CN112504154A - 基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置及测量方法 - Google Patents

基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置及方法，包括激光测距设备、接收器、折转镜、支撑架、参考镜和测试镜，折转镜安装在支撑架上，参考镜安装于待测结构朝向激光测距设备的一侧上，测试镜安装于待测结构远离激光测距设备的另一侧上，支撑架设于激光测距设备与待测结构之间，激光测距设备与接收器相连；参考镜与测试镜的数量相同。本发明的测试装置通过测量激光的位移变化量，得出被测结构三维位置的形变量，精度高，在待测支撑结构尺寸在5m×5m×5m范围内时三维位置变形量测量精度可达5μm。本发明的测试方法能灵活应用于多种不同结构形式的大尺寸支撑结构的三维变形量测试，适用范围广泛，简单易行，效率高，节约时间与成本。

Description

基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种形变量测试装置及方法，尤其涉及一种基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置及测量方法。
背景技术
随着科技的日益发展，很多需依靠地面大口径光学有效载荷进行观察、观测，地面大口径光学有效载荷在诸多领域起着举足轻重的作用，大口径光学有效载荷的研制工作十分关键。国内目前所研制的大型地基光学望远镜口径已达到4m量级，由于光学***口径、焦距的增加，大型光学成像***的支撑结构随之做大，整体包络尺寸达到5-6m量级，其支撑结构是保证光学观测***研制成功的关键，尤其关系到光学***其自身的成像质量，当支撑结构受到温度或外力等因素作用时，自身结构会产生微小位置变形，导致***中各光学元件间的位置发生变化，造成光学***成像质量下降，进而无法获得有效数据，造成巨大经济损失。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种高精度的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置；本发明的第二目的在于提供这种测量装置的测量方法。
技术方案：本发明的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，包括待测结构、激光测距设备、接收器、折转镜、支撑架、参考镜和测试镜，所述折转镜安装在支撑架上，所述参考镜安装于待测结构朝向激光测距设备的一侧上，所述测试镜安装于待测结构远离激光测距设备的另一侧上，所述支撑架设于激光测距设备与待测结构之间，所述激光测距设备与接收器相连；所述参考镜与测试镜的数量相同。
进一步地，所述测试镜的数量为1-3个。
进一步地，所述测试镜包括楔形测试镜和平面测试镜。
进一步地，所述参考镜包括多路参考棱镜和单路参考棱镜。
进一步地，所述折转镜的数量为1-4个。
进一步地，所述折转镜包括半反半透镜。
进一步地，所述激光测距设备包括双频激光干涉仪。
本发明的一种基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)确定待测支撑结构上的三维特征点，在后端特征点上安装测试镜；
(2)在支撑结构前端特征点上安装参考镜，调整参考镜与测试镜同轴；
(3)在待测支撑结构z轴方向放置激光测距设备，使激光测距设备、参考镜与测试镜保持同轴；
(4)在激光测距设备和待测支撑结构之间放置支撑架，支撑架上固定安装折转镜；
(5)开启激光测距设备，通过接收器记录每组测试镜与参考镜间相对位移的变化量，进而得出待测支撑结构三维位置的形变量。
进一步地，步骤(1)中，所述测试镜的数量为1-3个；所述测试镜包括楔形测试镜和平面测试镜。
进一步地，步骤(2)中，所述参考镜的数量为1-3个；所述参考镜包括多路参考棱镜和单路参考棱镜。
目前大型光学载荷常采用的支撑结构形式主要有薄壁连接筒式、桁架式、薄壁连接筒与支撑杆组合式等，无论采用哪种设计结构，在研制过程中均需要对其承受振动、冲击及噪声等外界力或环境条件作用的能力进行考察，以保证满足设计要求，因此，在光学载荷研制过程中有必要对其大尺寸支撑结构在三维方向上的位置变形量进行测试，来验证大尺寸支撑结构设计的可靠性。
