球王会官方双频激光干与仪的原理与运用_一_pdf

　　崔1 _ 具技能 洲 双 频 激 光 干 涉 仪 的 原 理 与 应 用 (一 ) 机械部成都东西研究所 (61 0 0 5 6) 羡一民 【编者按】 双频激 光干与仪是在单频激 光干与仪的基础上开展的一种外差式干与仪 。 被测信号载 波在一个固定频差上 整个体系成为沟通 体系 , 大大提高了抗干扰才干 , 特别合适现场条件下运用 。 仪器 与不同光学部 件组 合 . 可测且长度 、 视点 、 速度 、 直线度 、 平行度 、 平面度 、 笔直度等 , 寮有 “ 小型计t 室 ” 之 称 。 本讲座以成都东西研究所出产的 M拐 双频激光 干与仪为例 , 介绍双频激光 干与仪的原理 、 精度及应 用 。 讲座共分三部分 : 一 、 双频激光 千涉仪的原理及精度 ; 二 、 双频激光干与仪在机床检定中的运用 ; 三 、 双 频激光干与仪的其它应 用 。 本期刊登榜首部分 。 一 、 双频激光干 涉 .:1 的 原理及精度 (一 )双频激光干与仪的作业原理 图 1 双频激光干与仪作业原理框 图 图 1 为双频激光干与仪原理图 。 单模激光 器 1 置于纵向磁场 2 中 , 因为 塞曼效应使输出 激光分裂为具有必定频差 (约 1一 2入任七 ) , 旋转 方向相反的左 、 右圆偏振光 , 双频激光干与仪就 是 以这两个具有不同频率 (关 , 勿的圆偏振光作 为光源 。 左 、 右圆偏振光经过 刀 4 波片 3 后成为相 互笔直的线偏振光 (五笔直于纸面 , 人平行于纸 面 ) , 析光镜 4 将一小部分光反射 , 经过主截面 45 。 放置 的检偏 器 6 , 在 C 处 由光 电勘探 器接 收 , 接纳信号经前置扩大整形电路 8 处理后 , 作 为后续电路处理的基准信号 。 经过析光镜 4 的光经扩束器 5 扩束后射向 偏振分光镜 9 , 偏振分光镜依照偏振光方 向将 五 和 关 别离 , 偏振方 向平行于纸面 的 人 光透 过偏振分光镜到丈量反射镜 1 1 。 当丈量反射镜 移动时 , 发生多普勒效应 , 返 回 光频率变为 关 士刃几4 厂为多普勒频移量 , 它包含了测 量反 射 镜的位移信息 。 回来 的 五 , 人士 A厂光在偏振分光镜再度汇 合 , 经反射镜 12 、 主截面 45 ” 放置的检偏器 13 在 A 处由光 电勘探器 14 接纳 , 接纳信号经前 置扩大整形电路 15 处理后 , 作为体系的丈量信 号 。 咱们讨论一下 C 、 A 两处的光强状况 。 设 C 处 关 , 人两束光的动摇方程分别为 几二凡 leo s 27tA t ( l) 凡 = 及 Z co s Z顽 t (2 ) 其组成振幅为 E = El + 凡 = 及 leo s2 7rL t+ 瓜 Ze os Z顽 t (3 ) 光强 函数为 几一。一冬(冯 , + 及 )十孕 c 、顽 : + 驭os4 响 乙 乙 乙 + 及 1 凡式韶 2武人十人)t + 及 l 场‘ 0 5 2城 fz 一关)t (4 ) 因为光电勘探器的频响约束 , 实践接纳光 强为 、一 含 〔、 1十场, 十“ l “、 0 52 二(人一五, “ 5 , 同理 , 可 以核算 A处光 电勘探器的接纳光强为 、一 合 (。 1十二 2 , + “ d 凡、os2 7r (人一人士“ (6 , 从式 (5) 和式 (6) 可见 , C 处的接纳信号为 一 一 , 、 ~ 1 , ~ . ~ 、 ~ 一 一 一 。 一 直 流 分 量 资 (及 , + 嵘 2 ) 与 一 交 流 信 号 一 “ ,“ ~ ~ 2 、 一~ ’ 一~ ‘ 碑 ~ p .“ ’H 及 , 肠 Z co s2 7t (人一五)t 的叠加 , 这一信号经由交 流扩大器和过零触发器组成的前置扩大整形电 路处理后 , 输出一组频率 为 (无一五)的接连脉 冲 ; 相同 , A 处的接纳信号经扩大整形后 , 输 出 一组频率为(人一五)士军的接连脉冲 。 