申请/专利权人：上海卫星装备研究所

申请日：2018-12-12

公开（公告）日：2020-11-24

公开（公告）号：CN109631767B

主分类号：G01B11/02(20060101)

分类号：G01B11/02(20060101);G01B11/16(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.24#授权;2019.05.10#实质审查的生效;2019.04.16#公开

摘要：本发明提供了一种测距装置和测距方法，其中所述测距装置包括激光发射元件、光路调节元件、基准元件、待测元件和光强探测元件。激光发射元件包括激光器，作为高精度微动测距装置的光源；光路调节元件包括一个括束镜、一个分束镜和一个聚焦镜，分别用于光束的扩大、分束和聚焦；基准元件，包括一个平面镜、直线导轨、滚珠丝杠副和旋转把手，平面镜可沿导轨方向运动；待测元件，包括一个平面镜，安装在被测工件表面；光强探测元件，包括光电探测器和光功率测量仪，用于探测和接收经过聚焦镜的光束、测量此光束的光功率并显示记录，本发明提供的测距装置和测距方法的分辨率可达0.01μm，大大改善了当前高精度测量手段匮乏的现状。

主权项：1.一种测距方法，利用一种测距装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将待测元件40安装固定在被测工件上；步骤二：调整使测距装置中的所有光学元器件的中心高度相同，打开激光器11，通过光路调节元件20的调节模块调节高度，使整个装置光路的反射光点重回激光器11的输出口位置，且分束镜22镜面上出射光束、反射光束重合；步骤三：调整基准元件30，使基准元件30和待测元件40到分束镜22的距离差均小于0.1cm；步骤四：固定基准元件30位置；步骤五：对工件施加试验工况，读取光功率测量仪52示数在试验过程中的变化曲线；步骤六：根据光功率测量仪52示数的变化曲线计算试验工况下的工件在被测维度上的微小位移或微小变形；实现步骤六中的计算如下：对工件施加试验工况后光功率测量仪示数呈周期性变化，读取该示数的变化曲线的周期数记为N，试验结束时的光功率测量仪示数记为I′，则根据干涉光强与光程差的变换关系能够得到微动距离ΔL与示数I′的计算关系： 其中，λ表示激光的波长，I1、I2分别表示第一光束、第二光束的光强；所述测距装置，包括激光发射元件10、光路调节元件20、测量部分以及光强探测元件50；所述测量部分包括基准元件30和待测元件40；在所述激光发射元件10发射的激光光路上依次设置有光路调节元件20、测量部分以及光强探测元件50；所述激光发射元件10包括激光器11；所述光路调节元件20包括扩束镜21、分束镜22以及聚焦镜23；所述扩束镜21、分束镜22以及聚焦镜23依次设置在所述激光器11发射的激光光路上；所述基准元件30包括第一平面镜31、直线导轨32、滚珠丝杠副33以及旋转把手34；所述第一平面镜31设置在直线导轨32上并且能够随着滚珠丝杠副33做直线运动；第一平面镜31能够通过手持移动和或通过旋转把手34移动到达设定的位置；所述待测元件40包括第二平面镜41；所述光强探测元件50包括光电探测器51和光功率测量仪52；激光自激光器11发射后，通过扩束镜21扩展光束的直径，随后经分束镜22分为两束，分别记为第一光束和第二光束；所述第一光束向基准元件30方向延伸，并经第一平面镜31反射后反向延伸，透过分束镜22到达聚焦镜23，随后经聚焦镜23聚焦汇聚于光强探测元件50；所述第二光束向待测元件40方向延伸，并经第二平面镜41反射后反向延伸，经分束镜22反射到达聚焦镜23，随后经聚焦镜23聚焦汇聚于光强探测元件50。

