激光精密测量物体直线度装置及其测量方法
专利汇可以提供激光精密测量物体直线度装置及其测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 激光精密测量物体直线度的装置及其测量方法，提出了一种用激光精密测量大尺寸物体直线度的新方法及其装置。本装置以激光做 光源 ，以光栅、晶体片及对称的两面反射镜经反射后再次衍射然后干涉的独特原理构成测量系统，主要由激光头和光电检测系统，平面反射镜及其精密调节系统，光栅、晶体片及其调节系统， 电子 数据处理 和显示系统，数字打印和五大部分组成，是一种大尺寸物体实时、自动、高效、高分辨、高 精度 测量直线度的装置及其测试方法。，下面是激光精密测量物体直线度装置及其测量方法专利的具体信息内容。
1、一种激光精密测量物体直线度的装置，其特征在于是以激光做光源，以光栅、晶体片及对称的两面反射镜经反射后再次衍射然后干涉的独特测量系统构成。具体来讲本装置由激光头和光电检测系统、平面反射镜及其精密调节系统、光栅、晶体片及其调节系统、电子数据处理和显示系统、数字打印机五大部分组成：
-第一部分激光头和光电检测系统由He-Ne激光器(1)、倒置望远镜(2)、分束器(3)、全反介质膜(4)、干涉滤光片(5)、格兰-付科棱镜(6)、光电池对(7)、前置放大器(8)组成并放入一个箱子中，它们的中心线都在一个平面内，离箱子底面的距离都相等，其中He-Ne激光束是TEMoo模，功率在毫瓦数量级，光电池对(7)中的每一个硅光电池的受光面积设计为大于或等于1cm2，响应时间为20微秒，两只硅光电池性能参数一致，尤其光电转换效率相近，即配对使用，在前置放大器(8)电路板外加了一个防止干扰的金属屏蔽罩。
-第二部分平面反射镜及其精密调节系统主要由两面完全对称的反射镜(16)和精密调节系统组成，两个平面镜在空间能高精度调节，每面镜子有一副水平、一付垂直粗调和细调装置，倾角调节分辨率为0.6″。两平面反射镜(16)对称置于一个箱子中。
-第三部分光栅、晶体片及其精密微调系统主要由光栅(18)，晶体片(19)及其安装盒(图6)和精密微调架(图7)组成。其安装盒(图6)内放置一块衍射光栅和一块石英晶体片，其精密微调架(图7)为常平式结构。
-第四部分电子数据处理和显示系统，它由电子细分部分(9)、控制部分(10)、显示部分(11)组成。其中电子细分部分(9)采用并联电路移项桥整形电路。控制部分(10)包括可逆计数器(12)和方向判别器(13)，其显示部分(11)由四位十进制可逆计数器级联而成，与七段译码器(14)之间增加有4D触发器(15)。
-其第五部分数字打印机是一种集成化通用记录仪器。
2、按照权利要求1所述的激光精密测量物体直线度装置的第二部分平面反射镜是两面形状和质量完全相同的反射镜，两反射镜轴线包含在两反射面夹角的角二等分面内与被测物体的轴线对准，两平面镜的平面度可选取 (入)/20 平面度的反射镜，微调部分使用专门设计的差动螺纹，倾角调节分辨率为0.6″。
3、按照权利要求1所述的激光精密测量物体直线度装置的第三部分精密调节架为常平式结构就是架圈具有类似于星的特征、此种调节架在两个互相垂直方向进行角度精密调节，总倾斜度为12°，倾角分辨率为7″，此调节架可用不锈钢或铝合金材料，星式常平架的主板（57）具有两个通孔供容纳两个微动头（58），有一个大孔供容纳常平架内圈（59）和常平架外圈（60），外圈（60）装在主板（57）内侧的一个垂直轴上转动，内圈（59）装在外圈（60）内侧的水平轴上转动，两个轴的交点精确地重合于反射镜面的中心，晶体片（19），光栅（18）等光学元件则以该点为中心转动。
4、按照权利要求1所述的激光精密测量物体直线度装置的第四部分中的电子细分部分（9）采用并联电阻移相桥和整形电路，就是适当选择移相桥电阻参数，由SinWt，-CosWt，-SinWt，CosWt获得滞后SinWt如下相位的信号：9°，45°，81°，117°，153°，189°，225°，261°，297°，330°，移相电路产生的10路正弦波，先通过各自的触发器变为10路方波，然后再通过各自单稳电路变为10路窄脉冲，相应于10路正弦信号的移相，这些脉冲沿时间轴均匀排列，利用干涉条纹的相位细分技术，把干涉条纹每变化一个级次，看做相位变化了360°，从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲，其控制部分（10）中的可逆计数器（12）是累加、递减和携带正、负信息的计数器，其方向判别器（13）为十倍频闭环自锁式判别器。
