[发明专利]一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于角度的光电测量技术领域，涉及一种滚转角测量装置及方法，具体涉及一种非接触式外差干涉的衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法。

背景技术

任何机械导轨运动副都具有三个回转自由度（俯仰、偏摆和滚转），根据ISO10791-2:2001/GB/T18400.2-2010标准它们被定义为线性运动的俯仰、偏摆和滚转角度偏差。在三项角度偏差检测中，俯仰角和偏转角的测量方法和技术已发展较为成熟且测量分辨率很高，如双频激光干涉仪法、自准直仪等。相对而言，现有滚转角的测量方法和技术则难以满足高分辨率的要求，一直是角度偏差检测、数控机床误差分析与补偿等研究的瓶颈问题。这主要是因为滚转角位移平面与激光光束方向正交，导致典型的、较成熟的高精度光学测量方法（如双频激光干涉仪等）难以胜任。因此，对于滚转角的高精度有效测量，国内外仍然处于一种研究和探索阶段，尚无成熟的检测方法或商业化的测量仪器被广泛应用。

目前，针对高精度的滚转角检测问题的主要有以下几类方法：第一，以重力方向为基准的电子水平仪测量，此方法类似于传统水平仪，均以敏感元件感应重力为基础，实现测量平面与基准平面的差异，从而实现滚转角测量，它虽具有结构简单、操作简便的优势，但它不能测量竖直轴的滚转角。第二，以基于位置敏感探测器（PSD）的准直激光位置为基准的测量，原理是基于准直激光被滚转的被测对象反射后，其光斑相对初始位置发生变化被PSD探测，从而计算并完成滚转角测量，它可易于实现多维测量，但测量分辨率受限于PSD的性能而难以提高，且易于受俯仰角和偏摆角的影响。公开号为CN101339012A的专利提出一种基于光栅的滚转角测量方法与装置，该方法结合了透射式光栅和PSD技术的特点，利用光栅作为敏感元件，其正负一级衍射光束经透镜等光学环节后在PSD中的位移量来计算出被测滚转角，它具有结构紧凑的特点。第三，以激光正交偏振方向为基准的测量法，该方法包括基于光强、相位和频率调制测量的三类，其中基于偏振光相位法，具有较高精度的优点。公开号为CN1335483的专利在偏振光相位法的基础上改进光路设计将原有方法灵敏度在非线性增强的基础上再提高4倍，但此方法及装置难以再提高其分辨率。第四，干涉法滚转角测量，美国专利号为5056921专利中Chaney提出了一种完全使用干涉仪方法来测量滚转角可以获得很高的精度，但该系统需安装一块与导轨一样长的平面反射镜，在实际中难以应用。另外一种激光干涉法，是通过激光干涉仪进行多条体对角线线性位移测量，通过方程组间接求解出21个单项几何误差，也包括求得滚转角测量值，但该方法属于间接的综合测量法，不能实时测量且不利于误差补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法，其基于激光外差干涉、衍射光栅位移技术和空间布局，不仅能够实现滚转角测量，且具有精度高、抗干扰能力强的特点，有利于实际应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，包括双频激光器、5%反射镜、偏振分光棱镜、衍射光栅以及第一、二反射器；在所述双频激光器的光轴后设置5%反射镜，所述5%反射镜的反射光轴上设有第一检偏器和第三光电接收器；所述5%反射镜的透射光轴上设有偏振分光棱镜；所述的偏振分光棱镜的透射光轴上且与该光轴垂直设置有衍射光栅；所述衍射光栅的±1级衍射光轴上分别设置有第一反射器和第二反射器；所述的偏振分光棱镜的反射光轴上设有第一50%分光镜；所述第一50%分光镜的透射光轴与所述第一反射器的出射光轴交点处设有第第二50%分光镜；所述第一50%分光镜的反射光轴上设有高反射光镜；所述高反射光镜的反射光轴与所述第二反射器的出射光轴交点处设有第三50%分光镜；所述第二50%分光镜和第三50%分光镜的光轴上分别设有第二、三检偏器和第一、二光电接收器。

进一步，上述衍射光栅的两端设置有用以固定衍射光栅的第一固定支架和第二固定支架，所述第一固定支架和第二固定支架的下端分别固定第一反射器和第二反射器。

上述衍射光栅被固定在被测对象上，作为敏感元件，第一、二反射器通过第一、二固定支架被固定以保证与所述衍射光栅相对静止；由衍射光栅和第一、二反射器构成一体的目标反射器；由双频激光器、5%反射镜、第一、二、三检偏器和第一、二、三光电接收器，偏振分光棱镜、第一、二、三50%反射镜和高反射光镜构成测量头。

进一步的，上述第一、二反射器采用斯密特棱镜或高反射镜。

本发明还提出一种基于上述装置的滚转角测量方法，包括以下步骤：