全文数据：测距装置和测距方法技术领域本发明涉及测距领域，具体地，涉及一种测距装置和测距方法，尤其涉及一种高精度微动测距装置和测距方法。背景技术在航天器零部件制造与测试过程中，通常需要测量尺寸误差、形位误差等参数，还需要测量关键零件在温度剧烈变化时的尺寸变形。随着卫星分辨率的提高，现役星上关键零部件的静态尺寸和允许变形尺寸指标不断上升，如果能在地面实现关键零件的超高精度测量，就能及时发现零件设计、制造、试验过程中产生的尺寸误差与尺寸变形并及时调整，为整星装配调试提供最接近真实值的基准，最大程度得保证卫星在轨道运行的实际工作能力。由于大部分航天器被测零部件结构多样复杂、尺寸精细，当前主流的测距方法是三坐标测量仪或激光跟踪仪，通过这些仪器获得被测维度的尺寸，通过仪器在不同工况下测得尺寸的差值计算变形。目前广泛使用的三坐标测量仪的测量精度约为1μm，三坐标测量仪每次进行测量工作时均需手动采点建立工件坐标系，在计算工件变形时不可避免地引入坐标系转换误差，大大降低了对尺寸变形的测量精度，已不能满足航天器零件日渐精密的尺寸指标要求。三坐标测量仪的分辨率为0.1μm，对于变形量可能远小于0.1μm的微小尺寸零件，尚缺乏精确测量的能力。因此，有必要应用一种新的高精度微动测距装置和测距方法。发明内容针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种测距装置和测距方法。根据本发明提供的一种测距装置，包括激光发射元件、光路调节元件、测量部分以及光强探测元件；所述测量部分包括基准元件和待测元件；在所述激光发射元件发射的激光光路上依次设置有光路调节元件、测量部分以及光强探测元件。优选地：所述激光发射元件包括激光器；所述光路调节元件包括括束镜、分束镜以及聚焦镜；所述括束镜、分束镜以及聚焦镜依次设置在所述激光器发射的激光光路上；所述基准元件包括第一平面镜、直线导轨、滚珠丝杠副以及旋转把手；所述第一平面镜设置在直线导轨上并且能够随着滚珠丝杠副做直线运动；第一平面镜能够通过手持移动和或通过旋转把手移动到达设定的位置；所述待测元件包括第二平面镜；所述光强探测元件包括光电探测器和光功率测量仪；激光自激光器发射后，通过括束镜扩展光束的直径，随后经分束镜分为两束，分别记为第一光束和第二光束；所述第一光束向基准元件方向延伸，并经第一平面镜反射后反向延伸，透过分束镜到达聚焦镜，随后经聚焦镜聚焦汇聚于光强探测元件；所述第二光束向待测元件方向延伸，并经第二平面镜反射后反向延伸，经分束镜反射到达聚焦镜，随后经聚焦镜聚焦汇聚于光强探测元件。优选地：所述激光发射元件、光路调节元件中的括束镜以及待测元件的光轴重合；所述光强探测元件、光路调节元件中的分束镜、光路调节元件中的聚焦镜以及基准元件的光轴重合；所述光路调节元件还包括调节模块，光路调节元件的高度和位置能够通过调节模块进行调整；第一连线与第二连线垂直，其中所述第一连线为激光发射元件和待测元件的连线，第二连线为光强探测元件与基准元件的连线。优选地：所述激光器为非稳频型He-Ne激光器，能够发射波长为632.8nm的激光；所述第一平面镜和第二平面镜的面型PV值均优于反射率均优于95％；其中PV值表示镜面不平整度，即表面的最高点与最低点的高度差；λ表示激光器所发出激光的波长。优选地：所述直线导轨上刻有第一单位刻度，所述第一单位刻度不大于0.01mm；所述旋转把手上刻有第二单位刻度，所述第二单位刻度不大于3.6°；通过转动旋转把手能够实现第一平面镜在直线导轨上的移动，当旋转把手转动一周时，第一平面镜在直线导轨上移动第一单位刻度的距离；所述直线导轨和滚珠丝杠副的定位精度不低于0.1μm，运动范围不小于200mm。优选地：所述待测元件通过粘合剂和或连接件与被测工件固定相连；所述光电探测器设置在聚焦镜的焦点处；所述光功率测量仪的量程能够在μW、mW以及W间调节，精度为小数点后一位，响应时间小于1s。