值的误差。采用如下的回归方程[4]进行数据拟合从而求出A1的斜率：
式中N为测量的数据个数。这样可以求出斜率和测量的偏差。
采用误差传递中的“方和根”法可以求出最终θ的误差值。
2激光位移传感器角度测量精度估计和实验测量
实验室测量角度的装置包括步进电机、直线导轨、激光位移传感器。步进电机径向跳动为0. 02mm,轴向跳动为0. 1~0. 3mm;激光位移传感器参考距离为80mm,测量距离为±15mm,采样频率为50 kHz,测量精度为0. 3μm。步进电机步距通过定标算出为1. 636641μm。
2.1激光位移传感器测量角度的理论精度
首先,采用上面的参数进行精度估计。通过Matlab程序随机地产生数据,用以模拟不同角度时的测量数据,为了更结合实际一些,将y的精度减小 10倍,其中把步进电机的误差也折算到y上,图3给出不同角度测量时的精度,精度的求法采用的是蒙特卡洛分析方法,在不同角度上大量产生随机数据,模拟多 次测量过程,最终求出精度。
2.2激光位移传感器对工件的测量
从测量的数据来看,该工件表面光洁度不是很好,特别是工件2#,工件1#各面还存在凹坑,角度有严重的磨损。为了更精确的测量出角度,首先需要采用一些方法去除粗大误差,由于数据量比较大, 3σ准则比较适用。
根据上面的算法和Matlab程序计算出,工件1#的角度为108. 663±0. 002°,工件2#的角度为111. 578±0. 004°,工件2#的精度比工件1#的精度低,符合上面的测量数据。它们的精度折合成秒时,精度在10″左右,低于理论精度。
2.3影响精度因素分析
首先是激光位移传感器本身的精度影响,因为激光位移传感器在不同位置处的测量精度是不一样的,温漂、电压的变化都会影响到测量精度[5]。
工件本身的特性也会影响测量精度,如工件的光洁度不好,会导致测量的数据起伏不定。工件非常光滑,会导致漫反射光很弱,探测器接收到的光很少,甚至接收不到,因为此时主要是正反射。
实验中固定架由步进电机带动向前运动,因此,步进电机精度间接影响着测量精度。理论上,步进电机在固定距离上分的步长越小,精度越高,但实际 上,步进电机工作时都是有一定负载的,细分数越大,细分电流就越小,步进电机的电磁转矩越小,这样会导致有的步距很大,有的步距很小,甚至停不下来,因 此,应该选择最佳的步距,同时通过对斩波电流的调整提高步进电机精度[6]。
非常重要的一个影响测量准确性的因素是激光位移传感器测量方向与导轨的不垂直性。
测量方向与y轴有一个夹角α(规定安逆时针旋转为正),如果左边直线斜率为k1,大于零,右边直线斜率为k2,斜率小于零。
因此,计算到得角度和精度值都会明显变化。
摘自：中国计量测控网
