激光干涉儀原理與應(yīng)用研究

摘 要：激光干涉儀已成為精密機(jī)床線性測(cè)量與補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)，本文以雷尼紹ML10激光干涉儀線性測(cè)量為例，從激光干涉儀測(cè)量原理分析入手，得出測(cè)量距離與波長(zhǎng)和脈沖數(shù)之間的關(guān)系。敘述了環(huán)境因素對(duì)測(cè)量因素的影響，針對(duì)具體線性測(cè)量指出其定位精度和重復(fù)定位精度計(jì)算公式。并指出了在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：激光干涉儀；線性測(cè)量；波長(zhǎng)；補(bǔ)償；定位精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.006

激光干涉儀是以激光波長(zhǎng)為長(zhǎng)度計(jì)量基準(zhǔn)的高精度測(cè)量?jī)x器，隨著雙頻激光干涉儀的出現(xiàn)，因其具有性能穩(wěn)定、檢測(cè)精度高及數(shù)據(jù)可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為高精密機(jī)械生產(chǎn)中校準(zhǔn)及補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)儀器，在機(jī)械制造、金屬切削加工及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。本文針對(duì)激光干涉儀檢測(cè)實(shí)例，從測(cè)量原理及環(huán)境因素入手，對(duì)其精度測(cè)量及補(bǔ)償原理進(jìn)行深入研究，針對(duì)線性測(cè)量中定位精度和重復(fù)定位精度數(shù)據(jù)的求解進(jìn)行了說(shuō)明。具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 測(cè)量原理

激光干涉儀有單頻和雙頻之分，單頻激光干涉儀受環(huán)境因素影響較大，一般用于特定環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室。雙頻激光干涉儀出現(xiàn)于20世紀(jì)七十年代，其應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移，位移信息載于和的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各種工況下。其工作原理如下圖1所示：

檢測(cè)時(shí)，角錐反射鏡1與分光鏡同時(shí)固定在床身上，角錐反射鏡2相對(duì)于分光鏡移動(dòng)，激光源發(fā)出單一頻率的激光光束，經(jīng)分光鏡分成兩束光，分別經(jīng)角錐反射鏡反射回分光鏡中，在探測(cè)器中形成光束干涉。當(dāng)光程差發(fā)生變化時(shí)，探測(cè)器就能觀察到相長(zhǎng)和相消干涉兩端之間的信號(hào)變化，即可獲得兩光程差的變化，獲得測(cè)量的長(zhǎng)度[3-5]。

激光干涉儀模塊中有環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)，作用是采集測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的濕度、溫度和大氣壓力，用于調(diào)節(jié)激光光束的波長(zhǎng)，環(huán)境補(bǔ)償系統(tǒng)界面如下圖2所示，圖中第一行表示傳感器采集測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)，用于對(duì)激光干涉儀中激光光束波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)；第二行為物體膨脹效應(yīng)補(bǔ)償系數(shù)，人工輸入數(shù)據(jù)，由機(jī)床實(shí)際材質(zhì)決定；第三行為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度值，將當(dāng)前測(cè)量數(shù)值等效為標(biāo)準(zhǔn)溫度參數(shù)時(shí)的等效波長(zhǎng)。標(biāo)準(zhǔn)溫度一般設(shè)定為20℃。表示將當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)等效為標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下的誤差。

2 測(cè)試實(shí)例

3 結(jié)論

對(duì)雷尼紹激光干涉儀線性測(cè)量及補(bǔ)償原理進(jìn)行了詳細(xì)探討，得出了測(cè)量距離與脈沖和波長(zhǎng)數(shù)之間的關(guān)系，指出了測(cè)量過(guò)程中定位和重復(fù)定位的計(jì)算方法。激光干涉儀在線性測(cè)量過(guò)程中影響測(cè)量精度的因素非常多，為了獲得滿意的精度，在線性測(cè)量與補(bǔ)償時(shí)盡量將鏡頭組固定在與讀數(shù)頭同位置處，以實(shí)現(xiàn)精度測(cè)量及補(bǔ)償數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

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基金項(xiàng)目：陜西省軍民融合基金研究項(xiàng)目（16JMR04）；渭南師范學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目（17YKF05）

作者簡(jiǎn)介：賈平平（1980-），男，湖北洪湖人，博士，講師，主要研究方向：數(shù)控技術(shù)及儀器測(cè)量技術(shù)。