根据本发明提供的一种测距方法，利用上述的测距装置，包括如下步骤：步骤一：将待测元件安装固定在被测工件上；步骤二：调整使测距装置中的所有光学元器件的中心高度相同，打开激光器，通过光路调节元件的调节模块调节高度，使整个装置光路的反射光点重回激光器的输出口位置，且分束镜镜面上出射光束、反射光束重合；步骤三：调整基准元件，使基准元件和待测元件到分束镜的距离差均小于0.1cm；步骤四：固定基准元件位置；步骤五：对工件施加试验工况，读取光功率测量仪示数在试验过程中的变化曲线；步骤六：根据光功率测量仪示数的变化曲线计算试验工况下的工件在被测维度上的微小位移或微小变形。优选地，所述步骤三中，通过刻度尺测量距离差。优选地，通过如下步骤实现所述步骤四中基准元件位置的固定：转动旋转把手微调基准元件位置，观察光功率测量仪示数变化，直至光功率测量仪示值达到极大值时，固定基准元件位置。优选地，通过如下步骤实现步骤六中的计算：对工件施加试验工况后光功率测量仪示数呈周期性变化，读取该示数的变化曲线的周期数记为N，试验结束时的光功率测量仪示数记为I′，则根据干涉光强与光程差的变换关系能够得到微动距离ΔL与示数I′的计算关系：其中，λ表示激光的波长，I1、I2分别表示第一光束、第二光束的光强。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、本发明提供的测距装置结构简单、光路清晰，有利于降低操作难度和维护难度；2、本发明提供的测距方法的精度高达0.01μm，可对航天器精密零件尺寸变形进行高精度测量，可广泛应用于航天器精细化零件上，将大大改善当前高精度测量手段匮乏的现状。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明提供的测距装置的示意图；图2为本发明提供的测距装置的光路原理示意图；图3为本发明提供的测距装置中基准元件部分的示意图；图4为本发明提供的测距方法的流程示意图。图中示出：激光发射元件10光路调节元件20基准元件30待测元件40光强探测元件50激光器11括束镜21分束镜22聚焦镜23第一平面镜31直线导轨32滚珠丝杠副33旋转把手34第二平面镜41光电探测器51光功率测量仪52具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。根据本发明提供的一种测距装置，包括激光发射元件10、光路调节元件20、测量部分以及光强探测元件50；所述测量部分包括基准元件30和待测元件40；在所述激光发射元件10发射的激光光路上依次设置有光路调节元件20、测量部分以及光强探测元件50。优选地，所述激光发射元件10包括激光器11；所述光路调节元件20包括括束镜21、分束镜22以及聚焦镜23；所述括束镜21、分束镜22以及聚焦镜23依次设置在所述激光器11发射的激光光路上；所述基准元件30包括第一平面镜31、直线导轨32、滚珠丝杠副33以及旋转把手34；所述第一平面镜31设置在直线导轨32上并且能够随着滚珠丝杠副33做直线运动；第一平面镜31能够通过手持移动和或通过旋转把手34移动精确到达设定的位置；所述待测元件40包括第二平面镜41；所述光强探测元件50包括光电探测器51和光功率测量仪52；激光自激光器11发射后，通过括束镜21扩展光束的直径，随后经分束镜22分为两束，分别记为第一光束和第二光束；所述第一光束向基准元件30方向延伸，并经第一平面镜31反射后反向延伸，透过分束镜22到达聚焦镜23，随后经聚焦镜23聚焦汇聚于光强探测元件50；所述第二光束向待测元件40方向延伸，并经第二平面镜41反射后反向延伸，经分束镜22反射到达聚焦镜23，随后经聚焦镜23聚焦汇聚于光强探测元件50。