CN1632462A - 基于角度测量的三角法测距误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于角度测量的三角法测距误差补偿方法，属于三角法测距的误差补偿技术。该方法采用垂直入射三角法测距装置，将入射光分为两束，一部分垂直入射被测物体表面，其反射光的偏转角度经临界角角度测量装置检测；一束光采用垂直入射光三角法测距，测距结果中减去由于被测物体表面倾角变化引入的测量误差。补偿量的确定：转角测量值为零时，只有位移变化误差为零；根据偏移距离Λ计算的物面转角和测量值γ相等，只有角度变化位移为零；既有位移又有角度变化，由γ测量值经计算得到的线位移不等于Λ，再经计算，根据测量值Σ求得纯线位移x。本发明的优点在于根据测量被测物体表面倾角变化补偿角度变化引入的测量误差，提高位移测量的精度。

Description

基于角度测量的三角法测距误差补偿方法

                               技术领域

本发明涉及一种基于角度测量的三角法测距误差补偿方法，属于三角法测距的误差补偿方法。

                               背景技术

目前，常用的微位移测量方法主要有激光干涉法，激光三角法，光探针法等，而三角法测量由于具有非接触、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小、测量准确度高、可用于实时在线快速测量等特点，在几何量测量领域中得到广泛的应用。在该方法中，通常精度要求下被测物体的转角变化引入的误差可忽略不计。但在对测量的不确定度要求较高的时候，由于被测物体转角变化引入的误差因素必须进行补偿。鉴于此，在激光三角法测距原理基础上，利用角度测量方法实时测量被测物体表面倾角变化，以补偿角度变化引入的测量误差，从而提高位移测量的精度。

                               发明内容

本发明的目的在于提供一种基于角度测量的三角法测距误差补偿方法，该方法利用角度测量方法实时测量被测物体表面倾角变化，以补偿角度变化引入的测量误差，从而提高位移测量的精度。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：采用基于角度测量的三角法测距误差补偿装置，该装置包括垂直入射三角法测距装置中的准直光源、凸透镜、被测物体表面或物体表面的反射镜，以及凸透镜后边的反射镜、光电接收器、1/4波片、偏光分光镜、分光镜、两个临界角棱镜、两个光电二极管，实现基于角度测量的三角法测距误差补偿方法。其特征在于将入射光分为两束，一部分垂直入射被测物体表面，其反射光的偏转角度经临界角角度测量装置检测；一束光采用垂直入射光三角法测距。然后，在测距结果中减去由于被测物体表面倾角变化引入的测量误差。所述的误差补偿量如下：

1.只有位移变化时

当只有位移变化时，入射角θ_i不变，反射光平行于主光线反射，反射角也不变，即图中的θ₁＝θ₂＝θ，经过透镜后汇聚于主光线与焦平面焦点上，如图(1)所示。由图中可以看出：tgθ＝d/f，其中d为入射光到透镜中心距离，f为透镜的焦距。

当被测面有向上/下位移x时，反射光在透镜上的偏移距离Δ为：

Δ＝±2xtgθ             (1)

由Δ求得位移量x。

2.只有角度变化时

当被测面没有位移变化而只是以O点为初始点做一维小角度变化时，入射点O不变，因此反射光可以看作成由焦点O发出的散射光，经过透镜后变成平行光射出。如图(2)所示。当被测面左旋γ角时，令γ₁＝γ₂＝γ，反射光线向左转过2γ角，因此反射光在透镜上的偏移距离Λ为：

Λ₁＝f[tgθ-tg(θ-2γ)]            (2)

当被测面右旋β角时，反射光线向右转过2β角，因此反射光在透镜上的偏移距离为：

Λ₂＝f[tg(θ+2γ)-tgθ]            (3)

通过角度测量装置测量出角位移量γ。

3.既有位移又有角度变化

由于位移移动方向不影响角度的测量，而且也不影响位移测量***中角度的计算，不妨假设位移方向向下。

(1)被测面有位移而且向左旋转γ角时，角度变化使反射光在透镜上的移动距离与位移变化所引起的偏移矢量相叠加，如图(3)所示。由图中的三角关系有：

x＝x′+x′tgθtgγ          (4)

由入射光线与出射光线的位置关系可以得出：

Δ＝x′[tgθ+tg(θ-2γ)]    (5)

角度变化引入位移量由公式(2)给出，综合以上三式可以得出左旋位移∑总公式：

$\mathrm{\Σ}=\mathrm{\Δ}+\mathrm{\Λ}=\frac{x}{1+\mathrm{tg\θtg\γ}}[\mathrm{tg\θ}+\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ})]+f[\mathrm{tg\θ}-\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ})]---\left(6\right)$

通过角度测量装置测量出角位移量γ以后，由式(6)求得实际偏移量。

(2)被测面有位移而且向右旋转γ角时，角度变化使反射光在透镜上的移动距离与位移变化所引起的偏移矢量相叠加。此时：

x＝x′-x′tgθtgγ          (7)

由入射光线与出射光线的位置关系可以得出：

Δ′＝x′[tgθ+tg(θ+2γ)]         (8)

角度变化引入位移量由公式(3)给出，综合三式可以得出右旋位移总公式：

$\mathrm{\Σ}={\mathrm{\Δ}}^{\′}+\mathrm{\Λ}=\frac{x}{1-\mathrm{tg\θtg\γ}}[\mathrm{tg\θ}+\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{\γ})]+f[\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ})-\mathrm{tg\θ}]---\left(9\right)$

