超长导轨直线性测试系统研究
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摘要
基于超长导轨测试及调整系统的直线度检测的需要，本文详细论述了超长导轨直线性检测系统的综合系统设计方案、仪器研制方案及其测试方案。文章首先简要地分析了激光自身漂移、大气湍流等影响激光准直精度的主要因素，然后对系统的激光准直方案进行论证，并确定了无衍射光束的生成方案、高精度自动安平系统的结构方案，最后以CCD为接收器件，通过计算机图像处理，完成对轨道直线性的测量。理论分析与计算表明，测试系统所采取的方案大大地提高了光束的准直精度，从而提高了系统的测量精度。
In this paper, the author discussed the design of comprehensive system, instrument and measurement in order to meet the need of the straightness measurement of super-length guideway testing and alignment system, development of super-length orbit straightness measurement system in detail. At first, the author analyzed some chief factors such as light beam drift and atmospheric turbulence that affect the precision of the laser collimation in brief. Then, the author studied the plan of the laser collimation generating nondiffracting beam and automatic level system with high precision. At last, the author completed the measurement of the straightness guideway by using CCD (Charge Coupled Device) as the receiver and computer imaging processing. The theory analysis and calculation show the project adopted in this paper improves the collimation precision of the beam and the accuracy of measurement greatly.
In this paper, the author discussed the design of comprehensive system, instrument and measurement in order to meet the need of the straightness measurement of super-length guideway testing and alignment system, development of super-length orbit straightness measurement system in detail. At first, the author analyzed some chief factors such as light beam drift and atmospheric turbulence that affect the precision of the laser collimation in brief. Then, the author studied the plan of the laser collimation generating nondiffracting beam and automatic level system with high precision. At last, the author completed the measurement of the straightness guideway by using CCD (Charge Coupled Device) as the receiver and computer imaging processing. The theory analysis and calculation show the project adopted in this paper improves the collimation precision of the beam and the accuracy of measurement greatly.
引文
1 张善锤，于瀛洁，张之江．直线度平面度测量技术．中国计量出版社．1997
2 丁俊华．激光原理及应用．清华大学出版社．1987
3 汪恺，唐保宁．形位公差原理及应用．机械工业出版社．1991
4 雷玉堂，王庆有．光电检测技术．中国计量出版社．1997
5 罗先和，张广军．光电检测技术．北京航空航天大学出版社．1995
6 冯其波．单模光纤激光准直仪的研制．激光技术．1994，18(6)
7 王林，赵洪志，赵洋等．大尺寸绝对距离测量的现状及发展．光学技术．1997，3：47～59
8 周秀云，杨春生，张涛．高精度无轨大尺寸测量系统．实用测试技术，2002，6：14～15
9 王志坚，周庆才，付跃刚．无衍射光束与零阶贝塞尔函数．长春理工大学学报．2002，25(2)
10 万德安，激光基准高精度测量技术．国防工业出版社，1999
11 萧泽新．工程光学设计．电子工业出版社．2003
12 吕百达．对无衍射光束的相关概念的评注．应用激光．1994．14(6)：273
13 刘敬海，徐荣甫．激光器件与技术．北京理工大学出版社．1995
14 叶声华，王仲，曲兴华．精密测试技术展望．机电一体化．2001，6：7～8
15 周炳琨，高以智，陈家晔等．激光器件．北京国防工业出版社．1980
16 袁江，邱自学，庄丽阳．用PSD进行便携式激光准直仪的研究．工业计量．2000增刊270～272
17 冯其波，田芊，梁晋文．自动读出的光纤准直系统．仪器仪表学报．1994，15(4)：363～367
18 郝群，位相板衍射准直研究．计量学报，2001，22(3)185～188
19 Wang Peng Xu Yuguang, Wang Wei, et al. Analyticexpression for Fresnel diffraction, J.Opt.Soc.Am (A), 1998, 15(3): 684～688
20 赵斌，李柱．无衍射光束参数的透镜变换．华中理工大学学报．1997，26(9)：1～3
21 唐良瑞，马全明，景晓军．图像处理实用技术．化学工业出版社，2002
22 赵荣椿，赵忠明，崔更生．数字图像处理导论．西北工业大学出版社，1996
23 刘敬海，徐荣甫．激光器件与技术．北京理工大学出版社．1995
24 胡玉嬉，安连生．应用光学．中国科学技术大学出版社．1996
25 郑建平，王志坚．光学扫描模拟 光机学院学报，VOL．15，No．2