具体地，所述激光发射元件10、光路调节元件20中的括束镜21以及待测元件40的光轴重合；所述光强探测元件50、光路调节元件20中的分束镜22、光路调节元件20中的聚焦镜23以及基准元件30的光轴重合；所述光路调节元件20还包括调节模块，光路调节元件20的高度和位置能够通过调节模块进行调整；第一连线与第二连线垂直，其中所述第一连线为激光发射元件10和待测元件40的连线，第二连线为光强探测元件50与基准元件30的连线。所述激光器11为非稳频型He-Ne激光器，能够发射波长为632.8nm的激光；所述第一平面镜31和第二平面镜41的面型PV值均优于反射率均优于95％；其中PV值表示镜面不平整度，即表面的最高值与最低值之差；λ表示激光器11所发出激光的波长。所述直线导轨32上刻有第一单位刻度，所述第一单位刻度不大于0.01mm；所述旋转把手34上刻有第二单位刻度，所述第二单位刻度不大于3.6°；通过转动旋转把手34能够实现第一平面镜31在直线导轨32上的移动，当旋转把手34转动一周时，第一平面镜31在直线导轨32上移动第一单位刻度的距离；所述直线导轨32和滚珠丝杠副33的定位精度不低于0.1μm，运动范围不小于200mm。所述待测元件40通过粘合剂和或连接件与被测工件固定相连；所述光电探测器51设置在聚焦镜23的焦点处；所述光功率测量仪52的量程能够在μW、mW以及W间调节，精度为小数点后一位，响应时间小于1s。根据本发明提供的一种测距方法，利用上述的测距装置，包括如下步骤：步骤一：将待测元件40安装固定在被测工件上；步骤二：调整使测距装置中的所有光学元器件的中心高度相同，打开激光器11，通过光路调节元件20的调节模块调节高度，使整个装置光路的反射光点重回激光器11的输出口位置，且分束镜22镜面上出射光束、反射光束重合；步骤三：调整基准元件30，使基准元件30和待测元件40到分束镜22的距离差均小于0.1cm；步骤四：固定基准元件30位置；步骤五：对工件施加试验工况，读取光功率测量仪52示数在试验过程中的变化曲线；步骤六：根据光功率测量仪52示数的变化曲线计算试验工况下的工件在被测维度上的微小位移或微小变形。更具体地，所述步骤三中，通过刻度尺测量距离差。通过如下步骤实现所述步骤四中基准元件30位置的固定：转动旋转把手34微调基准元件30位置，观察光功率测量仪52示数变化，直至光功率测量仪52示值达到极大值时，固定基准元件30位置。通过如下步骤实现步骤六中的计算：对工件施加试验工况后光功率测量仪示数呈周期性变化，读取该示数的变化曲线的周期数记为N，试验结束时的光功率测量仪示数记为I′，则根据干涉光强与光程差的变换关系能够得到微动距离ΔL与示数I′的计算关系：其中，λ表示激光的波长，I1、I2分别表示前文所述第一光束、第二光束的光强。进一步地，所述步骤四的固定基准元件位置方法的原理如下：基准元件反射光束的光强记为A，待测元件反射光束的光强记为B，波长为λ，两束平行光垂直入射时形成的等倾干涉的光强分布记为I，两束平行光的光程差记为ΔL，若将某一束干涉光线传播过程中在反射面上产生的相位突变看作“半波损失”，并以λ2的长度计入该束光的光程中，干涉光强I与光程差L的变换关系为如下式：如图1至图4所示，光路调节元件20的高度和位置能够通过调节模块进行调整，使得各透镜的中心均处于同一高度。基准元件30通过螺钉安装在水平工作台上，工作准备时可根据需要移动位置，直线导轨32内侧通过靠块定位,外侧通过紧定螺钉顶紧来确定位置,在工作过程中保持固定。平面镜31通过4个M6内六角螺钉安装在滚珠丝杠副33上，滚珠丝杠副33侧面安装把手，旋转把手可使平面镜31沿导轨作直线运动。直线导轨32刻有分辨率0.01mm的刻度，滚珠丝杠副33侧面的把手34旋转一周时其上的平面镜31移动0.01mm，一周共有100格，每格对应的刻度为0.0001mm，平面镜31在直线导轨32上的位置可由上述两刻度相加并估读一位得到。直线导轨32的定位精度不超过0.1μm，运动范围不小于200mm。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

