激光测角技术
测角仪工作原理
测角仪工作原理
测角仪是一种用来测量角度大小的仪器，它基于光学原理工作。
其工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 光源发射：测角仪内部嵌有一种高亮度的光源，比如LED
灯或者激光器。
该光源会发射大量的光束。
2. 光束分割：光束会经过一系列的光学元件，如分束镜或棱镜，将光束分割成两束。
这两束光束会被引导到测角仪的两个光束投射系统中。
3. 投射光束：在光束投射系统中，分割出的两束光束会被投射到待测的角度上。
4. 反射光束：当光束照射到待测角度上时，它们会被反射或折射。
根据光学原理，入射角等于反射角或折射角。
5. 检测光束：反射或折射后的光束会进入光束检测系统。
该系统包含光电传感器，可以测量光束的位置和角度。
6. 角度计算：通过测量光束的位置和角度，测角仪可以计算出待测角度的大小。
通常，测角仪会将测得的角度显示在仪器的屏幕上。
需要注意的是，测角仪的准确性和精度取决于光束的分割和测量系统的精密度，以及待测角度表面的光学特性。
一些高级的
测角仪还可以进行自动校准和误差修正，以提高测量结果的准确性。
激光三角测量法应用技术
激光杂志LASER JOURNAL第42卷第4期2021年4月Vol. 42,No. 4April ,2021•综合评述•激光三角测量法应用技术孙有春庞亚军-2,白振旭・2,王雨雷】，2,吕志伟1.2'河北工业大学先进激光技术研究中心，天津300401； 2河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津300401摘要:得益于激光测量高精度、非接触和快响应的技术优势，近些年，各种激光测量方法被广泛应用在工业制造、航空航天、生物医药等众多领域。
与其他方法相比，激光三角测量法结构简单、性价比高，其应用技术研究发展迅速，成为研究热点。
首先对激光三角测量法的基本原理进行了论述，然后对其应用技术的研究进展情况进行了详细综述，并总结了影响激光三角测量法测量精度的主要问题和相关研究，最后对激光三角测量技术的发展现状和趋势进行了总结。
关键词：激光测量；三角法；光学检测；应用中图分类号:TN247 文献标识码:A doi ：10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021. 04. 001Application technology of laser triangulationSUN Youchun 1'2, PANG Yajun 1'2, BAI Zhenxu 1'2, WANG Yulei 1'2, LV Zhiwei 1'21 Center for Advanced Laser Technology , Hebei University of Technology , Tianjin 300401, China ；2 Hebei Key Laboratory of Advanced Laser Technology and Equipment , Tianjin 300401 , ChinaAbstract : Due to the technical advantages of high precision , non-contact and fast response of laser measurement ,various laser measurement methods have been widely used in many fields such as industrial manufacturing , aerospace , biomedicine. Compared to other methods , laser triangulation has a simple structure and high cost-effectiveness , andthe research on its application technology has been developed rapidly and become a research hotspot. In this paper , the basic measurement principle of laser triangulation is discussed , and the research progress of its application technol ogy is summarised in detail. The main problems affecting the measurement accuracy of laser triangulation and related research are summarised as well. Finally , the development trends of laser triangulation technology have prospected.Key words : laser detection ； triangulation ； optical measurement ； application technology1引言随着我国经济水平的不断提高，中国工业制造产业不断改造升级,精密化、智能化成为当今工业制造的主要特点，各种新型的高精度测量和传感装置被不 断应用到制造装备上⑴力。
