对激光测距机三轴平行稳定性问题的探讨
对激光测距机三轴平行稳定性问题的探讨
作者:涂志光
激光测距仪机和常用的光学仪器一样, 对光轴的平行性要求很高, 特别是作为军用器材不但要求其性能在常温下正常, 而且在振动、高温、低温条件下其性能同样正常。激光测距机一般都有三根光哄, 即激光发射光轴, 激光接收光轴和瞄准光轴。军用的激光测距机瞄准系统习惯采用双目望远镜, 因此也就成了四条光轴的平行。但其性质与三轴平行相同, 所以我们还是称之为三轴平行。保证三轴平行的稳定性, 这是生产和使用部门迫切要求解决的问题之一。自生产测距机多年以来, 三轴的稳定性一直较差, 尤其是产品经高温℃ 试验后, 三轴产生严重位移, 这给生产和使用带来很大的影响。对此我们进行了较长时间的攻关, 基本上摸清了变化的原因, 并采取了相应的措施, 现已得到了解决。
一、三轴平行性的作用及其要求
三轴平行的目的是为了保证仪器在使用时能正常的瞄准和测距。使用时将瞄准轴分划板十字线的中央对向目标, 然后发射激光, 其回波经接收系统显示距离。如果三轴不平行, 测距时容易错数, 目标的角分辨率也无法保证。瞄准镜的双目平行要求是使观察时不产生双像, 使人感觉舒适。双目平行差和一般光学仪器相同垂直发散土15‘ , 水平发散60‘ ,水平会聚20’ , 因公差范围较宽, 一般也容易保证。瞄准光轴带分划板与激光发射光轴的平行性要求较严, 规定其偏移量不大于0.3密位约1.08‘ 。发射光轴与接收光轴的平行性一般不规定指标, 因整机产品无法检验, 只能在装调时严格保证, 最后以确保测距性能为好。
校正时一般是以激光发射光轴为基准, 然后保证瞄准轴、接收光轴与其平行也有以瞄准轴为基准进行校正的。瞄准轴与发射光轴的平行性是用反光镜打激光斑点的方法进行校正和检验, 激光经反光镜聚焦后在相纸上烧焦的斑点通过瞄准镜观察, 要求位于分划板十字线的中央, 允许其偏移量不大于0.3密位。
断时要求斑点中心偏十字线中心不大于0.6毫米.
三轴平行过严, 主要是对产品生产带来困难, 要求过松要影响其性能。目前国内外的产品其公差值基本上都定为0.3密位。
三轴不平行对测程的影响是很明显的对独立目标测距, 在同样的发射功率和外界条件下, 由于三轴偏移其测程要相应的减小。
如果三轴偏移0.5密位, 在一般能见度条件下, 测程将由7千米降为5.6千米。因此, 要求三轴的平行性是激光测距机的主要指标之一。
二、三轴位移的原因分析
军用激光测距机要求使用的环境温度为十50℃一一40℃ (国外一些产品低温为一20℃一30℃ , 产品出厂前要严格进行五项试验。现以某一产品为例进行分析。从统计的数字来看, 产品经振动试验后三轴位置是稳定的, 这也说明固定是牢靠的。但经高、低温试验后,三轴位置有较严重的位移, 绝大多数的三轴位移发生在高温条件下, 也有个别的在低温条件下发生位移。
1.激光发射光轴的变化
激光器是采用马达调Q形式,发射光轴变化的原因之一是器件的装配应力所致。产品经高、低温试验后要消除部分应力,使系统的相对位置产生偏转,其中对光轴影响最大的是介质膜片的偏转。
大部分产品介质膜片的偏转量小于1’,所以它对光轴位移的影响也较小。但也有部分产品变化较大,激光斑点变大,变为多斑点。这是由于装配应力大小不一,当应力发生变化时,使谐振腔内的平行性破坏所致。
发射光轴的另一变化原因,是激光输出能量的不稳定性。这是由于电子元件经高、低温后有个别参数的变化,造成出光延时时间的微小变化,使激光输出能量有所波动,这旺旺要使激光斑点的形状发生变化,有时要导致三轴偏移。这是激光测距机普遍存在的问题,如从国外引进的手持式激光测距机, 激光输出能量的波动范围为一毫焦。国内产品的能量波动范围更大, 也是我们目前难以克服的问题。从试验得到的数据来看, 这使三轴的位移量一般是在0.1-0.2密位内变化, 只有个别的变化较大。
