隨著航空航天、重型機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、船舶工業(yè)的發(fā)展，對(duì)大尺寸測量的要求越來越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸達(dá)到十幾米甚至幾十米，精度要求達(dá)到IT7以上。如何測量這些零部件長期以來一直是困擾計(jì)量工作者的技術(shù)難題。目前實(shí)際應(yīng)用的測量手段仍以外徑千分尺、內(nèi)徑測桿等傳統(tǒng)測量工具為主，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。清華大學(xué)曾研制出一套很好的對(duì)準(zhǔn)方法，與激光干涉儀相結(jié)合，用于測量大尺寸可達(dá)到很高的精度，但該方法必須使用高精度導(dǎo)向?qū)к?，限制了在生產(chǎn)、安裝現(xiàn)場的使用。因此，開發(fā)高精度、無導(dǎo)軌大尺寸測量技術(shù)，一直是長度計(jì)量領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

激光技術(shù)的快速發(fā)展為大尺寸精密測量開拓了嶄新的領(lǐng)域。近二十年來，出現(xiàn)了多種無導(dǎo)軌大尺寸測量方法，其中，受到廣泛關(guān)注的無導(dǎo)軌激光干涉儀是近年來發(fā)展很快的一種先進(jìn)測量方法。

小數(shù)重合法是無導(dǎo)軌激光干涉儀的基礎(chǔ)。它是一種測量和數(shù)據(jù)處理方法，常用于量塊檢定中。通俗地說，這種測量方法就像用不同長度的幾把“尺子”去量同一個(gè)物體，只要得到各次測量值的尾數(shù)，即可導(dǎo)出物體的實(shí)際長度，它并不關(guān)心測量的實(shí)際過程。

激光干涉儀是以波長為基本計(jì)量單位的，多波長激光器的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)不同長度“尺子”的基礎(chǔ)。激光器可以穩(wěn)定地輸出多種波長的激光，利用光學(xué)拍波技術(shù)，可以將這些單波長合成為一組波長相近、間隔均勻的“合成波長鏈”?！昂铣刹ㄩL鏈”是一個(gè)塔形結(jié)構(gòu)，塔頂是最高一級(jí)合成波，其波長最長，塔底則是單波長。測量時(shí)，干涉儀以不同波長的激光工作，從最高級(jí)（最長波）開始，逐級(jí)下降，直至單波長。激光干涉儀的測量結(jié)果是在各種波長干涉下的一組剩余相位，以此可推導(dǎo)出總測量長度，由于每次的測量值都是剩余相位，與測量過程無關(guān)，因此不需要導(dǎo)向?qū)к墶?br />
選擇合適的“合成波長鏈”是無導(dǎo)軌激光干涉儀的關(guān)鍵。長波干涉保證了測量值的唯一性，而測量精度則取決于短波干涉。為了簡化測量過程，還有一種只使用一個(gè)合成波的方法，如采用幾百毫米的合成波，借助于普通測量工具（如卷尺）測出大致的合成波周期數(shù)，剩余相位由干涉儀測出，這種方法只需一次測量即可完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也非常簡練，但由于所使用的波長較長，在測量精度上必然有所損失。

各國學(xué)者對(duì)無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)進(jìn)行了大量研究，研制開發(fā)了各種激光干涉儀，歸納如下：

（1）CO2激光干涉儀

CO2激光器是一種非常適合無導(dǎo)軌激光測量的光源，它在10.6μm波段具有豐富的譜線，相鄰譜線的波長差分布也比較均勻，構(gòu)成的“合成波長鏈”的波長可從10.6μm到25m，因此，CO2激光干涉儀一直是無導(dǎo)軌激光干涉儀的研究重點(diǎn)。從1979年開始，由直流干涉系統(tǒng)到各種形式的光外差系統(tǒng)，CO2激光干涉儀歷經(jīng)多次改進(jìn)，其中一種典型方案是上世紀(jì)九十年代澳大利亞研制的外差干涉儀，它通過激光器的腔長控制，順序輸出6種波長，用聲光調(diào)制器的零級(jí)衍射作為本振光，構(gòu)成外差系統(tǒng)，測量精度可達(dá)4×10-8。