权利要求：1.一种测距装置，其特征在于，包括激光发射元件10、光路调节元件20、测量部分以及光强探测元件50；所述测量部分包括基准元件30和待测元件40；在所述激光发射元件10发射的激光光路上依次设置有光路调节元件20、测量部分以及光强探测元件50。2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于：所述激光发射元件10包括激光器11；所述光路调节元件20包括括束镜21、分束镜22以及聚焦镜23；所述括束镜21、分束镜22以及聚焦镜23依次设置在所述激光器11发射的激光光路上；所述基准元件30包括第一平面镜31、直线导轨32、滚珠丝杠副33以及旋转把手34；所述第一平面镜31设置在直线导轨32上并且能够随着滚珠丝杠副33做直线运动；第一平面镜31能够通过手持移动和或通过旋转把手34移动到达设定的位置；所述待测元件40包括第二平面镜41；所述光强探测元件50包括光电探测器51和光功率测量仪52；激光自激光器11发射后，通过括束镜21扩展光束的直径，随后经分束镜22分为两束，分别记为第一光束和第二光束；所述第一光束向基准元件30方向延伸，并经第一平面镜31反射后反向延伸，透过分束镜22到达聚焦镜23，随后经聚焦镜23聚焦汇聚于光强探测元件50；所述第二光束向待测元件40方向延伸，并经第二平面镜41反射后反向延伸，经分束镜22反射到达聚焦镜23，随后经聚焦镜23聚焦汇聚于光强探测元件50。3.根据权利要求2所述的测距装置，其特征在于：所述激光发射元件10、光路调节元件20中的括束镜21以及待测元件40的光轴重合；所述光强探测元件50、光路调节元件20中的分束镜22、光路调节元件20中的聚焦镜23以及基准元件30的光轴重合；所述光路调节元件20还包括调节模块，光路调节元件20的高度和位置能够通过调节模块进行调整；第一连线与第二连线垂直，其中所述第一连线为激光发射元件10和待测元件40的连线，第二连线为光强探测元件50与基准元件30的连线。4.根据权利要求3所述的测距装置，其特征在于：所述激光器11为非稳频型He-Ne激光器，能够发射波长为632.8nm的激光；所述第一平面镜31和第二平面镜41的面型PV值均优于反射率均优于95％；其中PV值表示镜面不平整度，即表面的最高点与最低点的高度差；λ表示激光器11所发出激光的波长。5.根据权利要求2至4中任一项所述的测距装置，其特征在于：所述直线导轨32上刻有第一单位刻度，所述第一单位刻度不大于0.01mm；所述旋转把手34上刻有第二单位刻度，所述第二单位刻度不大于3.6°；通过转动旋转把手34能够实现第一平面镜31在直线导轨32上的移动，当旋转把手34转动一周时，第一平面镜31在直线导轨32上移动第一单位刻度的距离；所述直线导轨32和滚珠丝杠副33的定位精度不低于0.1μm，运动范围不小于200mm。6.根据权利要求2至4中任一项所述的测距装置，其特征在于：所述待测元件40通过粘合剂和或连接件与被测工件固定相连；所述光电探测器51设置在聚焦镜23的焦点处；所述光功率测量仪52的量程能够在μW、mW以及W间调节，精度为小数点后一位，响应时间小于1s。7.一种测距方法，利用权利要求1至6中任一项所述的测距装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将待测元件40安装固定在被测工件上；步骤二：调整使测距装置中的所有光学元器件的中心高度相同，打开激光器11，通过光路调节元件20的调节模块调节高度，使整个装置光路的反射光点重回激光器11的输出口位置，且分束镜22镜面上出射光束、反射光束重合；步骤三：调整基准元件30，使基准元件30和待测元件40到分束镜22的距离差均小于0.1cm；步骤四：固定基准元件30位置；步骤五：对工件施加试验工况，读取光功率测量仪52示数在试验过程中的变化曲线；步骤六：根据光功率测量仪52示数的变化曲线计算试验工况下的工件在被测维度上的微小位移或微小变形。8.根据权利要求7所述的测距方法，其特征在于，所述步骤三中，通过刻度尺测量距离差。9.根据权利要求7所述的测距方法，其特征在于，通过如下步骤实现所述步骤四中基准元件30位置的固定：转动旋转把手34微调基准元件30位置，观察光功率测量仪52示数变化，直至光功率测量仪52示值达到极大值时，固定基准元件30位置。10.根据权利要求7所述的测距方法，其特征在于，通过如下步骤实现步骤六中的计算：对工件施加试验工况后光功率测量仪示数呈周期性变化，读取该示数的变化曲线的周期数记为N，试验结束时的光功率测量仪示数记为I′，则根据干涉光强与光程差的变换关系能够得到微动距离ΔL与示数I′的计算关系：其中，λ表示激光的波长，I1、I2分别表示第一光束、第二光束的光强。

百度查询： 上海卫星装备研究所 测距方法

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