激光测速仪平行度精确测量装置及测量方法

摘要

本发明涉及一种激光测速仪平行度精确测量装置及其测量方法，该装置包括承载平台、移动平台、激光测距机、数据采集卡、处理器、显示器，承载平台上平行安装有至少2台的激光测速仪，移动平台位于所述承载平台下方，通过水平滑动机构安装在底座上；激光测距机安装在移动平台外的一侧；所述数据采集卡分别连接若干所述激光测速仪激光测距机、处理器；处理器的计算结果输出到显示器。本方法发明利用高精度激光测速的平行性验证的原理来计算出激光测速仪之间的角度值的差，该角度差的测量精度为0.005°。本装置结构简单，原理通俗易懂，测量精度高，无须专业操作人员即可使用，值得普及推广。

说明书

技术领域

本发明涉及多个激光束的平行性测试技术领域，特别涉及多个激光测 速仪平行度的精确测量装置及方法。

背景技术

激光测速仪在弯沉测量系统中主要用于测量路面的下沉速度，由于车速 在激光测速的方向上有一个很大的速度分量，因此为了消除这个分量对激光 测速仪测量路面沉降速度带来的巨大影响，因此两个激光器之间的角度需保 持在0.005度的精度，这样两个激光器之间的角度差α的正弦值和车速的乘 积就会控制在1mm/s以内，这样大大降低了对路面沉降速度(10mm/s左右) 的影响，因此标定激光测速仪平行性的重要性尤其突出。

目前测量激光光束平行性主要有两种方法来验证光束的平行性。一种 是通过干涉方法来实现，被测光束被分成两束光，然后在一适当位置产生 干涉，如果入射光束为平行光，则产生的干涉条纹为直条纹或无条纹，这 种方法测量准确度较高，干涉仪价格昂贵，干涉体积较大，使用不方便， 震动对测量影响较大，可以测量的角度范围较小。另一种是利用最原始的 皮尺法来测量不同远处激光之间的距离来验证的，但是这个方法精度低， 人眼造成的误差大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种激光测速仪平行度精确测量装 置及测量方法，快速、精确验证激光束之间的平行性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光测速仪平行度精确测量装 置，其特征在于，包括承载平台、移动平台、激光测距机、数据采集卡、 处理器、显示器，所述承载平台上平行安装有至少2台激光测速仪，每台 所述激光测速仪发出的激光束相对垂直方向上同侧偏离，且偏离角度≤ 5°；所述移动平台位于所述承载平台下方，通过水平滑动机构安装在底 座上，用于接收和反射所述激光测速仪的激光束，所述水平滑动机构的安 装方向为所述激光测速仪的排列方向；所述激光测距机安装在所述移动平 台外的一侧，通过信号线连接所述数据采集卡；所述数据采集卡还分别通 过数据线连接若干所述激光测速仪，用于分别同步采集若干所述激光测速 仪信号；所述处理器分别通过通信接口连接所述数据采集卡、显示器。

优选的，所述承载平台上设有X和Y两个方向上的微调机构，用于微 调节所述激光测速仪的方向。

本发明同时提供了采用上述激光测速仪平行度精确测量装置的测量激 光测速仪平行度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将n个所述激光测速仪安装在所述承载平台，并调节平行，所述n≥ 2；

开启所述处理器、数据采集卡、激光测距机、激光测速仪，所述激光 测速仪发出的激光束打到所述移动平台上，

使所述移动平台做变速的水平运动，同时，所述激光测距机测量所述 移动平台移动距离，数据采集卡采集n个所述激光测速仪的速度D₁、 D₂、...、D_n，分别送到所述处理器；

所述处理器计算出所述移动平台的水平运动速度V，假设n个所述激 光测速仪发出的激光束和垂直方向的夹角分别为α₁、α₂、…、α_n，则 D₁＝V*sinα₁；D₂＝V*sinα₂；...；D_n＝V*sinα_n

以速度为D₁的所述激光测速仪为参照，则

$\sin {\alpha }_1-\sin {\alpha }_2=\frac{(D_1-D_2)}{V}$公式(1)

，...，

$\sin {\alpha }_1-\sin {\alpha }_n=\frac{(D_1-D_n)}{V},$公式(2)

又由三角函数里面的和差化积公式可知：

$\sin {\alpha }_1-\sin {\alpha }_2=2\cos \left(\frac{{\alpha }_1+{\alpha }_2}{2}\right)*\sin \left(\frac{{\alpha }_1-{\alpha }_2}{2}\right)$

因为不大于5°，几乎为1，所以认为 这样直接通过sinα₁-sinα₂的取值来确定的取值。因为sinα₁-sinα₂可以达到10^-5，因此，α₁-α₂的取值可以达到 0.005度的精度范围。

所述处理器将计算出的α₁-α₂，...，α₁-α_n输出到所述显示器。

进一步优化的，所述处理器将计算某一时间段内的V、D₁、D₂、...、 D_n各自的平均值V_型均，D_1均，D_2均，…，D_n均，用V_型均，D_1均，D_2均，…，D_n均分别替换公式(1)、(2)中的V、D₁、D₂、...、D_n，计算sinα₁-sinα₂，sinα₁-sinα_n。

