激光干涉儀測量原理

1、激光干涉儀原理介紹,——線性測量與回轉軸校準,一、基本概念,激光干涉儀是利用激光作為長度基準，對數(shù)控設備(加工中心、三座標測量機等）的位置精度（定位精度、重復定位精度等）、幾何精度（俯仰扭擺角度、直線度、垂直度等）進行精密測量的精密測量儀器。,什么是激光干涉儀？,機床精度的21項誤差,For Linear measurement (3):xdx ydy zdzFor Angular measurement (9):Ax Bx C

2、x Ay By Cy Az Bz CzFor Straightness measurement (6):xdy xdz ydx ydz zdx zdyFor Squareness measurement (3)XZ, XY, YZ,激光的產生,LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫，意為通過受激發(fā)射線的放射達到光的放大，即激光。大多數(shù)

3、現(xiàn)代位移干涉儀都使用氦氖 (He-Ne) 激光管，這些激光管具有633納米 (nm) 的波長輸出氦氖激光管的構成如下所示：,激光輸出可視為一束正弦波。,波長,激光及其特點,激光具有三個重要特性：激光波長非常穩(wěn)定，可以精密測量測量的要求。激光波長非常短，可以用于高精度測量。激光具有干涉特性。,光的干涉,光具有波粒二象性。兩列或幾列光波在空間相遇時相互迭加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象。

4、產生穩(wěn)定干涉的條件 ：只有兩列光波的頻率相同，位相差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產生光的穩(wěn)定干涉。由兩個普通獨立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象。,二、激光干涉測量原理,,兩列振幅為A1、 A2，頻率為f，初始相位分別為 和 的光在空間疊加時的光強為：,若光的振幅相等：相位角相同時，復合光強為原先的2倍，產生明條紋。當相位角相差180°（半個波長）時

5、，復合光強為0，產生暗條紋。,二、激光干涉測量原理,XL-80激光測量回路如下,?如果測量光路長度改變（角錐反射鏡C移動），干涉光束的相對相位將改變，由此產生的相長干涉和相消干涉的循環(huán)將導致疊加光束強度的明暗周期變化。? 角錐反射鏡每移動316 nm，就會出現(xiàn)一個光強變化循環(huán)（明－暗－明）通過計算這些循環(huán)來測量移動。? 通過在這些循環(huán)之間進行相位細分，實現(xiàn)更高分辨率 (1 nm) 的測量。,①輸入光束 ②參考光束 ③測量光束 ④疊

6、加光束,二、激光干涉測量原理,為什么要用雙頻激光干涉儀？單頻激光干涉儀是一種直流測量系統(tǒng)，存在較大的零漂；同時由于空氣湍流，機床油霧，切削屑等會使光束發(fā)生偏移或波面扭曲，導致激光束強度發(fā)生變化，就有可能使光電信號低于計數(shù)器的觸發(fā)電平而使計數(shù)器停止計數(shù)。雙頻激光干涉儀的信號時交流信號，因而對于雙頻激光干涉儀來說，可用放大倍數(shù)較大的交流放大器對干涉信號進行放大，這樣，即使光強衰減90%，依然可以得到合適的電信號。雙頻激光干涉儀可以在恒

7、溫，恒濕，防震的計量室內檢定量塊，量桿，刻尺和坐標測量機等，也可以在普通車間內為大型機床的刻度進行標定。,三、Renishaw XL-80激光干涉儀測量系統(tǒng)簡介,Renishaw公司是世界領先的計量解決方案供應商，成立于1973年，提供坐標測量機、數(shù)控機床系統(tǒng)的解決方案。產品包括各種測頭、校準、光柵、編碼器、數(shù)字化掃描及光譜系統(tǒng)。,1987年首次推出ML10校準激光干涉儀 2001年推出ML10 Gold Standard激光干涉儀，

8、它是當今世界領先的校準系統(tǒng)。,2007年推出XL-80校準激光干涉儀，性能更強大。,三、Renishaw XL-80激光干涉儀測量系統(tǒng)簡介,XL-80基本線性配置,XL-80激光頭XC-80補償器三角架和云臺線性測量鏡組計算機和軟件,線性測量回路,,線性測量安裝方式,固定錐角反射鏡與分光鏡通過安裝組件固定在主軸上移動錐角反射鏡通過安裝組件固定在移動的工作臺上調整激光頭、分光鏡、反射鏡在一條直線上,為什麼需要補償？,激光波長是

9、高測量精度的基礎，然而激光的波長會受到空氣折射率的影響。,空氣折射率又受到大氣壓、溫度和濕度的影響。,其中n為空氣折射率，c為激光在真空中的光速，λ為波長，f為頻率,,環(huán)境補償單元,Renishaw XC80環(huán)境補償單元的高性能可以保證在0-40度環(huán)境溫度范圍內，和650-1150 mbar的環(huán)境大氣壓范圍內得到最高的測量精度。,材料溫度Accuracy: ±0.1 °C,XC-80的放置,XC-80環(huán)境補償單元提

10、供的空氣溫度傳感器安裝在一個帶強磁力的圓柱底座上，應盡量靠近激光光束的測量路徑并應大致處于運動軸的中間位置。避免把傳感器安裝在局部熱源例如電機或冷氣流附近。壓力傳感器和濕度傳感器固定在XC-80環(huán)境補償單元內。一般情況下，無需測量光路緊鄰區(qū)域的氣壓或相對濕度。但是，相對濕度傳感器應當遠離熱源或氣流。,XL-80回轉軸校準配置,XL-80激光頭三角架和云臺角度測量鏡組XR20回轉軸校準組件計算機和軟件,回轉軸校準光學回路,當回轉

11、軸轉動一定角度，參考光束和測量光束之間的光程差產生明暗條紋。,回轉軸校準測量步驟,典型測試（步距為5°）的步驟如下：1. 將XR20-W定位在被測軸上并調整激光系統(tǒng)的準直（如右圖所示）。2. 在軸的起始位置將激光裝置置零，在計算機上開始采集數(shù)據(jù)并運行數(shù)控程序。3. 軸到達起始目標位置，記錄激光讀數(shù)。4. 被測軸以5°步距移至第二個目標，XR20-W內置的反射鏡反向旋轉5°。5. 系統(tǒng)結合XL