常用于大尺寸支撑结构位置形变的测试方法主要包括两种，其一是利用激光跟踪仪设备，将测试用靶球放置于各个待测位置上，完成特征区域间相对位置与姿态的变化情况测试，这种方法受激光跟踪仪设备自身的测量精度限制，对于5m以上的大尺寸结构件，方法的测试精度约为50μm，此方法较适用于小尺寸支撑结构形变量的高精度测试；其二是利用摄影测量设备，通过在待测支撑结构上进行多个测试点的粘贴或喷涂，利用测试相机对全部测试点进行多角度拍照测试，通过拍摄图像分析支撑结构整体在三维方向上的位置变形情况，此种方法在测试5m量级以上支撑结构时，方法的测试精度约为10μm；常用方法目前均不满足大尺寸支撑结构形变量测试的高精度要求，因此研究测试精度高、通用性强的大尺寸支撑结构的位置形变量测试方法。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明的测试装置通过测量激光的位移变化量，得出被测结构三维位置的形变量，精度高，在待测支撑结构尺寸在5m×5m×5m范围内时三维位置变形量测量精度可达5μm。
(2)本发明的测试方法能灵活应用于多种不同结构形式的大尺寸支撑结构的三维变形量测试，适用范围广泛。
(3)本发明的测试方法简单易行，效率高，节约时间与成本。
附图说明
图1为本发明测量支撑结构三维位置形变量的结构示意图；
图2为本发明测量支撑结构x轴方向形变量的光路示意图；
图3为本发明测量支撑结构y轴方向形变量的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的大尺寸支撑结构形变量测试装置，选取双频激光干涉仪作为激光测距设备，将其放置在待测支撑结构的水平轴z方向上，在支撑结构沿水平轴z方向的特征位置上放置测试镜7及参考镜6，双频激光干涉仪1发出的测试光束经过参考镜6后入射到被测镜7上，双频激光干涉仪1通过接收器12可以检测到参考镜6与测试镜7之间位置的变化量，进而获得该支撑结构沿z轴方向的形变量大小；预实现支撑结构三个维度上的相对位置形变量测试，需要将测试光束分成3路，即在双频激光干涉仪1出光口处布置多组折转镜2-5，利用高稳定性折转镜支撑架13支撑全部折转镜，进行测试光束的折转，使测试光束能够入射到支撑结构的另外两个方向上的测试镜9、11与多路参考棱镜8、10上，由于想要通过测试镜9与多路参考棱镜8完成支撑结构沿y方向的形变量测试，测试镜11与多路参考棱镜完成支撑结构沿x方向的形变量测试，多路参考棱镜8、10，测试镜9、11与参考镜6，测试镜7的镜组不同，多路参考棱镜8、10，能够将测试光束分为两路，两路测试光束具有固定的夹角，测试镜组9、11为能够接收两路测试光束的楔形测试镜，两路测试光束沿各自方向入射到的对应的测试楔形镜组上，当支撑结构在该方向有变形时，会导致参考镜与测试镜间两路测试光束其中一路光程距离缩小，另一路增加相同量级的光程，通过激光双频干涉仪1与接收器12获得，再根据已知两路测试光束的角度，利用几何关系可以求得支撑结构在此方向上的形变量大小，从而实现支撑结构在三维方向上的形变量测量；
在检测时，首先确定出大尺寸支撑结构上可用于代表三维结构形变量的特征点位置，在各个特征点位置上安装参考或测试镜组的底座，通过底座能够保证各镜组相对自身位置保持稳定。
在待测支撑结构的z轴方向放置一台双频激光干涉仪1，在干涉仪与待测支撑结构件之间利用高稳定性支撑架13支撑折转镜2-5，2-5均为半反半透镜；
将参考镜组6布置在待测支撑结构的前端特征点位置上，安装并调整测试镜7与6同轴，调整干涉仪位置使1使其与参考镜6及测试镜7保持同轴。
测试光束经干涉仪1发出，通过折转镜2，一部分入射到折转镜5上，一部分镜反射后入射到折转镜3，经过折转镜3后测试光束入射到多路参考棱镜10，光束进入到多路参考棱镜10，利用多路参考棱镜10内部的分束***的分光束特性将测试光束分为两路，两路测试光束的夹角可根据带待测实际情况预先设计，两路测试光束入射到测试镜11的两个接收面上，当被测支撑结构在x方向发生形变时，双频激光干涉仪1接收到的两路测试光的光程会发生变化，其中一束光程减小，另一束光程增加，通过已知的两束测试光的夹角可计算出该支撑结构在x方向形变量的大小；
入射到折转镜5上的测试光束一部分入射到参考镜6上，参考镜6为具备能透过测试光束的反射镜，通过在镜体上预留通光孔，使测试光束能够透过参考镜组6入射到测试镜组7在上，测试镜组7为反射镜组件；双频激光干涉仪1发出的测试光束在入射到参考镜6、测试镜7后由干涉仪及接收器接收，能够直接得到测试镜7相对参考镜6的位置变化，及被测支撑结构在z方向上的形变情况；
由折转镜5反射的另一束测试光束经折转镜4反射，测试光束能够入射到多路参考棱镜8，利用多路参考棱镜8内部的分束***的分光束特性将测试光束分为两路，两路测试光束的夹角事先设计好，两路测试光束入射到测试镜9的两个接收面上，当被测支撑结构在y方向发生形变时，干涉仪1接收到的两路测试光的光程会发生变化，其中一束光程减小，另一束光程增加，通过已知的两束测试光的夹角可计算出该支撑结构在y方向形变量的大小；
通过上述步骤，最终可完成待测支撑结构三个方向上的形变量测试；本实施例中激光测距设备选用激光双频干涉仪，激光双频干涉仪测位移的精度在纳米量级，由于方法将主要在实验室环境下开展，综合考虑影响方法精度的误差源，方法对于5m量级的待测结构测试精度约为5μm。