5、权利要求1所述的激光精密测量物体直线度装置的测量方法，其特征在于是以相干性好的激光器做光源，以衍射光栅、晶体片、两面对称反射镜构成光学测量系统，以光的衍射、干涉、偏振理论为基础，以前置放大电路、电子细分电路、可逆计数电路、数字显示电路等构成电子数据处理系统，以精密机械部件构成光学调整机构，以衍射光栅为运动元件，被测物体的直线度与光栅的位移精确地联系起来，携带物体不直度信息的两束相干光的干涉光强与光栅刻线垂直方向位移定量关系为I（ ）＝KCos（4， (2π)/(d) ），式中I（ ）为干涉光弦、d为光栅常数， 为光栅沿刻线垂直方向的位移，利用光栅衍射并经两块反射镜垂直反射后再次衍射，然后进行干涉，激光通过对称衍射光栅进行衍射，产生±级，±2级……等各级衍射光，两块平面反射镜只将±1级衍射光垂直反射回去，使其二次通过光栅，再一次衍射，二次衍射后的（+1;+1）级光和（-1;-1）级光进行干涉。此干涉光强反映出物体的直线度;其具体操作方法为：在测量之前，首先对被测物体的表面建立参考基准线，将激光头和两面反射镜分别放在待测物体的两端，中心高度要相同，将光栅、晶体盒放在被测物靠两端处，寻求相同的数字读数，将光栅、晶体盒移到被测物体的一端，由仪器读一个数，将光栅晶体盒移到被测物体的另一端再读一个数，重复此过程，直到获得相同的数值为止，一条参考基准线就建立起来，然后将参考基准线与两平面镜的二等分面平行，将光栅放到被测物体的一端匀速推动它，数字显示装置就将测量结果显示出来，同时可用打印机打出测量结果。
本发明激光精密测量物体直线度装置及其测量方法，属于物理技术部测量测试仪器装置及其测量技术的范畴。具体来讲就是一种主要用来测量物体直线度尤其是大尺寸物体直线度的精密测量仪器装置及其测量方法。
当前国内外测量物体直线度的仪器装置和测量方法一般有准直望远镜、激光准直仪、双频激光干涉仪和单频激光干涉仪等，但都因精度不高，使用不便，耗费时间，测量范围有限和无法克服外界干扰影响，设备复杂、价格昂贵等缺陷不便推广使用，尤其对于大尺寸物体直线度的高效率、高精度、自动化、高分辨测量一直难以实现。
据us-A-3891321，us-A-3756723，us-A-3738753，us-A-3738753，us-A-3790284和us-A-3726595报导的测量物体位移和直线度的仪器装置其共同点是光学系统复杂，所用激光器昂贵，所测物体范围有限，一般限制在3m范围内，而且精度不高，制造难度也大。如其中us-A-3738753报导的一种主要用来测量物体位移的装置它由条纹很密的全息光栅和价格昂贵的He-Ne激光器及反射装置使用非对称反射镜，调整使用不便，直接影响了测量装置的推广使用。
本发明的目的在于克服现有测量物体直线度的仪器装置和测量方 法中存在的缺陷，并且开创性地利用光栅衍射并经反射后再次衍射的光学原理构思，从而提供一种具有独特测量系统、精度高、结构简单、使用方便、效率高、测量范围大，尤其是能够解决大尺寸物体直线度测量问题的一种高自动化、高分辨率的激光精密测量仪器装置及其测量方法。
本发明激光精密测量物体直线度的装置是一种以激光做光源，以光栅、晶体片及对称的两面反射镜经反射后再次衍射然后干涉的独特测量系统构成，并且应用对称衍射光束干涉及晶体偏振效应给出以光栅常数为单位的测量数字通过电子仪器处理和显示测量结果的精密测量装置。本装置由激光头和光电检测系统、平面反射镜及其精密调节系统、光栅晶体片及其调节系统、电子数据处理和显示系统、数字打印机五大部分组成，（如图1所示）其中第一部分激光头和光电检测系统由He-Ne激光器（1）、倒置望远镜（2）、分束器（3）、全反介质膜（4）、干涉滤光片（5）、格兰付科棱镜（6）、光电池对（7）、前置放大器（8）（如图9所示）组成，并放入一个箱子中，（如图2所示）它们的中心线都在一个平面内，离箱子底面的距离都相等，其中He-Ne激光器（1）输出TEMoo模，功率在毫瓦数量级，光电池对（7）中的每一个硅光电池的受光面积设计为大于或等于1cm2，响应时间为20微秒，两只硅光电池性能参数一致，尤其是光电转换效率相近，即配对使用，在前置放大器（8）电路板外加了一个防止干扰的金属屏蔽罩;其第二部分平面反射镜及其精密调节系统，主要由两面完全对称的反射镜（16）和精密调节系 统组成（如图3、4所示）两个平面镜在空间能高精度调节，每面镜子有一副水平、一付垂直粗调和细调装置，倾角调节分辨率为0.6，两平面反射镜（16）对称置于一个箱子中;其第三部分光栅、晶体片及其精密微调系统，主要由光栅（18）、晶体片（19）及其安装盒（如附图6所示）和精密微调架（如附图7所示）组成。