[发明专利]一种点衍射三维绝对位移无导轨测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种基于点衍射球面波前干涉检测技术的高精度光纤点衍射三维绝对位移无导轨测量装置及方法。

背景技术

作为现代工业生产与发展的一个重要支撑，三维绝对位移（或三维坐标）测量在精密测量、设计以及制造领域中发挥着越来越重要的作用。从加工制造过程中的空间定位、尺寸测量等传统应用到大型工件装配、逆向工程、模具设计制造与检测、汽车制造等大型制造业等新应用领域，高精度三维绝对位移测量技术都是不可或缺的技术手段。高精度绝对位移测量技术是精密加工制造技术的基础，同时也直接影响着其发展水平。随着精密加工制造及测量技术的不断发展，绝对位移的测量精度逐渐成为限制整个系统加工精度实现的主要因素，因此促成了对于高精度绝对位移测量技术的巨大需求。

然而，当前常用的三坐标测量装置，需要配置制作复杂、价格高昂的长导轨与庞大的测量平台（通常为高平面度的大理石平台），其结构复杂、设备庞大，总重量往往达到数吨乃至数十吨，故不能满足现场快速测量的需要，并且利用三坐标测量机进行测量时需要将被测物放到测量机上，而在生产中往往需要在加工、装配现场进行实时测量，还有部分测量对象根本无法搬到测量机上，且传统的三坐标测量机维护费用昂贵，故限制了其应用与推广。因此，传统的三坐标测量机都因为其体积大、设备重等原因，均不能满足大型工件现场快速测量的需要。为了实现现场快速、方便的测量，要求发展数字化无导轨现场和在线三坐标测量机。

近年来，随着科学技术水平不断提高和新型元器件的推出及性能的不断提高，设计一种无导轨的高精度坐标测量装置已成为可能。但国内这方面的技术还不够成熟，并且多数厂家或者科研单位所使用的高精度三维绝对位移测量仪器都是直接从国外进口，其价格也非常昂贵，动辄几十万、上百万元，并且维护和改进困难，尤其是缺乏自主知识产权，难以在实际应用中得到推广。而利用本发明所提出的一种点衍射三维绝对位移无导轨测量装置，提供了一种新的技术方案，则可很好的解决该问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是针对传统三坐标装置结构复杂、设备庞大以及需要配置精密导轨等问题而导致无法满足现场测量需要的缺点，提供一种点衍射三维绝对位移无导轨测量装置及测量方法。

点衍射三维绝对位移无导轨测量装置包括线偏振激光器、第一个二分之一波片、偏振分光棱镜、第二个二分之一波片、第一个光纤耦合器、第一根单模光纤、点衍射光纤探头、四分之一波片、反射镜、PZT移相器、第二个光纤耦合器、第二根单模光纤、CCD光电探测器和计算机；线偏振激光器、第一个二分之一波片、偏振分光棱镜、第二个二分之一波片、第一个光纤耦合器、第一根单模光纤、点衍射光纤探头、CCD光电探测器、计算机顺次相连；线偏振激光器、第一个二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、反射镜、PZT移相器、第二个光纤耦合器、第二根单模光纤、点衍射光纤探头、CCD光电探测器、计算机顺次相连。

所述的一种点衍射三维绝对位移无导轨测量装置，其特征在于，测量系统中两根单模光纤的末端紧挨并排固定放置，并集成于所述的点衍射光纤探头上，并且将该探头安装于发生位移的被测目标上。

点衍射三维绝对位移无导轨测量方法是：来自于线偏振激光器的偏振光束经二分之一波片后，被偏振分光棱镜分成两部分，即p光透射、s光反射：p分量透射光通过第二个二分之一波片后，经第一个光纤耦合器耦合到第一根单模光纤上，其出射端面得到点衍射球面波前W1；s分量反射光经过一个快轴方向与x方向成45°夹角的四分之一波片后，被安装于PZT移相器上的反射镜反射回来，第二次经过四分之一波片后透过偏振分光棱镜，并通过第二个光纤耦合器耦合到第二根单模光纤上，其出射端面得到点衍射球面波前W2。两根单模光纤在横向上偏移，可于CCD光电探测器上得到两点衍射球面波前干涉条纹，利用计算机控制PZT移相器对反射镜进行多步移相测量，并利用CCD光电探测器实时采集对应干涉图。

所述的一种点衍射三维绝对位移无导轨测量方法，其特征在于，点衍射光纤探头的三维绝对位移确定方法是：根据在CCD光电探测器上得到的多步移相点衍射球面波前干涉条纹，利用多步移相算法解调得到点衍射干涉场中相位分布，从中选取6个以上像素点处的相位值，组成非线性超定方程组，运用高斯牛顿迭代算法重构出两光纤球面波出射端的三维坐标，并取两光纤球面波出射端的中心坐标作为点衍射光纤探头的三维坐标，得到被测目标的三维绝对位移量。