三维触发式坐标测量机测头误差分析与性能实验

　　引言

　　测头是坐标测量机的关键部件，其精度影响着测量机的整体测量精度。触发式测头是应用最早、也最为广泛的测[1 ～2]。它具有精度高、价格低的优点，能实现所有的离散点测量要求，是大多数测量机的标准配置，也是绝大多数测量机用户的首选[3]。早期的电触式开关测头存在较大的预行程变化量误差，为进一步提高测头触发精度和灵敏度，人们进行了新型触测原理测头的研究，如近年来出现的基于压电或应变传感器的触发式测头[4 ～7]。光纤 布 拉 格 光 栅 ( fiber Bragg grating，简 称FBG) 是均匀短周期光纤光栅，其布拉格谐振波长对微应变极其敏感。随着光纤光栅的写入技术、信号解调技术和封装技术日趋成熟，使得 FBG 在传感领域得到了越来越多的应用，如将 FBG 作为应变敏感元件监测大型建筑结构如桥梁、大坝的健康状况[8]。本文主要阐述基于光纤光栅的触发式测头传感系统的原理并进行误差源分析。

　　1 测头传感系统与测头控制箱设计

　　用 ASE 宽带光源、7 MHz 高灵敏度 PIN 光电探测器、光分路器，以及 NI 的 PCI6259 高速数据采集卡和 LabVIEW 软件搭建测头的传感系统，并设计了测头控制箱，如图 1 所示。通过对测头传感信号处理，实现了如下功能:①对测头的每一路光信号采样和转换后，把结果送到 LabVIEW 界面上，动态显示每个 FBG 的应变情况。②将模拟电路送来的测头信号加以分析处理，判断是否触发，并给坐标测量机控制系统提供触发信号，记录当前时刻测端球心的坐标值。

　　2 LabVIEW 程序设计

　　LabVIEW 是图形化的编程语言，集成了与数据采集卡通讯的功能，并被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[9]。在本测头系统中用虚拟仪器软件 LabVIEW 编写的程序功能是实现探测器输出端电压信号实时采集，根据设定的触发电压阈值给出触发信号。

　　采集系统主要包括: 数据采集、频谱分析、幅值和电平测量( 均值) ，电压比较、发讯、数据保存。该程序的特点是: 调用 LabVIEW 自带的 VI，通过简单的连线和添加逻辑判断，就可以实现以上功能，编程简单，操作方便。

　　LabVIEW 程序的实施步骤如下: ①设置相关参数，包括: 采样通道、采样数量、采样速率、采样电压范围等。②开始采集信号，首先读取采样点，计算均值，送入暂存器; 其次，计算下一组均值与之比较。③若差值超过设定的阈值，即输入光电探测器的光能量有显著变化，测头系统通过数采卡的输出端口给出触发信号。图 2 为 LabVIEW 解调程序流程图。

　　3 测头误差分析