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激光位移傳感器在角度測量中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2017-09-01
引言
角度測量[1, 2]是計量科學(xué)的重要組成部分,特別是微小角度的測量在精密加工、航空航天、軍事和通信等許多領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用。對于角度的測量可以分為接 觸式和非接觸式測量,近年雖然非接觸式測量角度雖然逐漸成為主流,但是要獲得高精度的角度測量值,則仍需要采用接觸式測量。接觸式測量是測量頭與工件表面 的某一個點接觸進行測量,沿著工件形狀進行掃描,可在短時間內(nèi)高密度地獲得大量點數(shù),測量點數(shù)越多,越能獲得更為正確的形狀參數(shù),主要采用三坐標機進行測 量。非接觸測量則有其獨特優(yōu)點,如,測量速度快,與工件非接觸,這可以避免對工件的劃傷。
本文只探討非接觸式光學(xué)測量方法,對于光學(xué)測角方法,除了大家熟知的光學(xué)分度頭法和多面棱體法外,常用還有光電編碼器法、衍射法、圓光柵法、激 光干涉法等。這些方法中的很多方法在小角度精密測量中已經(jīng)成功應(yīng)用,并得到了較高的測量精度和測量靈敏度,通過適當?shù)母倪M還可對360°整周角度進行測 量。
激光位移傳感器是一種高精度測量位移的傳感器[3],本文將其應(yīng)用在角度測量中來,實現(xiàn)高精度角度的測量。
1激光位移傳感器測量角度原理
步進電機帶動激光位移傳感器向右移動,傳感器每前進一步,激光位移傳感器可以得出一個距離值,最終可以掃描出二面角的形狀。
圖2給出了激光位移傳感器測量角度的基本原理圖。所求角度由直線A1和A2組成,激光位移傳感器沿著x軸向右移動,可以測量出多個距離值,最終可以求出A1和A2的斜率,從而求出夾角θ=α1+α2,如果求出2條直線的斜率分別為k1和k2。
為了討論方便,現(xiàn)在只討論單邊的測量,即設(shè)A2的斜率為無窮大,此時可以得到A1與y軸的夾角。 x方向采用步進電機帶動激光位移傳感器向前移動,精度可以很高,實驗中采用的是步進電機帶動位移傳感器前進100mm,測量的數(shù)據(jù)為65536個數(shù)據(jù),因 此,步長很小,則單步的精度會很高,如果不考慮軸的影響,那么,所有誤差都可以歸結(jié)為y值的誤差。采用如下的回歸方程[4]進行數(shù)據(jù)擬合從而求出A1的斜率：
式中N為測量的數(shù)據(jù)個數(shù)。這樣可以求出斜率和測量的偏差。
采用誤差傳遞中的“方和根”法可以求出最終θ的誤差值。
2激光位移傳感器角度測量精度估計和實驗測量
實驗室測量角度的裝置包括步進電機、直線導(dǎo)軌、激光位移傳感器。步進電機徑向跳動為0. 02mm,軸向跳動為0. 1~0. 3mm;激光位移傳感器參考距離為80mm,測量距離為±15mm,采樣頻率為50 kHz,測量精度為0. 3μm。步進電機步距通過定標算出為1. 636641μm。
2.1激光位移傳感器測量角度的理論精度
首先,采用上面的參數(shù)進行精度估計。通過Matlab程序隨機地產(chǎn)生數(shù)據(jù),用以模擬不同角度時的測量數(shù)據(jù),為了更結(jié)合實際一些,將y的精度減小 10倍,其中把步進電機的誤差也折算到y(tǒng)上,圖3給出不同角度測量時的精度,精度的求法采用的是蒙特卡洛分析方法,在不同角度上大量產(chǎn)生隨機數(shù)據(jù),模擬多 次測量過程,最終求出精度。
2.2激光位移傳感器對工件的測量
從測量的數(shù)據(jù)來看,該工件表面光潔度不是很好,特別是工件2#,工件1#各面還存在凹坑,角度有嚴重的磨損。為了更精確的測量出角度,首先需要采用一些方法去除粗大誤差,由于數(shù)據(jù)量比較大, 3σ準則比較適用。
根據(jù)上面的算法和Matlab程序計算出,工件1#的角度為108. 663±0. 002°,工件2#的角度為111. 578±0. 004°,工件2#的精度比工件1#的精度低,符合上面的測量數(shù)據(jù)。它們的精度折合成秒時,精度在10″左右,低于理論精度。
2.3影響精度因素分析
首先是激光位移傳感器本身的精度影響,因為激光位移傳感器在不同位置處的測量精度是不一樣的,溫漂、電壓的變化都會影響到測量精度[5]。
工件本身的特性也會影響測量精度,如工件的光潔度不好,會導(dǎo)致測量的數(shù)據(jù)起伏不定。工件非常光滑,會導(dǎo)致漫反射光很弱,探測器接收到的光很少,甚至接收不到,因為此時主要是正反射。
實驗中固定架由步進電機帶動向前運動,因此,步進電機精度間接影響著測量精度。理論上,步進電機在固定距離上分的步長越小,精度越高,但實際 上,步進電機工作時都是有一定負載的,細分數(shù)越大,細分電流就越小,步進電機的電磁轉(zhuǎn)矩越小,這樣會導(dǎo)致有的步距很大,有的步距很小,甚至停不下來,因 此,應(yīng)該選擇最佳的步距,同時通過對斬波電流的調(diào)整提高步進電機精度[6]。
非常重要的一個影響測量準確性的因素是激光位移傳感器測量方向與導(dǎo)軌的不垂直性。
測量方向與y軸有一個夾角α(規(guī)定安逆時針旋轉(zhuǎn)為正),如果左邊直線斜率為k1,大于零,右邊直線斜率為k2,斜率小于零。
因此,計算到得角度和精度值都會明顯變化。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