26 汤白义 须耀辉 王志坚 反射棱镜 国防工业出版社
27 连铜淑 棱镜调整 国防工业出版社 1979
28 称然(译) 光学像稳定方法和装置《云光技术》 1983．5
29 Broad Optical Stabilized Image 94' SPIE VOL 965
30 Image stabilized optical system United States Patent4235506
31 自动安平水准仪的补偿器CN932115446
32 激光自动安平垂直仪CNO1211468．5
33 液体自动安平补偿器CN95231114．3
34 激光自动安平水准仪CNO1211469．3
35 Optical panoramic survey systems. United States Patent 4210385
36 Stabilized optical system with off-axis stabilizer. United States Patent 4260218
37 垂直水平仪 CN992002583
38 Lintell R J. Campbell J D, Active optical tracking systm
39 Control device for optical apparatus. United States Patent 4322128
40 Optical stabilizer having space referenced motion. United States Patent 4131333
41 Russell T. Rudin. Strapdown Stabilization for imaging seekers
42 赵斌．长距离无衍射光莫尔条纹直线度测量系统的工作原理．光学仪器．2003 25(2)
43 赵辉．一种求解直线度误差最小区域的新方法．计量技术．1995，4
44 周静，施文敏，徐大雄．无衍射光束及二元旋转棱镜器件的设计．中国激光．1994，21(9)
45 R.M Herman et al.Production and uses of diffractionless beams. J. Opt. Soc. Am. A 1991, 8(6): 932～942
46 J. H.Mcleod. The axicon:a new type of optical element. J.Opt. Soc. An,. A 1954, 44: 592～597
47 Herman, R.M., Wiggins, T. A. Production and uses of diffractionless beam s, J. Opt Soc Am A, 8, (1991): 932—942
48 Herman, R.M., Wiggins. T. A. High-Efficiency diffractionless beams of constant sise and intensity, Applied Optics, VOl 33. NO 31 (1994): 7297-7306
49 Britting ham, J.N. Focus wave mode in homogeneous Maxwells equation:transverse electric mode, J. Appl. Phys. 54, (1983): 1179-1189
50 Ziolkow ski R.W. Exact solutions of the wave equation with complex source locations, J. Math. Phys 26, (1985): 861-863
51 J. Durnin,Diffraction-free beams Phys. Rev. lett.,1987,58(15):1949～1501
52 Durnin J. Miceli J J Jr, Eberly J H, Diffraction-free Beam, Phys Rev Lett, 1987, 58: 1499～1501
53 Yasara A, Turunen J. Friberg T. Realization of General Nondiffracting beams with Computer generated holograms. J Opt Soc Am, 1989, A6: 1748～1754
54 Cox A J, Dibble D C. Nondiffracting Beam from a Fpatially Filtered Fabry-perot Resonator. J Opt Soc Am, 1992, A9: 282～286
55 张善钟，赵辉，浦昭邦．双品激光三维组合法直线度误差测量系统．仪器仪表学报．1994，5(2)：133～137
56 Zhang Qing. Development of straightness error measurement system with nondiffraction beam. Proceedings of APSI'97. Huangshan City, 133～136
57 Durnin J. Exact Solutions for Nondiffracting beams I: the scalar theory. J Opt Scc Am, A4:651～654
58 刘燕．激光准直技术综述．航空精密机械工程，1988，(2)：58～64
59 QUn Hao, Ron hag, Mig Cao, Application of laser diode fiber alignment In measuring large-scale perpendicularity and parallelism .Proc SPIE, 1996, 2899:2～5
60 郝群．激光准直和CCD测量技术在大型尺寸形位误差测量中的应用研究．[博士学位论文]清华大学精仪系．1998
61 李达成，曹芒．位相板在大尺寸形位议差测量系统中的应用．光学精密工程．1998，4：47～50
62 张圆玉，安志勇．直线度误差的光电非接触测量方法．光学技术．1999年第1期：41～43
63 张国雄．测量与信息技术．中国工程科学．2000，2(3)：62～66
64 王佳，李达成．光学在大型几何尺寸测量中的应用．物理．1998，27(1)：41～47
65 郝群，李达成，曹芒．线阵CCD用于长距离衍射准直测量．光学技术，1999年第2期：60～66
66 周莉萍，赵斌，李柱．无衍射光束理论与实现．光学精密工程．1997，5(4)
67 张青，赵斌，范光照．无衍射光在直线读误差测量系统中的应用．华中理工大学学报，1997．25(9)
68 赵斌，李柱，黄德修．无衍射光经望远镜系统的变换．光学学报．1998．6(6)
69 王海涛，殷纯永，王东升．100米无衍射光束的实现．光学技术．1999(3)
70 程晓辉，赵洋，李达成．F—P干涉仪在长度测量领域中的应用．激光技术．1999，23(3)
2 丁俊华．激光原理及应用．清华大学出版社．1987
3 汪恺，唐保宁．形位公差原理及应用．机械工业出版社．1991
4 雷玉堂，王庆有．光电检测技术．中国计量出版社．1997
