CN2335123Y - 激光准直测量仪 - Google Patents

Abstract

一种激光准直测量仪由激光发射部分和激光位敏探测部分组成,发射部分是Ga－Al－As长距离激光发射管,探测部分是PIN－SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器,它的光电信号经放大、A/D转换与控制微机相联。测量值也可由激光位敏探测器运算电路给出。其优点是:对大尺寸工件形位公差测量、调整简单易行,直观方便,抗干扰能力强,适合车间现场使用。并选用通用微机,配以模块化,免培训型软件,汉化操作界面,适应性好。

Description

激光准直测量仪

本实用新型属于激光准直测量仪器，特别是一种多用途组合式激光准直测量仪，适用于实测大尺寸零件的形位公差的激光准直测量仪。

目前国内生产车间在测量大尺寸零件的同心度，直线度，平行度、平面度、垂直度仍沿用拉钢丝放假轴、用大平尺、大角尺等方法。此方法测量精度不理想，测量工序繁杂，费时。因此，机械工厂，尤其是重型机械厂需要在车间现场有实用的、简捷的、高精度的测量仪器。

本实用新型的目的是提供一种用来实测大尺寸零件的形位公差的激光准直测量仪，即设计制造测量距离大于20M，分辩率优于1/1000mm的，自动完成大尺寸零件形位偏差测量，且可在生产现场实用的激光准直测量仪器。克服上述的原来在测量大尺寸零件的同心度，直线度，平行度、平面度、垂直度时使用原有的仪器和方法的缺点和不足。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种激光准直测量仪，其特征在于：它由激光发射部分和激光位敏探测部分组成，激光发射部分是Ga-Al-As长距离激光发射管装在四自由度光学云台中，此云台支承在落地支架上，Ga-Al-As激光发射管由电源供电；激光位敏探测部分由内装PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器装在接收器***靶芯中，其外为绝缘套。PIN-SC系列硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它由分设在四个项限的四个分立元件组成，当激光光照射在探测器不同位置时，可显示出二维坐标(X、Y，有方向判断)读数；它的光电放大电路装设在其上的线路板上；放大后的光/电信号经由电缆9送入A/D转换放大盒，经过其内部电路的采集、保持、转换及输出控制，信号从放大盒上的62芯接口引出电缆输出送控制微机处理。

Ga-Al-As长距离激光发射管经由非球面透镜光学元件压缩激光束的发散角，然后再用一倒置望远镜对单向扩束后的圆形光束作进一步扩束--腰粗加大，使发散角进一步压缩，即先用短焦距透镜L₁将腰粗为W₁₀激光束聚焦成腰粗为W₂₀，再用长焦距透镜L₂将W₂₀光束扩束为W₄₀腰粗光斑，光斑的发散角得到进一步压缩，达到激光束的准直。

激光发射器的电源控制电路由电源变压器，稳压电路，降压电路，从滤波及保护电路输出(2.8-3.0V)直流作为Ga-Al-As半导体激光发射管的工作电源，为抗干扰还对多芯铜屏蔽电缆采用了双端接地的措施；探测器电路是PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它接收到激光信号后，通过相匹配的四路光由转换放大电路及虚拟减法器电路，把信号传输给A/D转换及控制电路，探测器的正极接地；光电转换***是由激光发射器发出的光束直接对准探测器，光电信号通过光电转换***电路由电缆把信号传输给A/D转换及控制电路，A/D转换及控制电路，是由采用双积分电路，它置于A/D转换盒内，当它得到探测器的电信号后，输入控制电路，保持电路，A/D转换电路，输出控制电路，经过62芯电缆接口送入微机内存，经过处理显示或打印输出结果。探测器电路是PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它接收到激光信号后，通过相匹配的四路光转换放大电路及虚拟减法器电路，把信号传输给A/D转换及控制电路，探测器的正极接地。

测量值也可由激光位敏探测器运算电路给出。

本实用新型的优点是：

使用本实用新型激光准直仪，对大尺寸工件形位公差测量、调整作到简单易行，直观方便，抗干扰能力强，适合车间现场使用。并选用通用微机，配以模块化，免培训型软件，汉化操作界面，适应性好。

下面结合附图说明实施例：

图1是激光准直测量仪示意图

图2是一束激光示意图

图3是Ga-Al-As长距离激光发射管发出的一束光示意图

图4是对激光发射管发出的激光进行准直处理的光学光路图

图5是激光准直测量仪激光位敏探测器部分剖视图

图6是激光发射管供电框图

图7是激光位敏探测器光电放大电路框图

图8是光电转换***框图

图9是A/D转换、控制电路框图

图10是激光位敏探测器运算电路图

用固体半导体激光发射器和激光探测器作为此测量仪器的传感器；以光电子A/D转换放大电路驱动微机编程软件***，实现自动完成测量工作是本实用新型的核心。由于激光具有能量集中，作用距离长方向性好，用它作为直线基准给大尺寸零件的准直测量开辟了新途径，这是本实用新型的新颖性。

