双频激光干涉仪的应用(8页).doc

-双频激光干涉仪的应用(2010-03-01 21:55:22) 标签： 【摘要】：随着20世纪60年代初激光的出现，几何量计量技术的发展步入了崭新的时期。双频激光干涉仪正是利用激光具有频率稳定、单色性好等优点，在几何量计量领域发挥着越来越重要的作用。双频激光干涉仪具有精度高、应用范围广、环境适应能力强、实时动态测速高等一系列无可比拟的优势，成为几何量计量活动的生力军。相比于激光干涉仪，现代双频激光干涉仪摆脱了计量室的束缚，在越来越广阔的工程测量领域大显身手。因此，双频激光干涉的发明对计量事业的发展乃至整个科学事业的发展有着举足轻重的作用。本文根据双频激光干涉仪应用领域的最新发展，对双频激光干涉仪的应用进行了简要的总结。【关键词】激光干涉仪 测量 几何量【引言】双频激光干涉仪的发明把几何量计量发展推向了又一个高峰，双频激光干涉仪是目前精度最高、量程最大的长度计量仪器，以其良好的性能、在很多场合，特别是在大长度与大位移的精密测量中得到广泛应用。就长度计量而言，通常将200m以上的测量称为距离测量（Distance Measurement），3m以下的称为一般长度测量，3200m之间的测量称为大尺寸测量(Large Dimension Measurement)1。双频激光干涉仪在一般长度精密测量中多有使用。双频激光干涉仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等，也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定，既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。不仅在单纯的长度计量领域，在其他工程技术领域，双频激光干涉仪的应用也越来越广泛，不乏一些很有创见的应用。关于双频激光干涉仪在解决某个工程测量问题的研究已经有非常多的成功案例，以双频激光干涉仪为关键词的学术论文不胜枚举，对双频激光干涉仪的应用，国内外很多学者常常有很独到的理解。双频激光干涉仪的应用也不断发展更新，所以，有必要对它的应用做一些有益的总结，使人们更好的理解双频激光干涉仪的应用，为推动生产发展提供一些理论依据。1，双频激光干涉仪的基本原理1.1    干涉仪原理He-Ne激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等2。激光干涉仪分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪，它们主要运用了光波干涉的原理。在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构3。根据物理光学迈克尔逊双光束干涉仪测长公式为 式中：L被测长度；     波长；      K干涉条纹数。可将（1）式改写为： 式中： 激光在真空中的波长；        折射率。如图1所示，光源S发出的光经分光镜G1分成两束，一束透过分光镜入射到测量反光镜M2后返回，另一束反射后透过补偿镜G2再入射到参考反射镜M1后返回，两束光在分光镜相遇发生干涉，干涉仪处于起始位置，其初始光程差为2（Lm-Lc）/ ，对应的干涉条纹为： 式中： 测量光路长度；       参考光路长度。 图1，干涉仪光路图    当反射镜M2移动到M2时，设被测长度为d，那么 于是可以写成：K=K2+K1，K1为初始位置时的干涉条纹数，K2为测量条纹数。在实际测量中，通常取K1=0，对应测量长度d计数器得到的条纹数K=K2。1.2    双频激光干涉仪原理双频激光干涉仪的原理是建立在塞曼效应、牵引效应和多普勒效应的基础之上的。其原理如图2所示，在全内腔He-Ne激光器上加约0.03T的轴向磁场，由于塞曼效应和牵引效应，发出一束含有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，它们的频率差大约是1.5MHz左右。这束光经1/4波片之后成为两个互相垂直的线偏振光，再经平行光管准直和扩束。从平行光管出来的这束光经过析光镜反射出一小部分作为参考光束通过45°放置的检偏器。并由马吕斯定律可知，两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影，形成新的线偏振光并产生拍频。