本方法发明利用高精度激光测速的平行性验证的原理来计算出激光 测速仪之间的角度正弦值的差，该差值的精度达到10^-5。因此，两激光测 速仪之间的角度差测量精度可以达到0.005°。本装置结构简单，原理通 俗易懂，测量精度高，且不需操作人员具备专业技能，真正意义上的达到 普及性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说 明。

图1为本发明的实施方式的结构示意图。

图2为移动平台的水平运动速度V在激光束上的速度分量示意图。

具体实施方式

如图1所示，承载平台S8是采用钢质材料做成的一个4000*600*200mm 的长方体架，长方体架上设有调节螺丝，4台激光测速仪分别为第一激 光测速仪S1、第二激光测速仪S2、第三激光测速仪S3、第四激光测速仪 S4平行安装在长方体架上，每个激光测速仪探头通过调节螺丝对其在X 和Y两个方向上做微调，保持与垂直方向同侧的不大于5°的夹角，例如 2°，调节精度可以达到0.1mm，可调节范围在50mm。相距最远的激光测 速仪S1、S4之间的距离为3500mm。第一激光测速仪S1、第二激光测速仪 S2、第三激光测速仪S3、第四激光测速仪S4分别通过数据线S12连接安 装在处理器7上的数据采集卡，处理器7为带显示器的普通电脑，电脑通 过数据采集卡接收第一激光测速仪S1、第二激光测速仪S2、第三激光测 速仪S3、第四激光测速仪S4发送来的测速，并进行后续的计算处理。

承载平台S8下方安装移动平台S5，移动平台是一个长为4米的型材， 用作激光束映射点的一个平台介质，四个激光点分别调焦到最小，同时激 光点应投射在移动平台S5上，移动平台通过滑轮S9安装在在一个两米长 的滑轨S10上，其水平活动范围在400mm左右，滑轨S10安装在固定底座 上，滑轨S10的安装方向为所述激光测速仪的排列方向，让移动平台只能 在水平方线运动，在垂直方向上的运动几乎为0，为实验结果保证足够的 精度。移动平台S5的右端设有挡块S11，挡块S11用于接收激光测距机 S6的激光信号。

移动平台的右侧，激光测距机S6固定安装在支座S13上，用于测量 移动平台的水平运动距离以及计算移动平台的水平运动速度，激光测距机 的采样频率能够达到64K，精度可以在1um以内。假设实际的采样频率为 f，则相邻两个测点的距离为s1、s2，则此时的瞬时速度为V＝(S1-S2) *f。由于移动平台运动的范围比较大，选用激光测距机S6的量程至少在 ±500mm范围内，激光测距机S6通过信号线连接处理器7上的数据采集 卡。数据采集卡采用NI数字采集卡，它是一款专为高通道数的声音和振 动应用而设计的高精度数据采集(DAQ)模块，具有8路同步采样模拟输入 通道。

结合图1、图2所示，在测量过程中，开启处理器、数据采集卡、激 光测距机、激光测速仪，并使所述移动平台做变速的水平运动，同时，激 光测距机测量移动平台移动距离以及水平速度V，数据采集卡采集四个激 光测速仪的速度D₁、D₂、D₃、D₄，分别送到处理器；

第一、第二、第三、第四激光测速仪发出的激光束分别与垂直方向的 夹角为α₁、α₂、…、α_n，则移动平台的水平速度V在四个激光束上的速度 分量分别为V*sinα₁、V*sinα₂、V*sinα₃、V*sinα₄，并且各个速度分量等于 激光测速仪测得的速度D₁、D₂、D₃、D₄，即存在

D₁＝V*sinα₁；D₂＝V*sinα₂；D₃＝V*sinα₃；D₄＝V*sinα₄；

不失一般性，以第四激光测速仪为参照，则

D₁₄＝D₁-D₄＝V*(sinα₁-sinα₄)；

D₂₄＝D₂-D₄＝V*(sinα₂-sinα₄)；

D₃₄＝D₃-D₄＝V*(sinα₃-sinα₄)；

将实际测得的V、D₁、D₂、D₃、D₄代入上式，即可求出sinα₁-sinα₄、 sinα₂-sinα₄、sinα₃-sinα₄。

由于sinα₁-sinα₄、sinα₂-sinα₄、sinα₃-sinα₄的精度达到10^-5，因此可以 认为α₁-α₄、α₂-α₄、α₃-α₄的精度可以达到0.005°。上述任务由处理器 完成并输出到显示器。

为了提高测量的可靠性，本发明采用统计学的方法进行数据分析。激 光测速仪测得是型材运动速度V的分量，且各激光测速仪的激光束方向相 对垂直方向同侧偏离，因此激光测速仪得到的数值和型材运动速度的数值 是同号的，这样先将测速仪的速度和型材运动的速度去绝对值，然后求出 型材的平均速度V_型均、第一激光测速仪S1、第二激光测速仪S2、第三激 光测速仪S3、第四激光测速仪S4分别的速度采样的平均值D_1均，D_2均，D_3均，D_4均。将V_型均、D_1均，D_2均，D_3均，D_4均分别替代V、D₁、D₂、D₃、D₄，即 计算出更加准确的第一、第二、第三激光测速仪与作为参照的第四激光测 速仪之间的角度差。通过实际测量检验，该角度差的测量精度在0.005° 以上。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通 技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范 围当中。