（2）Ne-Xe激光干涉儀

Ne-Xe激光器可以輸出3.53μm和3.37μm兩個(gè)波長，合成波長為84.2μm。從“合成波長鏈”的角度考慮，波長過短難以保證測量結(jié)果的唯一性，為此，系統(tǒng)加入了He-Ne激光器的3.39μm譜線，將“合成波長鏈”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉儀的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，測量精度可達(dá)1.8×10-7。

（3）He-Ne激光干涉儀

中國計(jì)量科學(xué)研究院研制的縱向塞曼He-Ne激光干涉儀，與成都工具研究所開發(fā)的雙頻激光干涉儀不同，其穩(wěn)頻點(diǎn)選在兩條激光增益曲線之間，產(chǎn)生一對(duì)頻差為1080MHz的左、右旋偏振光（這兩個(gè)偏振光不在同一增益曲線上），合成波長為278mm。利用光柵測量干涉的剩余相位。系統(tǒng)測量長度可達(dá)100m，測量精度為±（40+1.5×10-6）。

He-Ne激光器在3.39μm處譜線豐富，但其中3.3922μm譜線的自發(fā)輻射系數(shù)比其它譜線大很多，抑制了其它譜線的發(fā)射。清華大學(xué)利用甲烷在3.3922μm附近的一條吸收譜線，抑制了He-Ne激光這條譜線的強(qiáng)度，成功研制出了3.39μm波段雙波長激光干涉儀，其“合成波長鏈”從3.39μm到1m，單波穩(wěn)定性為1×10-8。

（4）變波長激光干涉儀

變波長激光干涉儀采用兩個(gè)激光器，利用諧振腔長與輸出頻率的關(guān)系，構(gòu)成“無級(jí)”的波長系列，在理想的環(huán)境下，13m長度范圍的測量精度為70μm。

（5）線性調(diào)頻半導(dǎo)體激光干涉儀

近年來，半導(dǎo)體激光器線性調(diào)頻技術(shù)的發(fā)展，為無導(dǎo)軌激光干涉儀提供了一個(gè)理想的光源，成為無導(dǎo)軌激光干涉技術(shù)研究的熱點(diǎn)。1995年，德國采用了外腔可調(diào)諧式半導(dǎo)體激光器，其外腔由全息光柵組成，通過改變光柵的角度進(jìn)行頻率選擇，相干長度可達(dá)100m，40m長度范圍的分辨率可達(dá)40μm。

無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)的發(fā)展僅有二十多年的歷史，由于它在大尺寸測量中具有無可替代的重要性，因此各國學(xué)者傾注了大量精力進(jìn)行研究開發(fā)，目前這項(xiàng)技術(shù)逐步走向?qū)嵱没A段。隨著科技的發(fā)展，相信在不久的將來，無導(dǎo)軌激光干涉儀技術(shù)必將成為大尺寸測量領(lǐng)域中的一朵艷麗的奇葩。 激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量工具。激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的,最初用于檢定基準(zhǔn)線紋尺,后又用于在計(jì)量室中精密測長。雙頻激光干涉儀是1970年出現(xiàn)的，它適宜在車間中使用。激光干涉儀在極接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對(duì)濕度59％、C O2 含量0.03％）下的測量精確度很高，可達(dá)1×10。

單頻激光干涉儀

圖1為單頻激光干涉儀的工作原理。從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式[356-11]

式中λ為激光波長(N 為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。

雙頻激光干涉儀

圖2為雙頻激光干涉儀的工作原理。在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2 ±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測量光束。測量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘 1/2激光波長）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來測量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測長機(jī)、三坐標(biāo)測量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測長機(jī)、高精度三坐標(biāo)測量機(jī)等的測量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。

有關(guān)激光干涉儀的操作及應(yīng)用如何？

    高精度激光干涉儀具有測量精度高、測量范圍大、測量速度快、高測速下分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合不同的光學(xué)鏡組，可實(shí)現(xiàn)線性測長、角度、直線度、垂直度、平行度、平面度等幾何參量的高精度測量。

