平行度误差激光准直测量技术研究

2023-09-20陈强李传文

电子元器件与信息技术 2023年6期

陈强，李传文

1.南京航空航天大学，江苏南京，210016；2.成都国营锦江机器厂，四川成都，610043

0 引言

激光准直测量技术以激光技术为原理，利用激光技术的优异性特点，选取光源，配以相应的光源感应元件，通过点线连接实现测量需求[1]。这种检测技术具有精度高、测量范围广以及非接触等特点，常用在水平测量、转角测量以及位移测量中。目前，基于激光测量技术的发展，它已在我国诸多领域进行了应用，如科技工业、机械工业等高精度工业[2]。

1 激光测量技术的特点和方法

1.1 特点

（1）亮度高。激光是目前所记载光束中亮度最高的光。太阳光在我们认知中是亮度较高的，其亮度为1.865×109cd/m2，而用一台功率较大的激光打出的光是太阳光亮度的十几个数量级。由于其亮度高，具备普通光源所具有的穿透力等特点，所以激光能够在极微小的空间中打出光束，并可通过光点感应位置，在无接触的环境下实现对某个位置和距离的测量[3]。

（2）单色性好。不管是激光还是太阳光，其颜色都与光的波长有着密切关系。太阳光包含七色光源，也就是说在太阳散发光的过程中，产生了7种长度不同的光束。激光是一种电磁光，其光波主要依赖电磁范围和光谱领域，其波长往往集中在十分窄的光谱波段中，平行度和误差度非常小。因而在精密度较高的仪器中使用较多，如机械加工、印刷通信、军事科技等。

（3）方向性好。普通光源具有向外扩散的特点，而激光产生于极窄的光谱波段中，因此与普通光相比，激光具有单向延伸的特点。

（4）相干性好。相干性是相对普通光源受干扰性而言的一种特性。普通光源在受到地面物干扰之后光源方向会随之产生变化，这就是我们所说的光折射。而激光方向性以及单色性等特点，决定了激光抗干扰性强于普通光源。

1.2 方法

激光脉冲测距法利用激光发出激光光束，在经激光感应元件感应之后，将激光向其他方向反射。激光相位测距主要是通过调制光波发出一段低频信号，并利用光波长短的变化，对往返之间的距离进行测量。激光三角测距是将激光打到特定位置上，然后利用激光感应器对光源的捕捉，将激光进行折返和散射，使其重新汇聚在要测量的位置。待测量物体发生位置转移后，再用一束光重复上述操作，最后将前后两次光聚集中心位置代入几何三角中，以此计算物体之间的实际距离。

2 激光测量技术原理及设备

目前激光设备主要有激光发射设备和激光光源接收设备[4]。以相位激光测量方法为例，其主要原理为：采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制，并将正弦调制光来回测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，并按照调制光的波长和光的频率，换算出激光的飞行时刻，再依次计算出待测距离。此方法需要在待测物体中安置光源反光设备，在光源打到待测物体后，通过光源接收设备将光折射回来，由激光设备中的计算系统计算出偏离位置。

3 激光测量技术实际应用

3.1 应用领域

（1）金属工业领域。金属工业是我国重工业之一，因材料的密度和所使用规格的不同，需要进行精准切割。若采用传统计算方式对金属材料进行分割，极易造成材料的浪费和材质的破坏。而将激光技术运用在金属材料切割中，不仅能够达到精准切割且能减少材料的浪费。此外，由于锻造需要较高温度，人员不易进行检测，此时可利用激光测距实现无接触锻造监测，捕捉锻造中位置偏移，对锻造设备进行调整，进而提高锻造效率[5]。

（2）桥梁建筑领域。建筑施工是我国工业建设中的重要内容，其许多领域都需要高精度的测量。在建筑桥梁时，需要对桥面、桥体以及桥身等进行严格的监测，只有使其保持在水平位置上，才能够减少桥体坍塌和桥体变形的风险。通过利用激光测量技术，在每个建筑节点进行水平对照，监控微小的“偏移”，保证在合理误差之内，确保建筑安全稳定。

（3）铁路、飞机跑道等领域。这方面主要是在建筑施工、道路建设过程中应用，防止位置偏离。

3.2 飞机跑道具体应用案例

3.2.1 跑道铺设和监测

首先，在建设跑道的位置，安置激光设备，按照跑道建设宽度、坡度、跑道顺序打出激光光束，以此将跑道分成若干个建设区域。再根据光点之间的连接，确定坡度建设位置。其次，根据光点之间的位置，安设激光光点和激光接收设备，对每个建筑过程进行实时监测。再次，对激光光束重合的位置进行调整，并标注出飞机跑道坡高的具体高度。精确调整光束方向，使其光斑与光电接收器达到高度吻合。最后，在道路铺设设备中重新安置一台激光设备，此时就可对这台工作设备做到实时监控。