激光干涉仪进行角度测量
SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。
通过激光热稳频控制技术，实现快速(约6分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。
SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。
通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。
在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，为机床误差修正提供依据。
激光干涉仪角度测量方法1.1.1. 角度测量构建与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。
相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被SJ6000激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。
图1-角度测量原理及测量构建图2水平轴俯仰角度测量样图图3-2水平轴偏摆角度测量样图1.1.2. 角度测量的应用1.1.2.1. 小角度精密测量激光干涉仪角度镜能实现±10°以内的角度精密测量。
图4-小角度测量实例1.1.2.2. 准直平台/倾斜工作台的测量由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。
您可以结合实际需要进行安装、测量。
图5-水平方向角度测量图6-垂直方向角度测量在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。
vcsel远场发散角测量原理
vcsel远场发散角测量原理
VCSEL（垂直腔面发射激光器）是一种特殊类型的激光器，其发散角度是指激光束从激光器中发射出来后，横向扩散的角度。
VCSEL 远场发散角测量的原理涉及到光学和电子学的知识。
首先，VCSEL的远场发散角测量通常使用的是光电探测器和角度测量设备。
在测量过程中，激光器会被放置在一个特定的位置，然后激光束被照射到光电探测器上。
光电探测器会测量激光束的强度分布，并将其转换为电信号。
通过测量激光束在不同角度上的强度分布，可以确定其远场发散角度。
其次，测量原理涉及到光束的传播特性。
根据光学理论，激光束在远场会形成一个特定的光斑，其尺寸和形状取决于激光器的发散角度。
通过测量这个光斑的大小和形状，可以推导出激光束的远场发散角度。
此外，测量原理还涉及到数据处理和分析。
通过收集光电探测器输出的信号，并进行数据处理和分析，可以得出准确的远场发散角度。
这通常涉及到使用数学算法和模型来处理实际测量得到的数据，以获得最终的结果。
总的来说，VCSEL远场发散角测量的原理涉及光学、电子学和数据处理等多个方面的知识，通过光电探测器的测量和数据处理分析，可以准确地确定VCSEL激光器的远场发散角度。
激光三角测量法
激光三角测量法
激光三角测量法是一种用于测量距离的技术，它可以用来测量距离远
至数千米的距离。
激光三角测量法的基本原理是：采用发射激光脉冲的激
光发射器发出激光脉冲，可以沿着矩形对角线以及对角线夹角组成三角形，以此计算距离。
它首先需要两个位置，即发射器和接收器，他们之间的距离可以通过
测量时间来计算。
发出的激光脉冲最终会被接收器接收，记录这激光脉冲
的发射时间和收到时间，接下来就可以根据激光脉冲在空气中的传播速度
计算出两个位置之间的实际距离。
激光三角测量法避免了传统测量方法中因人为因素和环境因素造成的
误差，而且它是一种无损测量方法，可以准确测量远距离。
而且激光三角
测量法可以实现实时测量，不需要额外的设备，便于安装和操作，可以应
用于复杂的非对称环境中。
激光三角测距技术应用
激光三角测距技术应用激光三角测距技术应用激光三角测距技术是一种利用激光束测量物体距离的技术方法。
它在工业、测绘、航天等领域有着广泛的应用。
下面将逐步介绍激光三角测距技术的应用过程。
第一步：发射激光束激光三角测距技术首先需要发射一束激光束。
这个激光束经过光学系统的聚焦，形成一个非常细小而精确的光点。
第二步：照射物体接下来，激光束照射到需要测量距离的物体上。
当激光束照射到物体上时，会发生光的反射和散射。
第三步：接收反射光经过物体的反射和散射之后，一部分光会返回到测距仪上。
测距仪内部的接收器会接收这些反射光，并将其转化为电信号。