其安装盒（图6）内放置一块衍射光栅和一块石英晶体片，其精密微调架（图7）为常平式结构;其第四部分电子数据处理和显示系统，它由电子细分部分（9）、控制部分（10）、显示部分（11）组成。其中电子细分部分（9）采用并联电路移相桥整形电路，控制部分（10）包括可逆计数器（12）和方向判别器（13），其显示部分（11）由四位十进制可逆计数器级联而成。与七段译码器（14）之间增加有4D触发器（15）：其第五部分数字打印机是一种集成化通用记录仪器。
上述激光精密测量物体直线度装置中第一部分的干涉滤光片（5）、格兰-付科棱镜（6）、光电池对（7）放入光电检测盒中，其光电检测盒结构（如图5所示）其棱镜室（49）、棱镜室前壳（48）、棱镜室后壳（50）、调节圈（47）及锁块（36）等都是为固定和调节检测盒中的光学元件而设置的。
上述激光精密测量物体直线度装置的第二部分平面反射镜及其精密调节系统中的形状和质量完全相同的两面完全对称的反射镜（16）表面的平面度是直线度的实际量度基准，两反射镜的轴线 包含在两反射面夹角的角二等分面内与被测物体的轴线对准，两平面镜的平面度可选取 (入)/20 平面度的平面镜，两平面镜（16）放进反射镜匣（27）中，用镜匣端盖（28）盖好，再放入反射镜座（23）中，每面反射镜的背后中心有起变换镜匣空间方位支点作用的钢球（29），借助手轮（31）和微动套（39）可以进行平面镜空间位置的粗调和细调，弹簧（32）为调整平面镜而设置装在平面镜背后，微动杆（30）上装有手轮（31），上面的手轮（31）可微调，下面的手轮（31）可粗调，微调部分使用专门设计的差动螺纹、倾角调节分辨率为0.6″。其调整机构与平面镜机构通过连接板（37）连接，其调节座（38）、微动套（39）、差动螺套（40）、锁紧套（34）、锁紧盖圈（35）、锁紧块（36）、螺钉套管（33）、螺母（24）、垫圈（25）、螺钉（26）都是为调整机构与平面镜机构连接而设置的，（如图3所示）其平面反射镜调节系统的微动调节器采用了差动螺纹结构，M差动（43），一个是粗螺纹、一个是细螺纹，粗调杆为（42），定位键为（44），联结轴为（45），联结套筒为（46）通过手轮（31）完成粗调和微调。
上述激光精密测量物体直线度装置的第三部分精密调节架为常平式结构就是架圈具有类似于星的特征、此种调节架在两个互相垂直方向进行角度精密调节，总倾斜度为12°倾角分辨率为7″，此调节架可用不锈钢或铝合金材料，星式常平架的主板（57）具有两个通 孔（如图7所示）供容纳两个微动头（58），有一个大孔供容纳常平架内圈（59）和常平架外圈（60），外圈（60）装在主板（57）内侧的一个垂直轴上转动，内圈（59）装在外圈（60）内侧的水平轴上转动，两个轴的交点精确地重合于反射镜面的中心，晶体片（19），光栅（18）等光学元件则以该点为中心转动。
上述激光精密测量物体直线度装置的第四部分中的电子细分部分（9）采用并联电阻移相桥和整形电路，就是适当选择移相桥电阻参数，由SinWt，-CosWt，-SinWt，CosWt获得滞后SinWt如下相位的信号：9°，45°，81°，117°，153°，189°，225°，261°，297°，330°，移相电路产生的10路正弦波，先通过各自的触发器变为10路方波，然后再通过各自的单稳电路变为10路窄脉冲，相应于10路正弦信号的移相，这些脉冲沿时间轴均匀排列，利用干涉条纹的相位细分技术，可把干涉条纹每变化一个级次，看做相位变化了360°，从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲，其控制部分（10）中的可逆计数器（12）是累加递减脉冲和携带正、负信息的计数器，其方向判别器（13）为十倍频闭环自锁式判别器。