 

    該儀器的基本操作：

    1、開機(jī)：接通電源打開電源開關(guān)，1分鐘后開始檢測；

    2、光路調(diào)整：旋上適合的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭使標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的星點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)尋星窗口中間的黑點(diǎn)，顯示器上顯示完整的圓形圖像；

    3、透鏡面形檢測：調(diào)節(jié)沉座到被檢透鏡的適合尺寸，放上透鏡調(diào)節(jié)高度和透鏡調(diào)節(jié)鈕使透鏡的星點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的星點(diǎn)重合，觀測顯示器是否出現(xiàn)干涉條紋，條紋越少精度越高；

    4、透鏡曲率半徑檢測：開啟標(biāo)尺電源開關(guān)（清零），調(diào)整圖像到看清直線干涉條紋(3條到5條），凸透鏡向上調(diào)節(jié)高度（凹透鏡向下調(diào)節(jié)高度）到第2個(gè)星點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)候調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭調(diào)節(jié)旋鈕，使圖像出現(xiàn)貓眼像，標(biāo)尺移動(dòng)的數(shù)值就為被測透鏡的曲率半徑。

    應(yīng)用

    （1）幾何精度檢測 可用于檢測直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度等。

    （2）位置精度的檢測及其自動(dòng)補(bǔ)償 可檢測數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度、微量位移精度等。利用雷尼紹ML10激光干涉儀不僅能自動(dòng)測量機(jī)器的誤差，而且還能通過RS232接口自動(dòng)對(duì)其線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償，比通常的補(bǔ)償方法節(jié)省了大量時(shí)間，并且避免了手工計(jì)算和手動(dòng)數(shù)控鍵入而引起的操作者誤差，同時(shí)可最大限度地選用被測軸上的補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)，使機(jī)床達(dá)到較佳精度，另外操作者無需具有機(jī)床參數(shù)及補(bǔ)償方法的知識(shí)。

    （3）數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)分度精度的檢測及其自動(dòng)補(bǔ)償 現(xiàn)在，利用ML10激光干涉儀加上RX10轉(zhuǎn)臺(tái)基準(zhǔn)還能進(jìn)行回轉(zhuǎn)軸的自動(dòng)測量。它可對(duì)任意角度位置，以任意角度間隔進(jìn)行全自動(dòng)測量，其精度達(dá)±1。新的國際標(biāo)準(zhǔn)已推薦使用該項(xiàng)新技術(shù)。它比傳統(tǒng)用自準(zhǔn)直儀和多面體的方法不僅節(jié)約了大量的測量時(shí)間，而且還得到完整的回轉(zhuǎn)軸精度曲線，知曉其精度的每一細(xì)節(jié)，并給出按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)處理的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

    （4）雙軸定位精度的檢測及其自動(dòng)補(bǔ)償 雷尼紹雙激光干涉儀系統(tǒng)可同步測量大型龍門移動(dòng)式數(shù)控機(jī)床，由雙伺服驅(qū)動(dòng)某一軸向運(yùn)動(dòng)的定位精度，而且還能通過RS232接口，自動(dòng)對(duì)兩軸線性誤差分別進(jìn)行補(bǔ)償。

    （5）數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能檢測 利用RENISHAW動(dòng)態(tài)特性測量與評(píng)估軟件，可用激光干涉儀進(jìn)行機(jī)床振動(dòng)測試與分析（FFT），滾珠絲杠的動(dòng)態(tài)特性分析，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)特性分析，導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)特性（低速爬行）分析等。

    激光干涉儀為機(jī)床檢定提供了一種高精度儀器，它精度高，達(dá)到±1.1PPM（在0～40℃下），測量范圍大（線性測長40m，任選80m），測量速度快（60m/min），分辨率高（0.001μm），便攜性好。由于激光干涉儀具有自動(dòng)線性誤差補(bǔ)償功能，可方便恢復(fù)機(jī)床精度，更受到用戶歡迎！

標(biāo)簽: 激光干涉儀

激光干涉儀 有關(guān)激光干涉儀的操作及應(yīng)用如何？_激光干涉儀

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