第四步：计算距离接收到的电信号会被测距仪内部的计算器处理。
计算器会根据接收到的光信号与发射激光束之间的时间差，来计算物体到测距仪的距离。
利用光速和时间差，可以精确计算出距离。
第五步：显示结果最后，测距仪会将测量得到的距离结果显示出来。
这个结果可以通过数字显示或者其他方式呈现出来，供使用者查看。
激光三角测距技术的应用非常广泛。
例如，在工业制造中，可以利用它来测量物体的尺寸、检测物体的位置以及进行自动化控制。
在测绘领域，可以使用激光三角测距技术进行地形测量、建筑物测量以及地图绘制。
在航天领域，激光三角测距技术可以用来测量卫星和空间飞行器与地面的距离，实现精准的空间定位和导航。
总结起来，激光三角测距技术通过发射激光束、照射物体、接收反射光、计算距离以及显示结果等步骤，实现对物体距离的精确测量。
它在工业、测绘、航天等领域的应用为我们的生活带来了很大的便利。
随着技术的不断发展，相信激光三角测距技术将会有更多的应用和突破。
基于PSD的激光三角测距法原理、系统和精度分析
基于PSD的激光三角测距法原理、系统和精度分析激光三角测距法原理、系统和精度分析1.三角测距方式三角测距是一种测量距离的方法，通过测量三角形的三个角度或三个边长来确定目标物体与测量仪之间的距离。
激光三角测距法就是利用激光束发射器向目标物体发射激光束，然后通过接收器接收反射回来的激光束，最后利用三角形计算目标物体与测量仪之间的距离。
2.激光三角法原理分析激光三角测距法是利用激光束在空间中直线传播的特性，通过测量激光束的发射方向和反射方向之间的角度差，来计算目标物体与测量仪之间的距离。
在实际应用中，通常采用相位测量法来测量激光束的相位差，进而计算出角度差，从而得到目标物体与测量仪之间的距离。
3.激光三角法距离计算激光三角测距法的距离计算涉及到角度测量和相位测量两个方面。
角度测量是通过测量激光束的发射方向和反射方向之间的角度差来实现的，而相位测量则是通过测量激光束的相位差来计算角度差。
最终，通过三角形计算公式，可以得到目标物体与测量仪之间的距离。
4.激光三角法精度分析激光三角测距法的精度受到多种因素的影响，包括系统探测能力、像点弥散斑等。
系统探测能力是指系统对光信号的接收能力，它受到PSD接收光功率、光能质心等因素的影响。
像点弥散斑是指激光束在目标物体表面反射时产生的光斑扩散现象，它会对系统的探测能力产生影响。
5.系统探测能力的影响因素5.1 PSD接收光功率对系统探测能力的影响PSD接收光功率是影响系统探测能力的重要因素之一，它受到激光束功率、反射率等因素的影响。
当PSD接收光功率较小时，系统的探测能力会受到限制，从而影响测量精度。
因此，在实际应用中，需要采用一定的技术手段来提高PSD接收光功率，以提高系统的探测能力。
5.2 光能质心对探测能力的影响光能质心是指激光束在PSD上的位置，它受到激光束发射方向、反射面形状等因素的影响。
当光能质心偏离PSD中心时，会导致系统的探测能力下降，从而影响测量精度。
激光三角法测量原理
激光三角法测量原理
激光三角法测量原理是一种常见的测量方法，它利用激光束的直线传播特性和
三角形的几何关系，通过测量三角形的边长和角度来确定目标物体的位置和形状。
激光三角法测量原理广泛应用于工程测量、地质勘探、建筑施工等领域，具有测量精度高、操作简便、适用范围广等优点。
首先，激光三角法测量原理的基本原理是利用激光器发出的一束平行光束照射
到目标物体上，然后由接收器接收反射回来的光线，通过测量光线的方向和距离来确定目标物体的位置。
在实际测量中，通常会使用两个或多个激光器和接收器，通过它们之间的相对位置和角度来构建一个三角形，从而实现对目标物体的测量。
其次，激光三角法测量原理的关键在于测量三角形的边长和角度。
在测量过程中，需要准确地测量激光束的方向和距离，以及激光器和接收器之间的相对位置和角度。
通过这些数据的测量和计算，可以确定目标物体的位置和形状，实现对目标物体的精确测量。
此外，激光三角法测量原理还需要考虑到测量误差的影响。
由于测量过程中存
在各种误差，如激光束的发散、接收器的精度、环境因素等，因此在实际测量中需要对这些误差进行补偿和校正，以确保测量结果的准确性和可靠性。
总的来说，激光三角法测量原理是一种基于激光技术的高精度测量方法，具有
广泛的应用前景和重要的实际意义。
通过对其原理和关键技术的深入理解和研究，可以进一步提高测量精度和测量效率，推动激光测量技术在各个领域的应用和发展。
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激光测角技术综述：光学测角法由于具有测量准确度高和非接触测量的特点，在角度测量中得到了越来越广泛的应用，而且在某些场合下正在逐渐取代机械式和电磁式测量方法。
本文介绍了几种激光测角技术的原理及发展方向。
正文：根据所测角度的大小，激光测角技术可以分为小角度测量和任意角度测量。
一、激光小角度测量技术1.光学自准直法自准直法就是在光学上使物体和像分别位于共轭平面上。