上述激光精密测量物体直线度装置的第五部分数字打印机（22）可用小型数字打印机，它是一种集成化通用自动记录仪器，它可将电子数据处理系统送来的8421编码的二进制记录信号以十进制 数字形式直接打印在普通白纸上。
附图说明
图2是本发明激光精密测量物体直线度装置的第一部分激光头和光电检测系统方框图。
图3是本发明激光精密测量物体直线度装置的第二部分平面反射镜及其精密调节系统示意图。
图4是本发明第二部分平面反射镜调节系统的微动调节示意图。
图5是本发明第一部分激光头和光电检测系统中的光电检测盒示意图。
图6是本发明第三部分光栅、晶体片及其安装盒示意图其中晶体盒左端盖（51），右端盖（53），调节螺钉（52）有三只、光栅座为（54）、晶体盒为（56）。
图7是本发明第三部分光栅晶体片及其精密调节系统中的精密调节架结构示意图。
图8是本发明第三部分光栅晶体片及其精密调节系统中的精密调节架微动头结构示意图，固定板为（61），微动筒体为（62），微动套筒为（63）。
图9是本发明第一部分中的前置放大器电路原理图。
附图标号说明：
1、He-Ne激光器 2、倒置望远镜
3、分束器 4、全反介质膜
5、干涉滤光片 6、格兰付科棱镜
7、光电池对 8、前置放大器
9、电子细分部分 10、控制部分
11、计数显示部分 12、可逆计数器
13、方向判别器 14、七段译码器
15、4D触发器 16、平面反射镜
17、数据处理及显示单元 18、光栅
19、晶体片 20、拖板
21、被测导轨 22、打印机
23、反射镜座 24、螺母
25、垫圈 26、螺钉
27、反射镜匣 28、镜匣端盖
29、钢球 30、微动杆
31、手轮 32、弹簧
33、套管 34、锁紧套
35、锁紧盖圈 36、锁紧块
37、连接板 38、调节座
39、微动套 40、差动螺套
41、反射镜罩 42、M粗调杆
43、M差动 44、定位键
45、联接轴 46、连接套筒
47、调节圈 48、棱镜室前壳
49、棱镜室 50、棱镜后壳
51、晶盒左端盖 52、晶盒调节螺钉
53、晶盒右端盖 54、光栅座
55、左端盖 56、晶体盒
57、主板 58、微动头
59、内圈 60、外圈
61、固定板 62、微动筒体
63、微动套筒
本发明激光精密测量物体直线度的方法其特征在于以相干性好的激光器做光源，以衍射光栅、晶体片、两面对称反射镜构成光学测量系统，以光的衍射、干涉、偏振理论为基础、以前置放大电路、电子细分电路、可逆计数电路、数字显示电路等构成电子数据处理系统，以精密机械部件构成光学调整机构，以衍射光栅为运动元件，被测物体的直线度与光栅的位移精确地联系起来，携带物体不直度信息的两束相干光的干涉光强与光栅沿刻线垂直方向位移的定量关系为I（ ）＝K.Cos（4· (2π)/(d) ）。式中I（ ）为干涉光强，d为光栅常数， 为光栅沿刻线垂直方向的位移，利用光栅 衍射并经两块反射镜垂直反射后再次衍射，然后进行干涉。激光通过对称衍射光栅进行衍射，产生±1级，±2级……等各级衍射光，两块平面反射镜只将±1级衍射光垂直反射回去，使其二次通过光栅，再一次衍射，二次衍射后的（+1;+1）级光和（-1;-1）级光进行干涉，此干涉光强反映出物体的直线度。其本测试方法的具体操作过程为：在测量之前，首先对被测物体的表面建立参考基准线，将激光头和两面反射镜分别放在待测物体的两端，中心高度要相同，将光栅、晶体盒放在被测物靠两端处，寻求相同的数字读数，将光栅晶体盒移到被测物体的一端，由仪器读一个数，然后把光栅盒移到被测物体的另一端再读一个数，重复此过程，直到获得相同的数值为止，一条参考基准线就建立起来，然后将参考基准线与两平面镜的二等分面平行，将光栅放到被测物体的一端，匀速推动它，数字显示装置就将测量结果显示出来，同时可用打印机打出测量结果。
本发明激光精密测量物体直线度装置及其测试方法优点在于开创性地利用光栅衍射并经反射后再次衍射的光学原理构成独特的光学测量系统，使得本测量装置及其测试方法达到精度高，使用范围大，尤其是对于大尺寸物体直线度的高精度测量最为适用，而且本装置结构简单，使用方便，自动化程度高、效率高是当前国内外测量物体直线度极好的精密测量装置和方法。
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