瞄准光轴的变化
瞄准光轴的变化是十分严重的, 瞄准系统有990%左右经高温试验后瞄准光轴偏移。造成瞄准轴偏移的原因仍是装配应力所致。 别汉棱镜的固定是比较困难的。物镜及目镜均是装在镜筒内加压圈固紧, 这样产生的应力也较小, 稳定性也比较好。棱镜只能采用压板加螺钉的方式固定, 同时又因仪器受重量限制及避免磁针的影响, 挡板和压板用铝材制造, 厚度在3毫米以内。所以在装配时虽然十分小心, 但仍然很容易产生较大的应力。经高、低温试验后消除了部分应力, 使棱镜产生偏转或移动。
当棱镜垂直光轴下移或上升时, 光轴也下降和上升。当棱镜偏转时, 光轴也同样偏转。有的瞄准系统中加有斜方棱镜, 其影响与此相似, 但它垂直光轴移动时不影响出射光轴的变化。
而且别汉棱镜的移动量一般远大于0.05毫米, 所以它对光轴的影响是最大的。
在该机的接收系统中, 因未加视场光栏, 接收元件采用硅光电二极管, 接收视场较大, 光轴的微量变化不影响测距性能。
对于加有视场光栏的接收系统, 其光轴平行要严格保证。接收系统都装在同一镜筒内,在结构上也容易保证。只要装凋正确, 稳定性是比较好的。
三、采取的措施及其效果
从分析激光发射光轴、瞄准光轴位移的原因, 得出的结论主要是由于应力的产生和消除造成的。根据金属材料的时效理论, 应力的消除主要是靠高温时效处理。产品的结构主要是铝合金材料制作, 按铝合金时效理论的要求:去应力时效温度为90℃±10℃,保温时间2-4小时,时效速度与时效温度有密切关系,升高温度可使时效速度加快,但温度愈高,所获得的最大强度亦愈低。当时效温度超过150℃,保温一定时间后,合金即开始软化,温度再升高,软化速度也愈快。在室温以下, 时效进行得非常缓慢, 在一50℃以下的温度中, 虽然长时间时效, 各种性质亦无明显的变化。降低温度是抑制时效的有效办法。这也就说明了三轴位移为什么主要产生在高温试验时的原因。
为此, 对整机产品的装配前后作如下处理:
1.经机加工后的砂铸件要作时效处理, 消除加工应力, 这可与表面处理涂漆烘干时结合进行。
2.激光器件、望远系统的金工零件在装配前要作时效处理, 消除加工应力。时效温度为120℃, 保温2小时后空气冷却, 这与零件清洗后烘干时结合进行。
3.激光器件装调好后, 要消除装配应力, 时效温度为60℃ -65℃, 保温2-3小时, 冷却至室温时, 要求激光斑点正常方能用于整机装配。
4.整机产品装调后, 要消除装配应力, 为保证整机性能不受影响, 可采取电子元件和材辅料所允许的条件下进行。电子元件的例行试验温度均在+70℃以上, 内密封辅料如7105、7108也能经受+70℃的高温。所以控制时效温度在60℃一65℃之间, 保温一小时,等冷却至室温时重调三轴平行。调整方法是以激光发射轴为基准轴, 调整瞄准物镜的偏正框, 使瞄准光轴与之平行。采取以上的解决措施之后。近一年来产品的三轴平行稳定性明显提高, 产品经五项试验后, 三轴平行这一项目的一次合格率达90%左右。这一结果表明采取的措施是有效的。
解决激光能量输出的稳定性, 可进一步保证三袖的平行性, 但这一问题有待于多方继续努力克服。
通过以上的论述, 提出了一个不产生加工应力的问题, 这有待于设计和工艺方面今后设法解决。解决这一问题以后, 三轴平行性的精度还可以得到提高。
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