这个拍频频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f1-f2），约为1.5MHz。经光电元件接受进入前置放大器和计算机。另一部分透过析光镜沿院方向射向偏振分光棱镜。互相垂直的线偏振光f1和f2被分开。f2射向参考立体直角锥棱镜后返回，f1透过偏振分光棱镜到立体直角锥棱镜测量棱镜，这时如果它以速度v运动，那么f1的返回光便有了变化成为（f1±f）。这束光返回后重新通过偏振分光棱镜并与f2的返回光会合，然后到45°放置的检偏器上产生拍频被光电元件接收，进入前置放大器和计算机。计算机对两路信号进行比较，计算它们之间的差值±f（即多普勒频差）。进而可以根据立体直角棱镜移动度数和时间求得被测长度。双频激光干涉仪中，双频起到了调频的作用，被测信号只是叠加在这一调频副载波上，这副载波与被测信号一起均被接收并转换成电信号4。 图2，双频激光干涉仪原理图2，双频激光干涉仪在大尺寸测量中的应用双频激光干涉仪是精度最高、可靠性非常好的仪器，是高精度大尺寸测量中优先考虑的测量手段5。本文例举了两个利用双频激光干涉仪测量大尺寸的方法。2.1 双频激光干涉仪测量大尺寸轴径双频激光干涉仪是一种增量式测长仪6。在时间t内，被测长度对应的多普勒频差为计数器记得的脉冲数K。计数器计脉冲数时，需要有信号控制计数器开始计数和停止计数，此信号由准直系统提供7。当准直系统对准被测轴径的测量起点时，发出一个开始计数信号；当准直系统对准被测的测量终点时，发出一个停止计数信号，计数器停止计数。所以准直系统对准的精度直接影响测量系统准确度8。激光准直的工作原理为，由氦氖激光器发射出激光，经过前端望远镜系统后，发射是出一束激光束作为系统准直的基准，光电目标靶为准直系统的接收装置，常用的是硅光电探测器，结构原理如图3所示。 图3，4象限硅光电探测器被测工件直径D与L，L0的几何关系如图4所示。 图4，被测工件直径D与L，L0的几何关系双频激光干涉仪直接测得两个4象限光电池中心之间的距离L，它与磁性定位块两定位端之间的距离L0存在如下几何关系： 式中，c为两个定位块合在一起时两个4象限光电池中心之间的距离是常数，可用双频激光干涉仪直接测量出其大小。由图3可得被测工件内外径的计算公式为 式中，s为定位块的槽宽，是一个结构常数，将式（5）代入式（6）得 因此，通过双频激光干涉仪测量出位于被测直径两端点处的两个4象限光电池中心之间的距离L，就可按式（7）得到被测直径D的大小。用这种方法测量大尺寸轴径，系统误差小于6×10-6m，可测量的范围为500mm至1000mm左右。2.2 双频激光干涉仪无导轨大尺寸精密测量       利用双纵模He-Ne激光进行大尺寸精密测量，就是以其拍波波长作为基本测量单位，采用“小数重合法”的原理来进行的9。其原理如图5所示。 图5，测量原理图       图中所示的激光器发射出一束包含两个频率不同、偏振方向互相垂直的正交先偏振光，它们的频差在650700MHz之间，即拍波波长在450500mm之间。该光束通过普通分光镜时被分成两束，其中透射光进入测量光路，而反射光进入参考光路。假设测量光路为Lm，而参考光路为Lr，则经过测量和参考光路的两光束分别为   参考光路：    测量光路：    式中，Er为参考信号，Em为测量信号。令V=V2-V1， （V被称为拍波频率，被称为拍波波长）。当这两路信号进行相位比较检测后可得    式中，L=Lr-Lm。由此，只要测出相位差，就可以测出测量光路相对于参考光路的长度差。用这个方法测量大尺寸，其测量精度不低于±（50+1.5×10-6L）m。3，双频激光干涉仪在量块检定中的应用       根据双频激光干涉仪的测距原理，在传统测长机上加装激光测量系统，可以将这些仪器的精度检测能力提高一个台阶，并用于量块检定10。用双频激光干涉仪检定量块，依然是运用干涉测量原理。3.1 单光路激光系统量块检定       如图6所示安装测量装置，此法简单直接，用一套激光干涉仪即可实现。 图6，单光路激光检定量块实验装置图       具体检定步骤如下：       1，将测长机顶针碰触，置于起始位置，此时将激光读数清零；       2，将顶针移开，放入量块并固定住；       3，调节微调装置，得到一个最大的激光读数即为量块检定值。       需要注意的有，由于普通测长机的结构所限，在使用上述方法时，一定要尽可能保证激光光路与测长机顶针在同一轴线上。由于激光光路跟被检测物体并非在同一位置，检测较长的量块时会带来额外误差，因此，上述方法仅仅适用于检定小型量块。