本实用新型中使用的激光发射管为Ga-Al-As半导体二极管，红色可见光，作用距离20M、40M两种规格，是定向开发的关键光电子器件。本实用新型中使用的激光探测器为PIN-SC系列硅光伏效应二极管，它由四个分立元件组成，当激光光照射在探测器不同位置时，可显示出二维坐标(X、Y，有方向判断)读数；当激光光点照射在中心位置时，显示值为O(0,0)。这就是本实用新型中的调零和对中技术的硬件支持。这种二维坐标读数的激光探测器只感测出激光光斑的能量中心，和光斑的大小和形状无关。本实用新型中使用的PIN-SC硅光伏效应位敏探测器第三个特点是在90％的有效面积上，保持99.9％的绝对精度，它作为模拟量器件的位置探测精度只受光点位置和A/D转换驱动放大电路放大倍率的限制。本实用新型中，A/D转换驱动放大电路放大倍率已设计成0.01mm对应输出电压＞10mV，则本仪器的精度可达到0.001mm(1μm)。

图2所示为激光发射管发出的一束激光，光的振幅值在传播中呈一特殊曲面，其振幅值按高斯指数变化，故叫高斯光束。光束的最小断面W叫腰粗(或腰束)、2θ叫发散角、θ叫发散半角。

为进一步说明激光发射管的构造，将半导体激光器发光元件作特大放大示意于图3，由于发光的光学孔径为一极小窄缝，见图示，缝高d≈2μm缝宽b≈500μm，发光面积A=d·b=0.0001mm，这半导体器件P-N的核心尺寸，发光时因谐振腔反射镜很小，而影响了方束的方向性，图2中给出的θ与2θ，在图3中应给出θ上一-垂直方向发散角，θ∥--水平方向发散角，θ上与θ∥相差远，故半导体激光束的发散角较大，作为长距离准直光源用，必须要压缩激光束的发散角。

激光束的准直，在本设计中，因激光准直测量距离为20-40米，需要进一步改善其方向性，即需要压缩激光束的发散角。具体作法

1、将2θ⊥=50°～80°

     2θ∥=16°～24°之激光束作单向扩束，使2θ⊥=2θ∥变为圆形光斑，光学元件为非球面透镜。专题开发。

2、然后再用一倒置望远镜对单向扩束后的圆形光束作进一步扩束--腰粗加大，使发散角进一步压缩。先用短焦距透镜L₁将腰粗为W₁₀激光束聚焦成腰粗为W₂₀图4所示。再用长焦距透镜L₂将W₂₀光束扩束为W₄₀腰粗光斑此时光斑的发散角得到进一步压缩。

准直原理的理论依据：图4中在W处激光束发散角表达式为：

$2{\mathrm{\θ}}_0=2\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{W}_{10}}$ 带减小θ₀则在λ、π,2均为常数时，只有扩大激光束腰粗W₁₀的面积，以上的设计正符合这一原理。

图5表示激光接收器构造

51为激光接收器，装在接收器***式靶芯52中，53为绝缘套，光电放大电路(图7)装设在线路板54上，光伏信号引人放大电路经放大后，用电线引至航空插头55中，用电线(见件图1-9，中心线校准示意图)引至微机控制***。

本实用新型的技术方案是按多用途组合设计成基本配置(为激光准直测量仪器的通用部份)，另外还有多种选件。基本配置和选件两部分的合理组合，可构成一个完整的、多用途的激光准直测量仪器。

本实用新型的技术方案还可用附图作更加具体详细的阐述。本实用新型它的主要组成部件如图1所示，图中1是激光发射器，作成***式靶芯，在靶芯内装有Ga-Al-As激光发射管2，由电源3供电。图中4是四自由度光学云台，此云台又支承在落地支架5上，设置1、2、3、4、5全套装置，就可校正得出基准直线13，一旦基准直线建立，就可对被调整对象14的形位公差作出实测，此时只需将激光探测器靶芯6支撑在被调对象14相应的基准点上，就可立刻读出X、Y两个方向的偏差，边调整，边复验直到合格为止。图1显示的激光探测器靶芯6，内装PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器7及光放大电路8，放大后的光/电信号经由电缆9送入A/D转换放大盒10，经过其内部电路的采集、保持、转换及输出控制，信号从放大盒10上的62芯接口引出电缆11与控制微机12相联，由软件控制微机工作并自动完成测量。为了运用微机进行控制和操作设计一套功能齐全与工艺要求相匹配的软件***支持运行，微机能自动检测出偏差及调整量，在微机屏幕上以汉字，图形显示，实时的数字文字说明，便于中国人使用。图1中基准直线13的校正，是通过O₁-O₂-O₃三点共线得出，其操作方法用图4来说明。