19 9 6 年 第 3 0 卷 脚 4 图 1 中减法器的效果便是完结这两组接连 脉冲的相减 , 即 士 4 了三【(人一关)土刃」一 (人一人) (7 ) 在激光干与仪中 , 丈量光束的光程改变为 丈量反射镜位移的 2 倍 , 多普勒效应可用下式 表明 4f= 誉 式中 , C 为光速 , V 为丈量反射镜 的移动速度 , f 为光频 。 设丈量长度为 L , 则有 rt _ _ . f’。危 . , 「 ‘ . , . L ~ J O vdt = J · 方 dt = 万 J 。 圳 又, , 几为激光在丈量时间的波长值 , 频 率的时 间积分为周期数 N , 所 以上式可化为 气压 户一 10 1 32 5Pa (7 6 0 1llln H宫) , 水汽分压 了三 1 3 3 3 . 2 2Pa (1 0 mi l正址)邻近的微分式 叙= [ 一 9 3灸+ 0 . 2 7句卜 ~ 0 . 0 4 明 K 1 0 一 8 (1 2) 式中 翻为 相对上述规范状态的空气折射 率改变量 。 E刁le乒公式自身的精度为 s x lo 一吕 。 在计 量 中 , 测 量值 是指 在标 准计量 温度 20 ℃时的示值 。 而实践丈量时往往不能确保温 度为 2 0 ℃ , 因此豁要对被测件温度进行批改 , 批改公式为 ‘三乙[ 1止、之萨含 。)〕 ‘ (1 3 ) 式 中 , 几 为丈量长度 L 折合为 20 ℃时 的长度 , a 为测件线膨胀系数 , tw 为被测件温度 。 由式 (1 0 ) 、 式 (1 1 ) 、 式 (1 3 )可得 几二 人叹 。 2n[ 1一 a (‘一 2 0 )〕 (1 4 ) _ , 几 L ~ Z、 - : 一 Z (1 0 ) 此式即为双频激光干与仪的原理公式 。 在 仪器中是由图 1 中的 CPU 单元完结运算的 。 图 1 中的稳频器是一套 闭环操控体系 , 通 过操控激光器的腔长以确保输出激光波长的恒 定性 。 波长补偿器用于丈量环境条件参数 , 然后 补偿因为 空气折射率的动摇引起的波长改变 。 从式 (6) 可见 , 双频激光干与仪的丈量信息 是叠加在一个固定频差 (儿一关)上的 , 归于沟通 信号 , 具有很大的增益和高信噪比 , 彻底克服了 单频激光干与仪因光强改变形成 直流电平漂 移 , 使体系无法正常作业的坏处 。 丈量时即便光 强衰减 90 % , 双频激光 干与仪仍能正常工 作 , 因为 其具有很强 的抗干扰才干 , 因此特别合适 现场条件下运用 。 (二 )双频激光干与仪的精度 1 . 双频激光干与仪差错传递函数 双频微光干与仪原理公式 (式 一 1 0) 中的波 长 又系指丈量时间的波长值 。 光在空气 中传达 时 、 , 波长受折射率影响 , 即 凡 n ~ 了 (1 1 ) 式中 , n 为空气折射率 , 凡 为真空波长 , 又为光在 圣有中传达的波长 。 一 关 空气折射率则与气温 、 t 、 气压 P 、 温度 f 有 依据 E dl 亡 n 公式能够导出在气温 t一 2 0 ℃ , 此式即为实践运用的双频激光干与仪的测 量方程式 。 N 为多普勒差 频的周期数 。 将式 (1 4) 全微分 , 折射率的改变量内式 (1 2 )代人 , 略 去高次项可得 占Z石 _ 、 , _ _ 。 . aN . 认 . , ‘ _ 、 , 。 _ 、 . , 。 : 、 八 : 并= 5 X 10 ~ 。+ 拼+ 学 + (93 及一 0 . 2 7占汁 0 . 0 4胡几 “ “ ‘ 一 ’ N ’ 又。 ’ 、 “ “一 ’ 一 ’ “ ‘ 一了 ’ 一 ’ 一 ‘一产 ’ X 1 0 一 “一 a欠一 (‘一 2 0 )面 (1 5 ) 此式 即为用相对差错表明的双频激光干与 仪差错传递函数 。 2 . 仪 器精度 仪器精度是指因仪器自身不完善而形成的 误 差 , 包 括 式 (1 5 ) 中 的创el1 公 式误 差 s x 10 一 ‘ , 干与仪电路部分差错 占N /夕 , 激光波长误 差 认/ 凡 等 。 双频激光干与仪 的光学体系差错 很小 , 可省略 。 