数字处理
A O
C
B
O’
D
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
误差分析：
激光干涉测量过程中，由于跟踪转镜的转角不参与对测量值的计算，所以只要在 运动过程中能保证干涉仪能进行干涉测量，不丢光，就能完成测量任务。电气系统 的稳态误差不会对测量精度产生影响。
A O
C
B
O’
D
光电池位置偏差对干涉仪测量精度的影响：光电池位置偏差对激光跟踪干涉仪测距精度影响不大，
新建立4个约束方程，可见存在一个冗余方程。
A B
D 3）只要增加动点数，使得冗余的约束方程个数大于或等于系统
未知参数，就可对系统进行标定。
C
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题 四路激光跟踪干涉测量系统——引入n个动点
1）两点间距离公式，可建立4n个约束方程。 2）同时引入了3n个未知量（每个动点的x、y、z坐标）。 3）系统原有的未知量 共3×(4+1)＝15个
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
三路激光跟踪干涉测量系统
每一路激光跟踪干涉仪实时跟踪目标镜运动，并测量出目标镜到 跟踪转镜中心的相对长度变动量。
•如果动点到基点的初始长度已知，
P
那么动点移动后，其到基点的距离也就可以确定。
A B
•如果三个基点的相对位置关系也已知， 那么空间种运动目标的位置也就唯一确定。
基点1
基点2
基点3
基点4
基点5
L1 (x0 xb1)2 ( y0 yb1)2 (z0 zb1)2
初 始
L2 (x0 xb2 )2 ( y0 yb2 )2 (z0 zb2 )2
长 度
L3 (x0 xb3)2 ( y0 yb3)2 (z0 zb3)2
激光干涉测量技术
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量技术
激光干涉测长仪——微米、纳米级的精密测量（微观）
大型工程对象的整体外形尺寸和形位误差的精密测量、动态测量 成为了急待解决的难题。
激光跟踪干涉测量系统——大范围、柔性、动态、高精度
•
大型几何参数、形位误差的在线测量；
C
0
Δ
1
L
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
三路激光跟踪干涉测量系统
A B
P
•自标定：
三个基点的相互位置关系的确定
（现场测量，三个跟踪干涉测量系统需要重新安装，现场
的标定是个困难，高精度标尺几乎不可能）
动点初始位置长度测量的问题
C •挡光的自恢复：
干涉仪的相对测量，测量过程的挡光将中断测量过程。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
K(s)
M(s)
T(s)
R(s)
前放
PID调节
功放
电机
跟踪转镜
I/V转换
光电池 P(s)
光斑偏差
四象限光电池
四象限探测要求：光斑理想几何圆形
光斑能量分布均匀
A
B
O
C
D
跟踪转镜
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
光斑的水平位移
x K (A C) (B D) A B C D
美国API激光跟踪仪（三代） 产品型号:3D/6D激光跟踪仪
TrackerIII具有目前较先进 的激光跟踪技术。
广泛应用于尺寸测量、逆 向工程、动态装配、机器人空 间姿态标定等领域。
主要技术指标：
1. 最大跟踪速度：>4.0米/秒 2. 最大加速度：>2g 3. 跟踪头重量：8.5kg 4. 控制箱重量：3.2kg 5. 系统总重量：23kg 6. 测量距离（直径）：大于120米 7. 水平：±320度 8. 垂直：+80度，-60度 9. 角度分辨力：0.05角秒 10.长度分辨力：0.1um 11.采样速率：256点/秒（可选3000点/秒） 12.三维空间测量精度： 静态：5ppm（2sigma）
在三路激光跟踪干涉测量系统的基础上，再增加一路跟踪干涉仪，
构成冗余系统，可以：
四路激光跟踪干涉测量系统
•完成系统自标定
P
•实现挡光后信息自恢复
A B
D C
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题
四路激光跟踪干涉测量系统 1）每个动点与4个基点按两点间距离公式，可建立4个约束方程。
P
2）引入一个动点，只增加了3个未知量（x、y、z坐标），但可
方位角——
目标靶坐标P(x，y，z)
L
θ
长度的测量：激光干涉仪，提供精密的长度值；
（需要一套激光干涉测量系统)
角度测量：激光束经过安装在高精度万向节上的反射镜出射 ；
(需要两套测角系统）
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统的发展
