一种滚转角测量系统的高精度标定装置及标定方法与流程

本发明涉及机床滚转角误差测量领域，具体涉及一种滚转角测量系统的高精度标定装置及标定方法。

背景技术：

标定是使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度(精度)进行检测，确认其是否符合标准，作用是确定仪器或测量系统的输入-输出关系，赋予仪器或测量系统分度值，确定仪器或测量系统的特性指标并消除系统误差，改善仪器或系统的精确度，是科学测量的重要步骤。

在机床滚转角误差测量系统中，通过测量系统的相位差与滚转角的输入-输出关系，标定得到测量系统的角度增益。滚转角测量系统能实现对滚转角的高精度测量，线性测量范围较小，敏感元件1/2波片的微小偏转都会对角度增益系数产生较大的影响，从而影响滚转角的精度测量。鉴于工业现场复杂的测量条件，敏感元件1/2波片发生微小转动的可能性极大，因此，对滚转角测量系统在工业现场进行快速、准确、低成本的现场标定是很有必要的。

传统技术中，一般使用的是直接读取滚转台上的示数或雷尼绍的XL-80激光干涉仪提供滚转角转动准确值，从而标定滚转角测量系统的角度增益系数。

直接读取滚转台上的示数方法不精确，且累计误差极大，而采用XL-80激光干涉仪的标定过程大致如下：先通过镜架将1/2波片粗调到灵敏区附近，再通过XL-80激光干涉仪精确调整1/2波片的位置，将其调整至灵敏区内，并记录此时的相位差值，最后根据记录的数据利用最小二乘法拟合出变化直线，求出直线斜率即为角度增益系数，该标定方法过程繁琐，并且要借助于其它独立的精密仪器，不适合现场标定和应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种滚转角测量系统的高精度标定装置及标定方法，不需要借助昂贵的精密仪器，充分利用测量系统现有的光学器件实现快速标定，操作过程简单，并且能够与测量系统共用参考光，标定精度较高。

为了实现上述目的，本发明滚转角测量系统的高精度标定装置，包括用于将激光发射器所发射光线分成两路的第一分光棱镜，其中一路光线输入滚转角测量系统，另一路光线经第二分光棱镜分别到达第一光电探测器和反光镜；反光镜的反射光线经偏振分光棱镜被分为两束相垂直的S光和P光，S光进入设在偏振分光棱镜旁侧的第一角锥棱镜，P光进入设在滚转台上的第二角锥棱镜，偏振分光棱镜上还设有用于重复反射第一角锥棱镜及第二角锥棱镜所反射光线的第三角锥棱镜，光线经过多次细分反射后被第三光电探测器采集。

输入滚转角测量系统的光线经过λ/4波片和滚转台上的λ/2波片到达反射棱镜，反射棱镜的反射光线再次经过λ/2波片被第二光电探测器采集。

所述的第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的光线接收端分别配套设置有第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片。

所述第三角锥棱镜相互叠加反射光路设置有若干个。

本发明滚转角测量系统的高精度标定方法，包括以下步骤：首先通过分光棱镜将滚转角测量系统中的参考光束引入标定装置；然后通过偏振分光棱镜将标定光束分为两束相垂直的S光和P光，S光被设置在偏振分光棱镜旁侧的第一角锥棱镜反射，P光进入设置在滚转台上并能随滚转台一起转动的第二角锥棱镜，第一角锥棱镜及第二角锥棱镜的反射光线经偏振分光棱镜后进入第三角锥棱镜重复反射细分；最后经由光电探测器进行采集，完成标定。

通过第一分光棱镜将滚转角测量系统中的参考光束引入标定装置，标定装置的第二分光棱镜接收引入光束并分别反射至第一光电探测器和反光镜，反光镜的反射光线经过偏振分光棱镜被分为两束相垂直的S光和P光。

与现有技术相比，本发明能够与滚转角测量系统高度集成，通过偏振分光棱镜将标定光束分为两束相垂直的S光和P光，S光被设置在偏振分光棱镜旁侧的第一角锥棱镜反射，P光进入设置在滚转台上并能随滚转台一起转动的第二角锥棱镜，第一角锥棱镜及第二角锥棱镜的反射光线经偏振分光棱镜后进入第三角锥棱镜重复反射细分，由于光路的总长度被拉长，这种配置获得了较高的光学细分因子，极大地提高了标定精度，若布置N个第三角锥棱镜，测量分辨率能够提高2N倍，因此能够实现亚秒级的高精度标定。本发明不需要借助任何高精度的精密仪器，标定与测量共用参考光，并且操作过程简单，能够实现快速标定。