当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，以光束投射到被测物体上，通过测量像点的移动量便可以求出物体转动的角度。
如下图所示，以准直激光作为入射光，经扩束后照射到被测物体上，光束被反射后经分束器由透镜2会聚到位置探测光电二极管上，测出物体转动前后反射到位置探测二极管上的光斑位移，根据位移与探测器到被测物间的距离之比，便可得到物体的转动角度。
自准直法原理简单，操作方便、易行。
测量分辨率与透镜2焦距有关，焦距越长分辨率越高，但透镜焦距过长就会产生仪器笨重和所占空间增大的问题；若对场地没有限制或精确度要求不是特别高，应用较为方便，可用于粗调激光谐振腔的平行等。
基于光学自准直法测角仪的测量范围一般都很小，通常在几分至几十分之间，测量可靠性和测量精度也不是很理想。
2.利用光学内反射原理进行小角度测量内反射法小角度测量技术就是利用全反射条件下入射光变化时反射率的变化关系，通过反射率的变化来测量入射角的变化的。
内反射法是由P.S.Huang等人提出来的，基本原理如下图左所示。
用该方法制成的测角仪体积可以做得很小，因此特别适用于较小空间中小角度的在线测量，可以做成抽珍式测角仪。
P.S.Huang等人还在此基础上制成了多次反射型临界角角度传感器，用加长的临界角棱镜代替图3的直角棱镜以增加反射次数，如下图右所示。
该仪器结构简单，成本低。
但其测量范围也很小，因此只能用于小角度测量，3弧分范围内分辨力为0．02弧秒。
台湾的Ming Hongchin等人在此原理的基础上，提出了全内反射外差干涉测角方法。
用外差干涉仪测量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角范围扩大到10秒，最佳分辨力可达8×10-5度。
Hong Kong University of Science and Technology 的Wei Dongzhou等人采用差动共光路结构，大大提高了系统的线性，并获得了0.3角秒的最佳分辨力。
3.激光干涉法小角度测量技术激光干涉测角大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理，将角度的变化转换为长度变化来进行测量，如下图左所示经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。
这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。
为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如下图右所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。
为了增强干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。
激光干涉测角仪的测量精度极高、易于实现数字化和智能化。
不过，由于激光干涉测角仪是采用干涉条纹进行测量的，因此对环境的要求极为苛刻，许多外界因素，如周围空气流动、车辆运行等都会对测量结果产生很大影响，而且仪器结构精密、稳定性不好、体积大，因而通常只作为一种测量基准和检测手段，很难用于现场测量。
4.圆光栅测角法圆光栅是角度测量中最常用的器件之一。
作为角度测量基准的光栅可以用平均读数原理来减小由分度误差和安装偏心误差引起的读数误差，因此其准确度高、稳定可靠。
英国国家物理实验室(NPL)的E W Palmer介绍了一台作为角度基准的径向光栅测角仪，如下图左所示，既可用于测角，又可用于标定。
其原理是利用2块32 400线的径向光栅安装在0.5r／s的同一个轴套上，2个读数头一个固定，一个装在转台上连续旋转，信号间的相位差变化与转角成正比。
利用光栅细分原理可测360度范围内的任意角度，附加零伺服机构可以对转台进行实时调整，限制零漂。
用干涉仪作为读数头，可进行高精度测量。
按95％置信度水平确定其系统误差的不确定度为0.05秒。
德国联邦物理研究院(PTB)的Anglica Taubner等人用衍射光栅干涉仪测量转动物体，能够检测角加速度、角速度、转角，检测原理光路如图2所示。
单频He-Ne激光器发出的光经过柯斯特分束棱镜后在出射方向上分为两束平行光。
这样由于气流和温度变化引起的两条光路的变化相等。
经过变形透镜后直射或斜射到随被测件一起转动的反射型衍射光栅上。
该光栅是PTB特制的24013线／mrn正弦相位光栅。
干涉信号由光电探测器接衍射收。
该系统检测正弦信号时测量灵敏度不确定度为0.3%，测旋转物体时相位差不确定度为0.2%。
该系统的主要问题是灵敏度非常复杂。
二、激光任意角度测量技术1.环形激光任意角度测量环形激光是目前转速测量准确度最高的方法。
目前还只是少数国家掌握这种技术，研究最多的国家是德国和前苏联，我国目前正致力于这项技术的研究。
该方法容易实校准，可以在测量过程中确定环形激光器的比例因子，从而大大减小了测量误差；可以实现高速转角测量，动态响应范围宽；可以在测量转速的同时测量转角，还可以测量瞬态转速。