5 罗先和，张广军．光电检测技术．北京航空航天大学出版社．1995
6 冯其波．单模光纤激光准直仪的研制．激光技术．1994，18(6)
7 王林，赵洪志，赵洋等．大尺寸绝对距离测量的现状及发展．光学技术．1997，3：47～59
8 周秀云，杨春生，张涛．高精度无轨大尺寸测量系统．实用测试技术，2002，6：14～15
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13 刘敬海，徐荣甫．激光器件与技术．北京理工大学出版社．1995
14 叶声华，王仲，曲兴华．精密测试技术展望．机电一体化．2001，6：7～8
15 周炳琨，高以智，陈家晔等．激光器件．北京国防工业出版社．1980
16 袁江，邱自学，庄丽阳．用PSD进行便携式激光准直仪的研究．工业计量．2000增刊270～272
17 冯其波，田芊，梁晋文．自动读出的光纤准直系统．仪器仪表学报．1994，15(4)：363～367
18 郝群，位相板衍射准直研究．计量学报，2001，22(3)185～188
19 Wang Peng Xu Yuguang, Wang Wei, et al. Analyticexpression for Fresnel diffraction, J.Opt.Soc.Am (A), 1998, 15(3): 684～688
20 赵斌，李柱．无衍射光束参数的透镜变换．华中理工大学学报．1997，26(9)：1～3
21 唐良瑞，马全明，景晓军．图像处理实用技术．化学工业出版社，2002
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24 胡玉嬉，安连生．应用光学．中国科学技术大学出版社．1996
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26 汤白义 须耀辉 王志坚 反射棱镜 国防工业出版社
27 连铜淑 棱镜调整 国防工业出版社 1979
28 称然(译) 光学像稳定方法和装置《云光技术》 1983．5
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30 Image stabilized optical system United States Patent4235506
31 自动安平水准仪的补偿器CN932115446
32 激光自动安平垂直仪CNO1211468．5
33 液体自动安平补偿器CN95231114．3
34 激光自动安平水准仪CNO1211469．3
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37 垂直水平仪 CN992002583
38 Lintell R J. Campbell J D, Active optical tracking systm
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43 赵辉．一种求解直线度误差最小区域的新方法．计量技术．1995，4
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47 Herman, R.M., Wiggins, T. A. Production and uses of diffractionless beam s, J. Opt Soc Am A, 8, (1991): 932—942
48 Herman, R.M., Wiggins. T. A. High-Efficiency diffractionless beams of constant sise and intensity, Applied Optics, VOl 33. NO 31 (1994): 7297-7306
49 Britting ham, J.N. Focus wave mode in homogeneous Maxwells equation:transverse electric mode, J. Appl. Phys. 54, (1983): 1179-1189
50 Ziolkow ski R.W. Exact solutions of the wave equation with complex source locations, J. Math. Phys 26, (1985): 861-863
51 J. Durnin,Diffraction-free beams Phys. Rev. lett.,1987,58(15):1949～1501
52 Durnin J. Miceli J J Jr, Eberly J H, Diffraction-free Beam, Phys Rev Lett, 1987, 58: 1499～1501
53 Yasara A, Turunen J. Friberg T. Realization of General Nondiffracting beams with Computer generated holograms. J Opt Soc Am, 1989, A6: 1748～1754
54 Cox A J, Dibble D C. Nondiffracting Beam from a Fpatially Filtered Fabry-perot Resonator. J Opt Soc Am, 1992, A9: 282～286
55 张善钟，赵辉，浦昭邦．双品激光三维组合法直线度误差测量系统．仪器仪表学报．1994，5(2)：133～137
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57 Durnin J. Exact Solutions for Nondiffracting beams I: the scalar theory. J Opt Scc Am, A4:651～654
58 刘燕．激光准直技术综述．航空精密机械工程，1988，(2)：58～64
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60 郝群．激光准直和CCD测量技术在大型尺寸形位误差测量中的应用研究．[博士学位论文]清华大学精仪系．1998
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62 张圆玉，安志勇．直线度误差的光电非接触测量方法．光学技术．1999年第1期：41～43
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65 郝群，李达成，曹芒．线阵CCD用于长距离衍射准直测量．光学技术，1999年第2期：60～66
66 周莉萍，赵斌，李柱．无衍射光束理论与实现．光学精密工程．1997，5(4)
67 张青，赵斌，范光照．无衍射光在直线读误差测量系统中的应用．华中理工大学学报，1997．25(9)
68 赵斌，李柱，黄德修．无衍射光经望远镜系统的变换．光学学报．1998．6(6)
69 王海涛，殷纯永，王东升．100米无衍射光束的实现．光学技术．1999(3)
70 程晓辉，赵洋，李达成．F—P干涉仪在长度测量领域中的应用．激光技术．1999，23(3)