3.2.2 跑道精确度

激光准直测量技术在横向以及竖向的测量上能够得到相对的零误差。横向以及竖向激光工作原理的应用，绘制成了飞机跑道坡度精度。在飞机跑道铺设过程中，安置多台激光光点设备和多个激光光源接收设备，就可实现竖向和横向的多面连接，并对每个位置做到精度确定和监测。这样就能够保障飞机跑道建设的零误差[6]。

4 实验测量技术分析

结合上述飞机跑道建设的案例，可知在应用激光测量技术时，首先运用技术对地面水平因素进行确定，再通过隔振和同轴技术处理，确定激光光点设备安装位置，即先确定激光准直线位置；将光源接收设备或者反光镜置于水平基线的前端，并通过光源折返方向对预设建设位置进行调整，通过多次移动调整光源和建设设备位置，确定前期设备的安装位置。之后，重复上述步骤，确定每个跑道建设的最终数据，再输入到计算系统中，采用最小包容区域法进行计算和测评，得出平行度误差数据。

最小包容区域法是评定测量误差的一种方式，其评定结果接近零误差，能够最大限度地保障后期建设的精度。最小包容区域法评定方法为：在给定的一个区域内，用两条平行的直线包含被测的区域，若实际测量线与包容测量线产生高、低、高的三点接触，则此包容线内的区域称为最小区域。按照最小区域的评定方式，目前计算平行度误差的方法主要为图解法、计算法和旋转法[7]。

平行度误差与位置误差采用最小包容区域进行最小误差计算时，最好的方法就是采用旋转法。也就是说，在确定测量线和包容线之后，通过平移或者旋转的方式调整包容线测量位置，使不符合最小区域的数据属于最小区域，直至测量线内的所有数据都包含在最小区域内。旋转法其实是另外一种形式的力矩计算法。以一个位置为基点，通过旋转和调整相关物体位置，使此区域内的所有位置都与基点位置保持距离相等。

5 平行度测量误差原理分析

平行度误差测量主要是利用两条平行线对测量基点进行位置上的确定。需要注意的是，要在测量范围内得到两条绝对平行的直线，要在此区域内沿纵向以及横向区域先得到两个正交的线，进而再利用相交的线确定两条平行线。通过上述分析可知，平行度误差测量的主要方法是：第一，从基点位置确定横向或者是纵向轴线；第二，根据所绘制的一条直线，确定另外一条直线；第三，在每次测量后把与基点数据对照的测量数据进行保存；第四，通过最后的计算得出最终的测量结果，进而得到平行度误差。

6 基于平行度测量的激光准直技术发展趋势

第一，加强激光对抗光波范围。激光属于一种电磁光，主要受光波波长影响。机械、建筑等领域受激光光波影响较少。但对于军事领域而言，未来将对光波有更广范围的需求。如，随着军事领域对可调激光技术的应用，战场上将出现可调激光目标指示器、激光武器等。未来将从激光技术光波范围更广领域进行研究，使其能够覆盖更广的范围，且使其光波覆盖范围内可见光、近红外、中红外等光源有极好的分辨力。

第二，增强激光测距抗干扰能力。激光测距技术主要利用激光亮度高、单色性好、相干性好等特点，虽然有着探测距离远、测量精度高以及便捷性等应用优势，但易受自然环境影响。未来，为了更好地发挥激光测距的优势，就需要从激光免受环境影响方面加强研究。

第三，光能驱动技术的研究。目前，已有的光能驱动技术主要为光致动器，工作原理为将光照在形状记忆合金上，反复地通、断使材料伸缩，再利用感温磁性体的温度特性，将材料末端吸附在衬底上。利用材料本身的伸缩和端部的吸附特性，加上光的通断便能实现所要求的动作。该研究目前处于初级阶段，如果能发现具有优异光作用特性的动态物质，则可使光能驱动技术广泛应用。

第四，激光快速成型技术。激光快速成型是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层，将热塑性塑料粉末或胶粘衬底片材纸张烧结，由点、线构造零件的面（层），然后逐层成型。目前，激光成型技术尚处于开发研究阶段，若激光成型技术能够研究成功，将加快新产品投入市场的效率，并能够极快地推进汽车生产行业发展。

第五，激光精度和抗干扰的加强。目前，激光技术虽然在精度和抗干扰能力方面已经十分成熟，但随着科学技术的发展，智能航天、机械手臂、军事科技等行业快速发展，将对诸多零件有更高精度的需求，必然也会对激光抗干扰能力有更大的需求。

第六，加强激光防护和加固技术的研究。激光在生活诸多领域的应用显现了激光超强的实用性能。作为一种应用范围广且非触摸环境下就可操作的一种技术，在更高、更快、更强、更稳定应用需求下，应研究超快光开关、非线性光学材料，对激光所应用领域中的光电传感器进行激光防护和加固。