环形激光是转速测量准确度最高的方法，转速测量相对准确度可达到lO-6，在整周角度测量中，环形激光器被认为优于目前任何其它技术。
该方法的缺点是只能实现动态测量，对测量条件要求很高，加工工艺难以保证，成本高，对环境要求严格。
这也是环形激光器没有得到大量应用的最主要原因。
而且其测虽结果还会受到“频率牵引”和地球自转的影响。
环形激光测角的基本原理如下图所示，当被检量具和环形激光器相对于静止的光电自准直仪同步转动时，在瞄准轴与量具棱面法线相重合的瞬间，被测角度转换成由光电自准直仪产生的光电流触发和停止脉冲所需的时间间隔，接口装置在此间隔内对环形激光脉冲读数。
圣彼德堡电子大学和PTB合作研制的精密环形激光测角计，可用于光学多面体和光学编码器的校准、旋转物体的外部角度测量和测角计本身的内部旋转角测量。
该装置在1转／秒的转速范围内，测量准确度达到了0.1秒。
2．用双平面反射镜实现任意角度测量该系统的构造如下图左所示。
系统的核心部分由旋转镜RM、旋转镜悬架SU以及防倾斜装置TP构成。
防倾斜装置TP能够保证在一周的旋转范围内，由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线始终与入射的激光束平行。
当旋转镜悬架SU转动θ角时，旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离，光电元件接收的干涉条纹数发生相应的变化。
该方法存在的主要问题时平面镜的表面形貌和两平面镜的直角误差都会对测量结果产生影响，另外机械导杆的运动平稳度也会使结果产生偏差，需要用算法进行修正。
3.双定值角干涉仪测量任意角度两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角，用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量反射镜就构成定值角干涉仪。
天津大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如上图右所示。
由激光器1初涉的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束，分别进入由长平面镜9和被检多面棱镜12构成的双定值角，经反射后在分光镜8上产生干涉，干涉信号由CCD元件4接收。
这一路光称为多面棱体检定光路，与其对称的右半部分称为双定值角测量－跟踪干涉仪，工作原理与其完全相同。
该系统能在0～360度范围内实现任意角度的高准确度测量，测量不确定度优于0.3秒。
该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证，而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统，结构比较复杂。
3.双频激光楔形平板干涉法任意角测量技术哈尔滨工业大学利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系，设计了一套双频激光楔形平板干涉任意转角测量系统，其基本原理如下图所示。
由双频激光器发出的激光束经过分光镜分为两束，反射光经检偏器1后由光电接收器接收，形成参考信号。
投射的一束光是测量光路，经过偏振偏光镜将偏振方向相互垂直的两路光分开，频率分别为f1和f2，两路光分别经过λ/4波片和楔形平板后由角锥镜反射回偏振分光镜铲射产生干涉信号，经检偏器后由光电接收器2吸收，将光电接收器1、2的信号送入信号处理电路，可得到多普勒频差，该频差值随光程差而变，即随平板移动而变化，因此可以得到楔形平板转角的信息。
系统中光线4次通过楔形平板，采用了差动结构，可以消除楔形平板的平移和摆动误差产生的影响。
该系统可以自动判别转台的转动方向，可测量360度范围内的转角，动态相应范围为4r/s。
但是，系统灵敏度在整个测量方位内不是常数，为了克服这一缺点，使用在空间相互垂直的两套测量光路以消除90度和270度两个死点，这样就使系统的体积非常庞大，结构复杂。
另外，由于使用多个角锥反射镜，使光路装调比较困难，很难在实际中应用。
结论：激光测角法的最大优点是测量精度高、信号均匀性好、信噪比高，小角度测量已经达到了极高的准确度，作适当的改进还可进行整周角度测量。
其缺点是结构复杂，体积庞大，较难在现场使用。
随着激光干涉测量仪器的改进及新型激光光源的诞生和改进，可以得到进一步发展。
参考文献：陶卫、浦昭邦、孙运斌。
角度测量技术的发展。
《激光杂志》2002年第23卷第2期。
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角度测量的光学方法。
《光学技术》2002年3月，第28卷第2期。
周红锋、宫爱玲。
小角度测量的光学方法。
《云南民族大学学报（自然科学版）》2006年4月，第15卷第2期。
李金阳、吴简彤、韩慧群。
小角度测量的光学方法及应用。
《应用科技》2006年7月，第33卷第7期。