激光准直测量系统的校准方法

张 丰 曾燕华 傅云霞/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

激光准直测量[1]系统由于结构简单、操作方便、测量针对性强，而被广泛应用于飞机、船舶、核工业设备制造等行业[2]。该测量系统的被测对象均为大型工业设备，且多为进口，国内极少生产，因此量传工作存在严重的滞后现象。

单靶型是常见的准直测量系统，主要用于大空间内的平面度、直线度、垂直度、平行度测量。单靶型测量系统如图1所示。激光器产生一条准直光束，激光器静止时通过二维接收靶测得二维方向上的直线度，激光旋转时可作为扫平仪使用。本文主要研究了单靶型测量系统的校准方法，并进行实验验证。通过研究，解决了测量系统的溯源问题，为使用单位提供有力的计量技术支持。

1 装置的构成和工作原理

图1 单靶型

单靶型测量系统校准装置包括：二维校准台、剪式升降台、大理石平台（不小于10 m）、光靶及装夹用附件。二维校准台与剪式升降台的工作范围能使整套被测系统等高。大理石平台、剪式升降台及光靶用于激光与接收靶的光路调整，属于专用辅助设备。

二维校准台是整套装置的核心部分，如图2所示，调整机构包含了三轴调整：水平旋转、前后俯仰和左右倾斜，使靶的接收面调整至与激光光路垂直。平移机构采用直顶的方式，其中水平移动方向为H，垂直移动方向为V。通过模拟二维方向上的偏离值测得接收靶的示值误差[3]。

图2 二维校准台示意图

二维校准台功能应满足三个自由度的调整和H、V 方向的二维平移，测量范围：0～25 mm，测微头作为量传的主要部件，示值误差应达到±2μm，二维校准台的示值误差达到±1μm/mm。

2 校准方法

根据标称的技术参数，激光准直测量系统的主要技术指标：接收靶示值误差±（0.01 mm+L/100），其中L为示值（mm）；激光的扫平误差[4]±0.02 mm/m。因扫平误差已有公认的测量方法，本文仅对接收靶的示值误差进行分析。

接收靶作为整套系统中主要的测量元件，对激光光斑的形状大小没有严格要求，仅与光斑的能量中心相关，因此校准时只需准确测得H 向和V 向的示值误差，而不需要进行激光其他特性的校准，如频率、频率的稳定性等。

校准前被校测量系统应进行充分预热。如图3所示，由于各部分是分离的，因此首先进行相对位置的调整：调节剪式升降台A 和接收靶C的高度，使激光器的出射孔与接收靶的中心大致等高。精确整平激光器，水准器严格居中，调节激光旋转头，使激光器的出射光在H 向大致平行于大理石平台的相应边。将被校接收靶固定在二维校准台D，使接收靶靶面平行于相应的工作台边线，且无目视可见的夹角。精确调整二维校准台，使激光光束垂直于接收靶入射，且在接收靶的中心。校准分别在距激光器输出端的近点（不大于0.3 m）和远点（生产商或用户定义的合理的使用范围内，如10 m）处进行。

图3 校准装置示意图

校准时单方向调节平移机构以避免引入回程误差的影响，分别按0→H+→0→H-→0→V+→0→V-→0的顺序进行，校准过程中不重新置零。校准点的选取采用先密后疏的方法，即接收靶中间区域的校准点间隔相对小一些向外间隔大一些，每个方向的校准点不少于5 个。重复测量3 次取平均值为该点的测量结果，各方向各点的示值误差（Δli）：

lis—第 i 个校准点的测量值

3 实验比较

在近点对0.5 mm 和4.5 mm的示值误差进行校准。以二维工作台为标准器按上述方法进行校准（见表1）。以坐标测量机为标准器进行校准，二维工作台仅作为产生平移的工具，在接收靶上固定一标准球，以坐标测量机测得的球心移动的值为校准结果（见表2）。

表1 二维工作台的校准数据

表2 坐标测量机的校准数据

两种方法校准的符合程度，通过En 值的计算判断，当En≤1时，证明两种校准方法的校准结果较一致。

式中：Yi—不同方法的校准数值（i=1、2）

Ui—不同方法校准的扩展不确定度，k=2，（i=1、2）

按式（2）计算各点的En 值（表3），并取最大值：0.5 mm 处，En=0.6；4.5 mm 处，En=0.4。

表3 两种方法的比较

两种校准方法的En 值小于1，证明本文的校准方法可靠。

4 结语

模拟了二维位移，实现了单靶型激光准直测量系统的校准，并经过比对实验验证了方法的可行性和有效性，较好地解决了该测量系统的量值溯源问题，完善了上海和华东地区的量传体系，为大飞机制造、船舶制造、核电设施的建设提供了有力而可靠的技术保障和支持。

[1]沙定国.光学测试技术[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[2]吴健.激光对中仪的工作原理及其应用[J].工具技术，2005，39（12）：72-74.

[3]JIAO Guo-hua,LI Yun-lin,ZHANG Dong-bo,LI Dong-hai,HU Bao-wen1.A laser shaft alignment system with dual PSDs[J].浙江大学学报：A卷英文版，2006，10：1772-1776.

[4]全国几何量角度计量技术委员会.JJF 1166-2007[S].北京：中国计量出版社，2007.