微位移激光指向系统模拟实验

摘 要 以激光目标发生器为研究对象，研制一种微位移激光指向系统。在总结国内外相关技术的发展水平的同时，根据现有的实际情况设计出回转角精度可以达到20″，位移精度可以达到1μm的方案，并进行模拟实验。

关键词 光学设计；微位移；轴角编码器

中图分类号 TH 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2010)121-0122-01

微位移技术是精密机械与精密仪器的关键技术之—，近年来随着微电子技术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速的发展起来。我们在进行激光目标发生器（吉教科合字[2008]第440号）的研究过程中，设计了一种微位移激光指向系统，回转角精度可达20″，位移精度可达1μm。

1 微位移激光指向系统的结构和工作原理

本系统可用在车辆总装过程中，对装配的基准点和基准线进行精密定位。也就是能进行水平面内和垂直面内标线和标点。该设备主要由能够发出十字光斑的光源部分和用来调整光斑位置的三维调整机构组成，具体如图1所示。

图1 综合系统结构图

当旋转手轮15时，可带动蜗杆转动，使蜗轮带动主轴旋转，从而可使旋转平台8实现360度旋转，由联轴器将主轴与轴角编码器相连接，可测得旋转角度。

通过手轮旋转主轴可实现三通套筒的俯仰运动，将激光器调整至大致的位置，锁紧并进行微调，同样可以由轴角编码器测得旋转角度。最后可用微调旋钮3对激光器进行细微调整。

2 模拟实验

1）水平回转位置精度测试 幕靶距离经纬仪竖轴6000mm，使激光光斑打在幕靶上。并记录光斑位置，同时记录经纬仪角度值，转动微调整机构手轮，使经纬仪示数改变3f，记录当前光斑位置，重复上述操作，记录5个光斑位置，并记录相应的经纬仪的输出值。根据上述原理进行实验，得到实验数据如表1所示。

2）俯仰位置精度测试。实验与水平回转实验原理相同，只是在角度方向有所区别。本文只给出实验数据，如表2所示。

3）实验数据分析。由表1和表2数据可见，通过微调整机构对经纬仪手轮进行细分，使经纬仪转过微小角度，并通过计算得到该角度对应的光斑间距。该理论值与实际测量值最大误差为0.12，满足了实际设备使用要求。但综合分析两表中的数据可发现，表2所对应的俯仰调整误差要大于水平回转的误差，其主要原因在于：经纬仪的横轴与激光器轴线不共面；在转动时激光器整体以经纬仪横轴为轴线转动，引起的测角误差较大。

4）提高系统精度应采取的措施。通过模拟实验，并对数据进行分析，针对主要误差来源，我们在后续研制时应注意解决以下问题：①激光器的轴线应尽量通过俯仰及回转轴轴线，减小角度调整误差。②角度测量反馈器件应与回转轴具有较高的同轴度，已保证反馈角度精度。③对系统的安放平台合理设计，使系统本身基准正确。

表1 水平回转实验数据

表2 俯仰回转实验数据

3 结论

本文研制了一种微位移激光指向系统。通过制作实物，并进行了模拟测试，精度可以达到回转角精度为20″，位移精度为1μm。最后，还对系统进行模拟实验和分析。本课题解决的关键技术：采用光、机、电相结合的综合测量方法，提高了系统的整合程度，提高了系统的精度。并且模拟实验证明，系统的精度达到要求。

参考文献

[1]沈健,朱仁胜,赵韩.单自由度微位移机构柔性铰链的研究.上海交通大学学报.2004,38(6):932-936.

[2]左勇,刘梦夏,李伟.微位移测试系统设计.仪表技术与传感器.2005,12:57-58.

[3]李宇航,谷凤安,李朝鹏.一种用于大型光学仪器的自动检焦装置.物理实验.2004,24(2):23-25.

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