激光位移傳感器在角度測量中的應用研究

時間:2019-06-15 17:37:34 來源:蓮花峰石刻資訊網 作者:匿名
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介紹

角度測量[1,2]是計量科學的重要組成部分,尤其是小角度測量在精密加工,航空航天,軍事和通信等許多領域具有重要意義和作用。角度的測量可分為接觸測量和非接觸測量。盡管非接觸式測量角度近年來逐漸成為主流,但是為了獲得高精度的角度測量,仍然需要接觸式測量。接觸測量是測量頭與工件表面上某一點之間接觸的測量。沿著工件的形狀掃描可以在短時間內以高密度獲得大量的點。測量點的數量越多,可以獲得更精確的形狀參數。它主要由三坐標機器測量。非接觸式測量具有獨特的優點,如測量速度快,不與工件接觸,避免劃傷工件。

在本文中,僅討論了非接觸式光學測量方法。對于光學角度測量方法,除了眾所周知的光學分度頭方法和多面棱鏡方法之外,還常用光電編碼器方法,衍射方法,圓形光柵方法和激光干涉測量方法。等待。這些方法中的許多方法已成功應用于小角度精密測量,并獲得了高測量精度和測量靈敏度。通過適當的改進,還可以測量360°角。

激光位移傳感器是一種高精度測量位移傳感器[3]。本文將其應用于角度測量,以實現高精度的角度測量。

1激光位移傳感器測量角度原理

激光位移傳感器測量角度系統組成如圖1所示。

步進電機驅動激光位移傳感器向右移動。每次傳感器前進時,激光位移傳感器可以獲得距離值,并且最終可以掃描二面角的形狀。

圖2顯示了激光位移傳感器測量角度的基本原理。該角度由直線A1和A2組成,激光位移傳感器沿x軸向右移動。可以測量多個距離值,并且最終可以獲得A1和A2的斜率,從而獲得角度θ=α1α2,如果將兩條線的斜率分別找到k1和k2,則根據基本幾何學:

為了便于討論,現在僅討論一側的測量,即A2的斜率是無窮大,并且可以獲得A1和y軸之間的角度。 x方向采用步進電機驅動激光位移傳感器向前移動,精度可以很高。在實驗中,步進電機驅動位移傳感器前進100mm,測量數據為65536數據。因此,步長很小,那么單步的精度會非常高。如果不考慮軸的影響,則所有誤差都可歸因于y值的誤差。使用以下回歸方程[4]擬合數據以找到A1的斜率:其中N是測量數據的數量。這將確定測量的斜率和偏差。角度可以從α=atanb找到,并根據誤差傳遞公式得到:

最終θ的誤差值可以通過誤差傳播中的“平方和根”方法獲得。

2激光位移傳感器角度測量精度估算和實驗測量

實驗室測量角度包括步進電機,線性導軌和激光位移傳感器。測量精度為0.3μm。測量距離為0.5mm,測量距離為±15mm,采樣頻率為50kHz,測量精度為0.3μm。通過縮放計算步進電機步長為1.636641μm。

2.1激光位移傳感器測量角度的理論精度

首先,使用上述參數進行準確度估算。數據由Matlab程序隨機生成,以不同角度模擬測量數據。為了更現實地,y的精度降低了10倍,并且步進電機的誤差也被轉換為y,如圖4所示。不同角度測量的精度,方法的準確性是蒙特卡羅分析方法,在不同角度生成大量隨機數據,模擬多個測量過程,最后找到準確度。

從圖中可以看出,:的測量方法非常準確,精度高于1''。原因是采樣數據非常大,激光位移傳感器具有高精度。

2.2激光位移傳感器測量工件

在實驗中,測量了兩個工件的二面角,并截取了數據的中間部分。結果如圖4所示。

從測量數據來看,工件的表面光潔度不是很好,特別是工件2#,工件1#的每個表面都有凹坑,并且角度有嚴重的磨損。為了更準確地測量角度,有必要采用一些方法來消除粗略誤差。由于數據量大,3σ標準是合適的。

根據上述算法和Matlab程序,工件1#的角度為108.663±0。 002°,工件2#的角度為111.578±0。 004°,工件2#的精度高于工件1#的精度低精度,符合上述測量數據。當它們的精度轉換為秒時,精度約為10“,低于理論精度。2.3影響因素分析

首先是激光位移傳感器本身的精度,因為激光位移傳感器在不同位置的測量精度不同,溫度漂移,電壓變化會影響測量精度[5]。

工件本身的特性也會影響測量精度,例如工件的不良光潔度,這將導致測量數據波動。工件非常光滑,導致漫射光很弱。探測器接收很少或沒有光,因為它主要是正反射。

在實驗中,固定框架由步進電機向前驅動。因此,步進電機的精度間接影響測量精度。理論上,步進電機在固定距離處的步長越小,精度越高,但事實上,步進電機在工作時具有一定的負載,細分數越大,細分電流越小。步進電機的電磁轉矩越小,步長越大,步長越小,甚至停止。因此,應選擇最佳步驟,并調整斬波電流。提高步進電機的精度[6]。

影響測量精度的一個非常重要的因素是激光位移傳感器測量方向與導軌的非垂直性,如圖5所示。

測量方向與y軸成角度α(預測逆時針旋轉為正)。如果左直線的斜率為k1,大于零,則右直線的斜率為k2,斜率小于零,則:

因此,計算出的角度和精度值將發生顯著變化。

3個結論

激光位移傳感器具有高精度測量位移的特點,可用于測量角度,實現高精度的測量角度。使用實驗室中使用的激光位移傳感器和步進電機,測量角度的精度可以高于1“。

摘錄自:中國計量與測量網絡

[關鍵詞]角度測量,激光位移傳感器,最小二乘擬合,精度,AOC官方網站,北京世紀奧克

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