2）三角法 被测点三维坐标的确定：多个角度值。
•
运动目标（机器人手臂）空间轨迹、姿态监测和标定；
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪仪的基本组成
距离测量 角度测量 跟踪部分 控制部分 结构支撑
激光跟踪仪座标测量原理图
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统
常规激光干涉仪：
测量光束方向固定不变，一维的固定方向，根据 测量反射镜在测量光束方向的运动，只能测量该方 向上的位移
2
1
0
P
A B
D C
0
Δ
1
L
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题
三路激光跟踪干涉测量系统
一旦某路干涉仪发生故障或挡光现象，那么测量将无法继续进行，必须重新开始
四路激光跟踪干涉测量系统
系统标定后，当某路干涉仪发生故障或挡光现象，只要其它三路跟踪干涉仪工作正常， 仍可测量目标坐标。
当故障光路恢复后，由于其它三路跟踪干涉仪一直跟踪测量目标坐标，就可按目标坐标 驱动转镜使恢复工作的跟踪干涉仪瞄准目标，恢复跟踪。
光斑的垂直位移
y K (A B) (C D) A B C D
x 模拟处理方法：
B C
A D
A
I/V
B
I/V I/V C
A+C
加法
B+D
加法
A+B
加法
减法
除法
I/V D
加法 C+D
加法
x 数字处理方法：
B C
A D
A
I/V
B
I/V
多
路
开
I/V C
关
I/V D
时序控制 AD
测量光： 由激光器发出，经偏振分光镜透射后，经过1/4波片，反射镜反射后，再次经过1/4波片，此时
偏振态旋转了90º； 到达偏振分光镜后形成反射光，经过角锥棱镜获得横向位移，到达偏振分光镜后，反射； 经过1/4波片，到达测量系统，返回光再次经过1/4波片，偏振态旋转了90º， 在偏振分光镜上
形成透射光通过，到达激光器
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
4）猫眼逆反射镜
材料 n 大球半径r2
小球半径r1
r2

r1 n 1
理想状态：
激光跟踪控制总是使得入射光线经过球心，使得光线原路返回。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统的发展
1） 球坐标法
被测点三维坐标的确定：
一个长度值，两个角度值 长度值—— L 俯仰角——θ
二维平面内
有一个确定标尺长度的L时， 需要两个角度确定动点位置；
三维空间中
需要四个角度确定动点位置；
α
β
θ
L
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉测量系统的发展
3）多边法 被测点三维坐标的确定：被测点到多个参考点之间的长度
二维平面内
为确定被测点坐标，需要两个长度
（由平面内两点之间距离公式列方程）
实现对三维空间目标点的动态实时跟踪测量。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉仪 瑞士徕卡公司、美国SMX（FARO）、API公司
徕卡LTD500
SMXTracker4500
API Tracker Ⅱ
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
激光跟踪干涉仪(非测角型) 激光干涉测长仪+跟踪系统
目标靶镜
目标靶镜
但对系统能否可靠工作影响较大
分光镜 探测器
跟踪转镜
• 通过微调机构，调整光电池位置 • 加电压偏确位置时，当光斑位置出现偏差，反馈控制转镜使得光斑回到光电池中心。
光电池位置偏差时，1）可以通过反馈控制转镜使得光斑始终处于o’点；（但牺牲了跟踪 范围）；2）可以加偏置电压，使得光斑始终控制在o点；（利用跟踪）
HP5528A干涉仪，通过测量直线度的功能实现对位移测量
要求返回光与出射光处于同一直线上
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
2）跟踪转镜机构
双转镜原理：两套独立的转镜，光束经过二次反射，达到空间任意位置
光束入射角度不同，对第二反射镜面上有不同反射点，
带了附加光程。
跟踪转镜
单转镜原理：一个转镜，通过两个独立电机进行驱动。
同时将目标位置给恢复工作的干涉仪置数，使测量继续，如同未发生故障一样。
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决挡光自恢复问题
四路激光跟踪干涉测量系统——引入n个动点
系统未知向量 S=[xb1,yb1,zb1， xb2,yb2,zb2， xb3,yb3,zb3， xb4,yb4,zb4， x0,y0,z0]