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激光位移传感器在角度测量中的应用研究

时间:2018-12-30 18:02:29 来源:天游平台 作者:匿名



介绍

角度测量[1,2]是计量科学的重要组成部分,尤其是小角度测量在精密加工,航空航天,军事和通信等许多领域具有重要意义和作用。角度的测量可分为接触测量和非接触测量。尽管非接触式测量角度近年来逐渐成为主流,但是为了获得高精度的角度测量,仍然需要接触式测量。接触测量是测量头与工件表面上某一点之间接触的测量。沿着工件的形状扫描可以在短时间内以高密度获得大量的点。测量点的数量越多,可以获得更精确的形状参数。它主要由三坐标机器测量。非接触式测量具有独特的优点,如测量速度快,不与工件接触,避免划伤工件。

在本文中,仅讨论了非接触式光学测量方法。对于光学角度测量方法,除了众所周知的光学分度头方法和多面棱镜方法之外,还常用光电编码器方法,衍射方法,圆形光栅方法和激光干涉测量方法。等待。这些方法中的许多方法已成功应用于小角度精密测量,并获得了高测量精度和测量灵敏度。通过适当的改进,还可以测量360°角。

激光位移传感器是一种高精度测量位移传感器[3]。本文将其应用于角度测量,以实现高精度的角度测量。

1激光位移传感器测量角度原理

激光位移传感器测量角度系统组成如图1所示。

步进电机驱动激光位移传感器向右移动。每次传感器前进时,激光位移传感器可以获得距离值,并且最终可以扫描二面角的形状。

图2显示了激光位移传感器测量角度的基本原理。该角度由直线A1和A2组成,激光位移传感器沿x轴向右移动。可以测量多个距离值,并且最终可以获得A1和A2的斜率,从而获得角度θ=α1α2,如果将两条线的斜率分别找到k1和k2,则根据基本几何学:

为了便于讨论,现在仅讨论一侧的测量,即A2的斜率是无穷大,并且可以获得A1和y轴之间的角度。 x方向采用步进电机驱动激光位移传感器向前移动,精度可以很高。在实验中,步进电机驱动位移传感器前进100mm,测量数据为65536数据。因此,步长很小,那么单步的精度会非常高。如果不考虑轴的影响,则所有误差都可归因于y值的误差。使用以下回归方程[4]拟合数据以找到A1的斜率:其中N是测量数据的数量。这将确定测量的斜率和偏差。角度可以从α=atanb找到,并根据误差传递公式得到:

最终θ的误差值可以通过误差传播中的“平方和根”方法获得。

2激光位移传感器角度测量精度估算和实验测量

实验室测量角度包括步进电机,线性导轨和激光位移传感器。测量精度为0.3μm。测量距离为0.5mm,测量距离为±15mm,采样频率为50kHz,测量精度为0.3μm。通过缩放计算步进电机步长为1.636641μm。

2.1激光位移传感器测量角度的理论精度

首先,使用上述参数进行准确度估算。数据由Matlab程序随机生成,以不同角度模拟测量数据。为了更现实地,y的精度降低了10倍,并且步进电机的误差也被转换为y,如图4所示。不同角度测量的精度,方法的准确性是蒙特卡罗分析方法,在不同角度生成大量随机数据,模拟多个测量过程,最后找到准确度。

从图中可以看出,:的测量方法非常准确,精度高于1''。原因是采样数据非常大,激光位移传感器具有高精度。

2.2激光位移传感器测量工件

在实验中,测量了两个工件的二面角,并截取了数据的中间部分。结果如图4所示。

从测量数据来看,工件的表面光洁度不是很好,特别是工件2#,工件1#的每个表面都有凹坑,并且角度有严重的磨损。为了更准确地测量角度,有必要采用一些方法来消除粗略误差。由于数据量大,3σ标准是合适的。

根据上述算法和Matlab程序,工件1#的角度为108.663±0。 002°,工件2#的角度为111.578±0。 004°,工件2#的精度高于工件1#的精度低精度,符合上述测量数据。当它们的精度转换为秒时,精度约为10“,低于理论精度。2.3影响因素分析

首先是激光位移传感器本身的精度,因为激光位移传感器在不同位置的测量精度不同,温度漂移,电压变化会影响测量精度[5]。

工件本身的特性也会影响测量精度,例如工件的不良光洁度,这将导致测量数据波动。工件非常光滑,导致漫射光很弱。探测器接收很少或没有光,因为它主要是正反射。

在实验中,固定框架由步进电机向前驱动。因此,步进电机的精度间接影响测量精度。理论上,步进电机在固定距离处的步长越小,精度越高,但事实上,步进电机在工作时具有一定的负载,细分数越大,细分电流越小。步进电机的电磁转矩越小,步长越大,步长越小,甚至停止。因此,应选择最佳步骤,并调整斩波电流。提高步进电机的精度[6]。

影响测量精度的一个非常重要的因素是激光位移传感器测量方向与导轨的非垂直性,如图5所示。

测量方向与y轴成角度α(预测逆时针旋转为正)。如果左直线的斜率为k1,大于零,则右直线的斜率为k2,斜率小于零,则:

因此,计算出的角度和精度值将发生显着变化。

3个结论

激光位移传感器具有高精度测量位移的特点,可用于测量角度,实现高精度的测量角度。使用实验室中使用的激光位移传感器和步进电机,测量角度的精度可以高于1“。

摘录自:中国计量与测量网络

[关键词]角度测量,激光位移传感器,最小二乘拟合,精度,AOC官方网站,北京世纪奥克

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