发布于：2007/5/25 8:53:08 | 934 次阅读
Design Principle of JPJ-Ⅱ Type Laser Measure Instrument of
Plane Horizontal Degree Along with Motion System
LIU Wenhan1，CHEN Qingming1，LIU Lu2
（1．Xi′an Institute of Industry，Xi′an，710032，China；
2．Rising Gruop，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China）
Abstract：In this article，the working principle and the attended problemsin the design oflaserplane degree measure instrumentare introduced．This kind ofdesign has the advantages ofnovelmethod，high precision and velocity ofmeasurement，atthe sametime，the results of measurement are clear and definite．This measure method changes the conventionalbeeline measure big areasinto the dot-contacted measurement．Itis a substitute for the measurementparameters of bigplane degree measure instrument．
Keywords：laser plane；two-quadrant photronic sensor；along with motion system；temperature drift
1 概 述
“JPJ-Ⅱ”型激光平面度仪是光机电相结合的用于测量大平面平面度的新型测量仪器。传统测量大平面采用标准直线法，即选取平面上的一点作为测量的起始点，以过该点的水平线（或光线）作为基准，测量其他点相对水平线（或光线）的空间位置，经过积累和换算获得被测平面平面度误差原始数据。由于每次测量基 准点均要变换和累计、误差大且很繁琐。“JPJ-Ⅱ”激光平面度仪是以一个在空间自动安平的激光面作为测量点的统一基准，即用于实际测量的一个“过度基准平面”，通过在被测平面上运行的以二象限光电池为传感器的随动系统自动跟踪激光过渡基准平面的过程，测得被测平面上各点平面度误差的原始数据，然后输入计算机通过程序求得被测平面的平面度误差。
此种测量方法与传统的测量平面度方法相比，由过去的线接触式测量转换为点接触式测量，测量较高，测量速度快，测量结果通过计算机直接打印，比较直观。
该仪器主要由4部分组成：
第1部分由在空间自动安平的激光发生器等组成，如图1所示。其主要由自动安平系统、激光发生器、激光扩束及稳压稳流稳束系统组成。为了保证测量度，要求形成激光平面稳定性较高，激光管产生的激光束在空间的漂移小，激光发散角应在要求范围内，功率参数漂移小。对激光管供电电路需要稳压稳流以保证激光束稳定，激光平面形成采取扩束法，因无转动部件，激光平面在空间的稳定度较高。
第2部分是置于被测平面上的光电随动系统运动架等部分组成。作为传感器的二象限光电池参数要求严格对称，两部分性能参数一致。机械传动系统要求精密间隙小。电感测微仪探头要求上下运动灵活，支架要求稳定，运动方便。
第3部分由随动系统信号处理自动跟踪控制电路组成，主要包括：传感器信号处理电路，V～F转换电路，步进电机驱动电路等构成的闭环电路。电路原理框图如图2所示。
第4部分由电感测微仪电路、微机以及打印机等组成，主要完成把测量信号输入计算机以及由计算机完成全部测量数据的计算，根据要求打印出各参数和曲线，并同步显示被测量点的相对高度。
2 随动系统自动跟踪控制电路设计中的几个问题
2．1 由于二象限光电池传感器和激光平面发射方向成不同角度时所引起的测量误差及处理方法
激光器产生的激光束经光洁的圆柱体扩束后在空间形成一个与水平面平行的高稳定的激光平面。在被测平面上放置的随动系统运动部分，其顶端上安装了与水平面垂直的二象限光电池传感器，其中缝严格调整到与水平面平行位置，激光平面垂直照射到二象限光电池平面上。当激光平面对称地照射到二象限光电池平面中缝时（考虑激光平面有一定发散），光电池上下两部分输出电压差为0，随动系统停止上下运动，系统达到平衡状态，这时通过电感测微仪得到平面此点相对某一参考点的相对高度。当被测某点与参考点高度不同时，激光平面会照射到二象限光电池相对中缝位置偏上或偏下部分，而造成光电池上下两部分输出电压不相等，随动系统控制部分根据光电池输出电压差△V＝VA-VB的大小，驱动电机使随动系统运动部分（包括电感测微仪线圈及光电池等部件）向上或向下运动，直到激光平面对称地照射到二象限光电池中缝达到平衡状态，此时光电池输出电压差△V＝0，电机停止运动，电感测微仪的显示值减去上一测量点平衡时显示值即为这两点的高度差。
当随动系统运动部分在被测平面上某点不变时，本应由于测量点不变测量值也应不变。但由于二象限光电池与激光平面相对位置不同时也会造成光电池输出电压差不同，而产生测量误差。图3为激光平面垂直照射纸面时，随动系统运动部分相对激光源绕光电池y轴旋转φ角前后，光电池在激光平面中被照射情况变化示意图。当二象限光电池正对激光扩束面时（即二象限光电池x轴上对称两点到激光扩束点距离相等），设此时二象限光电池上部分接受激光能量为ωA，输出电压为VA，下半部分对应为ωB和VB。二象限光电池接收激光平面宽度为ab长，但当随动系统运动部分绕光电池y轴旋转角度φ时虽然所在平面的测量点未变，但二象限光电池接受激光平面的实际宽度变为a′b′，即：a′b′＝abcosφ，此时二象限光电池上下两部分接收激光能量下降为ωAcosφ，ωBcosφ，输出电压为VAcosφ，VBcosφ和输出电压差下降为ΔV′＝（VA－VB）cosφ，从而造成测量灵敏度下降了1／cosφ。从一个测量点到下一个测量点时随动系统运动部分相对激光平面的状态是随机的，这种现象在实际测试中发现在同一测量点造成5μm以上的测量误差。
通过以上分析，当两者相对位置状态不同时主要是由于旋转φ角度所致，可以采取消除此项方法解决 所造成的误差。方法如下：
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