Claims (10)

1.一种基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，包括待测结构、激光测距设备、接收器、折转镜、支撑架、参考镜和测试镜，所述折转镜安装在支撑架上，所述参考镜安装于待测结构朝向激光测距设备的一侧上，所述测试镜安装于待测结构远离激光测距设备的另一侧上，所述支撑架设于激光测距设备与待测结构之间，所述激光测距设备与接收器相连；所述参考镜与测试镜的数量相同。
2.根据权利要求1所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，所述测试镜的数量为1-3个。
3.根据权利要求1或2所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，所述测试镜包括楔形测试镜和平面测试镜。
4.根据权利要求1所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，所述参考镜包括多路参考棱镜和单路参考棱镜。
5.根据权利要求1所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，所述折转镜的数量为1-4个。
6.根据权利要求1或5所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，所述折转镜包括半反半透镜。
7.根据权利要求1所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置，其特征在于，所述激光测距设备包括双频激光干涉仪。
8.一种权利要求1所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定待测支撑结构上的三维特征点，在后端特征点上安装测试镜；
(2)在支撑结构前端特征点上安装参考镜，调整参考镜与测试镜同轴；
(3)在待测支撑结构z轴方向放置激光测距设备，使激光测距设备、参考镜与测试镜保持同轴；
(4)在激光测距设备和待测支撑结构之间放置支撑架，支撑架上固定安装折转镜；
(5)开启激光测距设备，通过接收器记录每组测试镜与参考镜间相对位移的变化量，进而得出待测支撑结构三维位置的形变量。
9.根据权利要求8所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，所述测试镜的数量为1-3个；所述测试镜包括楔形测试镜和平面测试镜。
10.根据权利要求8所述的基于光路的大尺寸支撑结构形变量测量装置的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，所述参考镜的数量为1-3个；所述参考镜包括多路参考棱镜和单路参考棱镜。
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