附图说明

图1本发明标定装置与滚转角测量系统结合示意图；

图2本发明标定装置的结构及原理示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，2，本发明标定装置在结构上包括用于将激光发射器Laser所发射光线分成两路的第一分光棱镜BS1，其中一路光线经过λ/4波片QWP和滚转台RT上的λ/2波片HWP到达反射棱镜R，反射棱镜R的反射光线再次经过λ/2波片HWP被第二光电探测器PD2采集，另一路光线经第二分光棱镜BS2分别到达第一光电探测器PD1和反光镜M，反光镜M的反射光线经偏振分光棱镜PBS被分为两束相垂直的S光和P光，S光进入设置在偏振分光棱镜PBS旁侧的第一角锥棱镜CP1，P光进入设置在滚转台RT上的第二角锥棱镜CP2，偏振分光棱镜PBS上还设有用于重复反射第一角锥棱镜CP1及第二角锥棱镜CP2所反射光线的第三角锥棱镜CP3，第三角锥棱镜CP3相互叠加反射光路设置有若干个，光线经过多次细分反射后被第三光电探测器PD3采集。第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3的光线接收端分别配套设置有第一偏振片P1、第二偏振片P2和第三偏振片P3。

激光发射器Laser作为光源，λ/2波片HWP改变相位延迟量，产生π的相位差，作为测量滚转角的敏感元件，λ/4波片QWP改变相位延迟量，产生π/2的相位差，作为放大元件。

第二分光棱镜BS2位于参考光路中，使测量系统中的参考光束反射到标定系统中，共用参考光束。反光镜M改变光束路径，使光束进入到标定系统中。第三偏振片P3使光束中的P光和S光在通光方向上形成干涉。偏振分光棱镜PBS使入射光束分为P、S线偏光，其中P光完全通过，而S光被反射。第二角锥棱镜CP2作为传感元件固定在滚转台RT上，随滚转台RT一起转动。通过偏振分光棱镜PBS、第一角锥棱镜CP1、第二角锥棱镜CP2、第三角锥棱镜CP3实现了光学细分，为了获得更高的分辨率，在系统检测器的输入窗口之前增加了N角锥棱镜由于光路的总长度被拉长，所以利用这种配置获得了更高的光学细分因子，这导致了2N倍增强的测量分辨率，此处仅以一个角锥棱镜为例进行说明。入射光束进入到偏振分光棱镜PBS中被分成两束垂直的S光和P光，其中S光束进入第一角锥棱镜CP1，P光束入射到滚转台上的第二角锥棱镜CP2。进入第二角锥棱镜CP2的P光反射再次进入到偏振分光棱镜PBS，直接通过偏振分光棱镜PBS进入到第三角锥棱镜CP3，这样P光就能够反复的进行光路反射。进入到第一角锥棱镜CP1的S光被反射也再次进入到偏振分光棱镜PBS，通过偏振分光棱镜PBS直接反射进入到第三角锥棱镜CP3，经过第三角锥棱镜CP3的反射之后再次进入分光棱镜反射，光路在这样的系统中进行细分。

图1所示为基于双频激光器的外差干涉滚转角测量系统，其基本思想是激光外差干涉理论和偏振理论，利用正交偏正光将滚转角的变化调制为相位差的变化，从而实现滚转角的测量。本发明在原有的测量系统的基础上，通过增加一个分光棱镜、一个反射镜、一个偏振片、多个角锥棱镜、一个偏振分光棱镜及一个光电接收器，设计了一个标定系统。

本发明的标定方法为：首先在参考光路中的光电接收器前放一个分光棱镜，能够与测量系统共用一束参考光。在滚转台上固定角锥棱镜作为传感元件，由反射镜入射光线在由多个角锥棱镜和一个偏振分光棱镜组成的系统中，进行多次光路的反射，实现光学细分。

如图2所示，偏振分光棱镜PBS、第一角锥棱镜CP1、第二角锥棱镜CP2、第三角锥棱镜CP3实现了光学细分。入射光束进入到偏振分光棱镜PBS中被分成两束垂直的S光和P光，其中S光束进入第一角锥棱镜CP1，P光束入射到滚转台上的第二角锥棱镜CP2。

进入第二角锥棱镜CP2的P光反射再次进入到偏振分光棱镜PBS，直接通过偏振分光棱镜PBS进入到第三角锥棱镜CP3。这样P光就能够反复的进行光路反射。

进入到第一角锥棱镜CP1的S光被反射也再次进入到偏振分光棱镜PBS，通过偏振分光棱镜PBS直接反射进入到第三角锥棱镜CP3，与P光相遇形成合成光。合成光可以再通过偏振分光棱镜PBS再次被细分，这样光路在这样的系统中能够进行多次细分。