[发明专利]基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法

说明书

本发明公开了基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法，包括：通过激光光源模块获得激光信号，将所述激光信号传输至一体化传感模块，基于所述一体化传感模块产生波前干涉信号；将所述波前干涉信号输入信号处理模块进行高精度解耦运算，获得水平倾角测量结果。本发明完全基于激光干涉测量原理，测量分辨力高，且测量结果可直接溯源至激光波长，仅用单束测量光即可实现高精度双轴倾角测量，同时具有结构简单、光路简洁、易集成、利于工程实现、性价比高等优势，满足了高端装备对超精密水平仪的需求。

技术领域

本发明属于水平仪技术领域，特别是涉及一种基于波前零差干涉的高精度双轴激光水平仪及测量方法。

背景技术

精密水平仪是精密工程领域中的重要测量工具，可以实现相对于绝对水平面的精密角度测量，从而使得高端装备的调平以及平面度和直线度的精密测量成为可能，在以超精密机床和大科学装置为代表的高端装备制造领域、精密计量领域和前沿科学领域都有重要应用。目前，水平仪的主要技术路线可以分为水准式、电感式、电容式和光电式等。

水准式水平仪主要通过判断液体中气泡的位置来测量自身相对于水平面的倾斜角。由于液体受重力向下移动，液体中的气泡总是相应地向上移动，并停留在最高位置，利用这一原理即可测量水平倾角。但传统的水准式水平仪分度值一般仅能达到0.02～0.05mm/m(约4″～10″)，且只能由人眼读数，导致其测量精度较低。为此，借助阵列式探测器代替人眼判断气泡位置可以在一定程度上改善上述问题。例如，中国专利公布号CN113902894A，公布日2022年1月7日，发明《一种基于图像处理的条式水平仪自动读数识别方法》，公布了基于计算机视觉的新方法；再如，2001年传感技术学报第3期发表文章《一种新型数字式水平仪:原理与实现》，介绍了一种利用CCD来获取气泡位置的方法。但是受限于基于气泡位置的测量原理，该类方法仍然难以实现高精度测量，不能满足精密机床等高端装备的测量需求。

电感式水平仪原理是当水平角发生变化，中间摆锤的相对移动会引起两边感应线圈的电压变化，从而计算角度信息。例如，英国Talyvel6电子水平仪就是采用该原理的商用产品，其测量范围为±800″，满量程精度为±8″，中心区域分辨率为0.1″。但该类水平仪机械闭环控制结构复杂，需要电磁屏蔽，并且电感的加工和安装误差难以校正，导致该类仪器的测量结果不具备溯源性。

电容式水平仪在市场上应用广泛，其原理是利用水平角发生变化造成电容间隙及极板介质等变化产生不等电容,再由电容变化获得角度信息。例如，中国专利公布号CN107677249A，公布日2018年2月9日，发明《一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法》公布了一种电容传感器与摆锤相结合来获取倾角的系统。再如，瑞士Dantsin公司新型BlueLEVEL蓝牙电容式电子水平仪也是利用该原理的商用产品，其在±20mm/m(约±4000″)测量范围内分辨力最小达1μm/m(约0.2″)，稳定时间约3s。但是电容式传感器线性度较差，加工误差也会直接导致较大的测量误差，测量精度依赖于仪器的校准，测量结果不具备溯源性，且对密封技术要求严格。