3.2 双光路激光系统量块检定       如图7所示安装测量装置，该方法可以很好修正阿贝误差，并且可以将滑动座的阜阳或扭摆误差最小化。 图7 双光路激光系统量块检定装置图       其检定步骤如下：1，将滑动座测头移动到端面，置于起始位置，此时激光读数清零；2，将顶针移开，放入量块并固定住；3，直接记录激光软件读数。由于光路是对称分布在测量回路的两侧，激光系统记录的是光路L1和L2的长度之和，此时量块检定值为（L1+L2）/2，利用此法，可以检定长达一米以上的大量块，精度可以优于1m/m。4，双频激光干涉仪在数控车床检定中的应用       双频激光干涉仪与不同光学附件结合,可以测量距离、直线度、垂直度、平行度、平面度。由于仪器为模块化结构,安装位置灵活,便于分析机床误差来源;而且测量时可以在工作部件运动过程中自动采集数据,更接近机床的实际使用状态。与传统的检定方法相比,激光干涉仪具有较高的精度和效率,并能及时处理数据,为机床误差修正提供依据。因此,用双频激光干涉仪检测机床各项误差是一种用传统测量手段难以实现的的技术。位置精度是机床的重要指标,目前世界各国机床检定标准中都推荐使用激光干涉仪进行该项精度的检定11。用双频激光干涉仪检定位置精度使用长度干涉仪和测量反射镜,测量时将长度干涉仪置于不动位置,反射器安装在运动部件上(也可相反) 。双频激光干涉仪在数控机床检定上的应用，即是对其各项形位误差的检定，在此不予赘述。5，双频激光干涉仪在形位误差测量上的应用       双频激光干涉仪在形位误差检定中有着非常重要的应用，本文以直线度误差测量和角度误差测量为例说明双频激光干涉仪的强大功能。5.1 双频激光干涉测角       将图2双频激光干涉仪光路系统中的偏振分光镜、参考镜和测量镜，分别换成双膜块组合角锥反射棱镜和角锥反射棱镜，就可以构成双频激光干涉测角仪。其测量原理为：当具有偏振方向垂直，且频率分别为f1和f2的偏振光入射到偏振分光镜后，其中垂直偏振光f2被反射，经棱镜再反射到达角锥反射棱镜，由角锥反射棱镜反射后回到偏振分光棱镜，而水平偏振光f1透过偏振分光镜后到达角锥反射棱镜，由角锥反射棱镜反射后回到分光镜，两光束在偏振分光棱镜重新会合形成拍频，经检偏器后由光电接收器接收。当双角锥棱镜组在移动过程中没有发生摆动时，两束光的多普勒频差不变，拍频不变。如果，移动过程中双角锥棱镜组发生摆动，则相当于两个角锥棱镜的移动不一致，出现距离差。根据线度角度的几何关系，可以测出摆角的大小。由上述原理构成的SJD型双频激光干涉仪用于测量角度时，其分度值为0.1，当测量范围为±100时，测量精度为0.512。5.2 双频激光干涉仪测直线度误差       双频激光干涉仪与光学附件双面反射镜、沃拉斯顿棱镜等配合，可以构成直线度测量系统，由于此法已经在工程测量中广泛应用，且原理与测角系统基本类似，本文不予赘述。【结论】双频激光干涉仪以其高精度高稳定性和环境适应能力强等诸多优势，已经在工程测量领域处于不可替代的重要作用。它可以实现对大尺寸的精密计量，可以对各类计量器和机械加工器械进行精密检定。在形位误差检定方面，双频激光干涉同样具有极其重要的作用。随着工程应用研究不断发展，相信双频激光干涉仪将在越来越多的领域发挥应有的作用。【参考文献】1 周肇飞，He-Ne激光器的双纵模热稳频系统J.仪器仪表学报，1988，9（4）：3743802 李庆祥、王东生等，现代精密仪器设计.北京：清华大学出版社，20043 冯其波，光学测量技术与应用.北京：清华大学出版社，20084 杨国光，近代光学测试技术.杭州：浙江大学出版社，19975 孙佳、张镭，大直径工件的测量方法J.机械与电子，2006（3）：13156 刘君、穆海华等，激光干涉测量中的误差分析与补偿J.机床与液压，2009，NO.9：1811847 樊凤杰、孟宗，基于双频激光干涉原理的大尺寸直径测量的研究J.计量技术，2008，NO.2，测量与设备：37398 方仲彦、殷纯永等，高精度激光准直技术的研究J.航空计测技术，1997，17（2）：149 喻洪平、吴斌等，基于He-Ne双频激光干涉的大尺寸精密检测技术J.工具技术，2009年第43卷No.6：11912010 周波，探讨双频激光在量块检定上的应用J.电子科学11 余翔，激光干涉仪在数控车床检定中的应用J.工具技术，2006年第4卷，No.5：7412 余桂英、郑颖君，精密计量与测试技术.杭州：中国计量学院出版社，2008-第 8 页-