图6是激光发射器的电源控制电路图。图6中电源变压器31，稳压电路32，降压电路33，从滤波及保护电路34输出2.8-3.0V直流作为Ga-Al-As半导体激光发射管的工作电源，为抗干扰还对多芯铜屏蔽电缆采用了双端接地的措施。

图7是探测器电路框图，图7中的件7是PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它接收到激光信号后，通过相匹配的四路光转换放大电路35及虚拟减法器电路36，把信号传输给A/D转换及控制电路，探测器的正极接地。

图8是光电转换***框图，图8中激光发射器2发出的光束直接对准探测器7，光电信号通过光电转换***电路37由电缆43把信号传输给A/D转换及控制电路38，经过采样保持、转换、控制由62电缆接口39把信号输入微机40，经过微机编程软件处理，把后果在显示器41上显示或由打印机42打印输出。

图9是A/D转换及控制电路框图，A/D采用双积分电路，它置于A/D转换盒内，当它得到探测器的电信号后，输入控制电路43，保持电路44,A/D转换电路45，输出控制电路46，经过62芯电缆接口39送入微机内存，经过处理显示或打印输出结果。

图10是激光位敏探测器运算电路图

由于实施了以上各项技术方案，选用了Ga-Al-As长距离激光发射器，PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器及性能高度稳定。抗干扰拢强的主要措施是采用了双积分型电路，及发射器两端电路接地措施，激光发射管专项开发，光斑直径为Φ3mm-Φ4mm形状为圆形，作用距离达到20-40M，分辩率达到1/1000mm专项开发多种精密光学附件，采用本实用新型激光准直仪，对大尺寸工件形位公差测量调整作到简单易行，直观方便，适合车间现场使用的精密测量仪器，并选用通用微机，配以模块化，免培训型软件，汉化操作界面，完全达到了实用新型的目的。

Claims (4)

1、一种激光准直测量仪，其特征在于：它由激光发射部分和激光位敏探测部分组成，激光发射部分是Ga-Al-As长距离激光发射管，装在四自由度光学云台中，此云台又支承在落地支架上，Ga-Al-As激光发射管由电源供电；激光位敏探测部分由内装PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器装在接收器***靶芯中，其外为绝缘套；PIN-SC系列硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它由分设在四个项限的四个分立元件组成，当激光光照射在探测器不同位置时，可显示出二维坐标(X、Y，有方向判断)读数；它的光电放大电路装设在其上的线路板上；放大后的光/电信号经由电缆9送入A/D转换放大盒，经过其内部电路的采集、保持、转换及输出控制，信号从放大盒上的62芯接口引出电缆1与控制微机相联。

2、根据权利要求1所述的激光准直测量仪，其特征在于：Ga-Al-As长距离激光发射管前设压缩激光束的发散角的非球面透镜光学元件，然后再通过一倒置望远镜，对单向扩束后的圆形光束作进一步扩束--腰粗加大，使发散角进一步压缩，即先用短焦距透镜L₁将腰粗为W₁₀激光束聚焦成腰粗为W₂₀，再用长焦距透镜L₂将W₂₀光束扩束为W₄₀腰粗光斑，光斑的发散角得到进一步压缩，达到激光束的准直。

3、根据权利要求1所述的激光准直测量仪，其特征在于：激光发射器的电源控制电路由电源变压器，稳压电路，降压电路，从滤波及保护电路输出2.8-3.0V直流作为Ga-Al-As半导体激光发射管的工作电源，为抗干扰还对多芯铜屏蔽电缆采用了双端接地的措施；探测器电路是PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它接收到激光信号后，通过相匹配的四路光转换放大电路及虚拟减法器电路，把信号传输给A/D转换及控制电路，探测器的正极接地；光电转换***是由激光发射器发出的光束直接对准探测器，光电信号通过光电转换***电路由电缆把信号传输给A/D转换及控制电路，A/D转换及控制电路，是由采用双积分电路，它置于A/D转换盒内，当它得到探测器的电信号后，输入控制电路，保持电路，A/D转换电路，输出控制电路，经过62芯电缆接口送入微机内存，经过处理显示或打印输出结果；探测器电路是PIN-SC硅光伏效应四轴线型位敏探测器，它接收到激光信号后，通过相匹配的四路光转换放大电路及虚拟减法器电路，把信号传输给A/D转换及控制电路，探测器的正极接地。

4、根据权利要求1所述的激光准直测量仪，其特征在于：测量值也可由激光位敏探测器运算电路给出。

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