通过角度测量装置测量出角位移量γ以后，由式(9)求得实际偏移量。

本发明的优点在于利用角度测量方法实时测量被测物体表面倾角变化，以补偿角度变化引入的测量误差，从而提高位移测量的精度。

                              附图说明

图1为只有位移变化时误差计算示意图。

图2为只有角度变化时误差计算示意图。

图3为既有位移又有角度变化时误差计算示意图。

                             具体实施方式

当利用前述方法进行测量分析的时候，首先由临界角角度测量装置检测出转角变化量γ及其转角变化的方向；γ＝0则认定无转角变化，此时根据测量值Δ和式(1)求得物面线位移量x。

当有转角变化时，根据转角方向的判定，将该转角变化量带入公式(2)或(3)，经计算后得到的线位移量若等于Λ，则认定此时物面只有转角变化γ。

既有位移又有转角变化时，根据转角方向的判定，将该转角变化量带入公式(2)或(3)，经计算后得到的线位移量不等于Λ，则将该转角变化量带入公式(6)或(9)，根据测量值∑求得纯线位移x。

本方案中：d＝40mm、f＝60mm，则tgθ＝0.333。当被测面有x＝100μm实际位移，若γ＝0时，反射光在凸透镜上的偏移距离为66.667μm；若γ＝300arcsec，则x/x’＝1.0005μm，即若不补偿时测得的结果x’＝99.95μm，测量误差为0.05μm，相对误差为0.05％；若γ＝600arcsec则x/x’＝1.001μm，即若不补偿时测得的结果x’＝99.90μm，测量误差为0.10μm，测量的相对误差可达0.1％。

Claims (1)

1.一种基于角度测量的三角法测距误差补偿方法，该方法采用基于角度测量的三角法测距误差补偿装置，该装置包括垂直入射三角法测距装置中的准直光源、凸透镜、被测物体表面或物体表面的反射镜，以及凸透镜后边的反射镜、光电接收器、1/4波片、偏光分光镜、分光镜、两个临界角棱镜、两个光电二极管，其特征在于将入射光分为两束，一部分垂直入射被测物体表面，其反射光的偏转角度经临界角角度测量装置检测；一束光采用垂直入射光三角法测距，然后，在测距结果中减去由于被测物体表面倾角变化引入的测量误差，所述的误差补偿量如下：

1).只有位移变化时

当只有位移变化时，入射角θ_i不变，反射光平行于主光线反射，反射角也不变，即图中的θ₁＝θ₂＝θ，经过透镜后汇聚于主光线与焦平面焦点上，得到：tgθ＝d/f，其中d为入射光到透镜中心距离，f为透镜的焦距，当被测面有向上/下位移x时，反射光在透镜上的偏移距离Δ为：

Δ＝±2xtgθ                (1)

由Δ求得位移量x；

2).只有角度变化时

当被测面没有位移变化而只是以O点为初始点做一维小角度变化时，入射点O不变，因此反射光可以看作成由焦点O发出的散射光，经过透镜后变成平行光射出，当被测面左旋γ角时，令γ₁＝γ₂＝γ，反射光线向左转过2γ角，因此反射光在透镜上的偏移距离为：

Λ₁＝f[tgθ-tg(θ-2γ)]           (2)

当被测面右旋β角时，反射光线向右转过2β角，因此反射光在透镜上的偏移距离为：

Λ₂＝f[tg(θ+2γ)-tgθ]           (3)

通过角度测量装置测量出角位移量γ；

3).既有位移又有角度变化

由于位移移动方向不影响角度的测量，而且也不影响位移测量***中角度的计算，不妨假设位移方向向下，

(1)被测面有位移而且向左旋转γ角时，角度变化使反射光在透镜上的移动距离与位移变化所引起的偏移矢量相叠加，其关系式为：

x＝x′+x′tgθtgγ              (4)

由入射光线与出射光线的位置关系可以得出：

Δ＝x′[tgθ+tg(θ-2γ)]        (5)

角度变化由公式(2)给出，综合以上三式得到左旋位移∑总公式：

$\mathrm{\Σ}=\mathrm{\Δ}+\mathrm{\Λ}=\frac{x}{1+\mathrm{tg\θtg\γ}}[\mathrm{tg\θ}+\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ})]+f[\mathrm{tg\θ}-\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ})]---\left(6\right)$

通过角度测量装置测量出角位移量γ以后，由式(6)求得实际偏移量x；

(2)被测面有位移而且向右旋转γ角时，角度变化使反射光在透镜上的移动距离与位移变化所引起的偏移矢量相叠加，此时：

x＝x′-x′tgθtgγ               (7)

由入射光线与出射光线的位置关系可以得出：

Δ′＝x′[tgθ+tg(θ+2γ)]       (8)

角度变化由公式(3)给出，综合三式可以得出右旋位移总公式：

$\mathrm{\Σ}={\mathrm{\Δ}}^{\′}+\mathrm{\Λ}=\frac{x}{1-\mathrm{tg\θtg\γ}}[\mathrm{tg\θ}+\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{\γ})]+f[\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-2\mathrm{\γ})-\mathrm{tg\θ}]---\left(9\right)$

通过角度测量装置测量出角位移量γ以后，由式(9)求得实际偏移量x。