仪器精度可用下式表明 / , _ . _ _ _ . 、 。 . , 氏N 、 。 , 认 、 , 振一士习( S X ‘“一 ’)’+ (贡) ’+ (蓄) ’ (l“’ 干与仪电路运算 部分精度很高 , 其差错可 省略 , 首要考虑计数部分 的 一 量化差错 , 其值为 士 1 分辨率当量 。 激光波长精度一般在 10 一 “ 量 级 。 所以双频激光干与仪器精度很高 , 一般以为 可到达 0 . lp m 十 1 分辨率当量 。 仪器精度是指在丈量环境及装置肯定抱负 的状况下仪器所能到达 的极限精度 , 实践运用 中是很难到达的 。 3 . 环境差错 环境差错是指因环境参数丈量不精确所造 《东西技能 》 成的差错 , 包含气温 、 气压 、 湿度丈量不精确及 在 测 量 过 程 中 的 变 化 引起的 误 差 (93 俞 一 。 . 27 母P月 e 0 . 04 刃) x 1 0 一 “ , 被测件温度丈量禁绝 确形成的差错 。甄 , 被测件线膨胀系数不精确 形成的差错 (‘一 2 0) 面 。 环境差错可用下式表 示 ’ 今 棍= 士 {(9 3灸 X 1 0 , 8 ) 2 + (0 . 2 7如X 10 一) , + (0 . 0 4打次 1 0 一 8 )去+ (口舀‘), + [ (t , 一 2 0 )面〕 2 }“ 2 (1 7 ) 表 环境参数差错影响权重 精确而形成的差错 。 因为一般金属材料的线膨 胀系数差错为士 I X 10 一 6 / ‘ C , 被测件温度违背 20 ℃越远 , 此项差错就越大 , 只有当被测件温度 为 2 0 ℃时 , 此项差错为 饥 因此在精细丈量中 , 应尽量坚持被测件温度在 2O ℃左右 。 环境参数 气温及 气压办 漫度万 被月件沮度 被侧件级肺 差错 士0 . 2℃ 土SOPa 士100卜 公(匆) 盆系数而 0 . 1℃ 士l X 10一 6 / ℃ 差错权重 0 . 93承X 0 . 002 7娜 0 . 000 4打X 11 . 5弧 X (坛 一 20 )而 10一 6 10一 6 10一 6 10一 ‘ 对侧量成果 士0 . 19X 士0 . 14 X 士0 . 04 X 士1 . 15X 士I X 10一 6 影响 10一 ‘ 10 一 ‘ 10 一 6 10 一 6 二设‘ = 21℃) 上表列 出了各项环境参数 差错 的影响权 重 。 表中所列条件是 比较严厉的 , 可 以算出此刻 嘶 境一 1 . 2 X 10 一 “ 即 士 1 . 2尸旧/ m , 明显远远大于 甄 . 。 从上表还可看出 , 在许多环境影响要素中 , 湿度的影响 (乱)最小 , 一般可疏忽不计 。 而 a氏 只 1 0 一‘和 (tw 一 2 0) 面 两项影响最大 , 在精细测 量中有必要予以充沛注重 。 a 3tw X 10 一‘ 为被测件温度差错 , 包 括被 测 件温度的丈量差错和被测件各部位温度的不均 匀性 。 为了减小这项差错 , 要求在丈量前不但要 精确丈量被测件温度 , 并且被测件需要在恒温 条件下长期等温 , 以确保被 测件各部位温度 的共同性 。 在丈量环境较差的场合 , 也能够用定 期检定的线纹尺或端尺 (该尺的线膨胀系数应 尽量与被测件共同 )作为规范 , 丈量前先用其给 双频激光干与仪定标 , 然后进行丈量 。 这种做法 实践是用二个高精度的什物基准替代环境参数 操控 , 尽管不能取得很高的丈量精度 , 但在不具 备 杰出环境条件的状况下不失为一种可行的办 法 。 假如运用的线纹尺或端尺较长而神测件较 短的话 , 由此基准带人的差错也相应减小 。 (tw 一 2 0 )面 差错项也不能疏忽 , 它表明在 被测件温度 不等于 2 0 ℃时 因为线 . 装置差错 装置差错 海 装 是 由激光头 、 干与仪 、 反 射 镜装置不妥形成的 , 首要包含余弦差错 、阿贝误 差和空程差错 。 前两项是因为激光束与侧量线 有夹角或不 同轴形成的 , 其 中余弦差错是体系 差错 , 一般数值较小 , 可用批改的方法消除 ;阿 贝差错首要靠装置时尽量减小阿贝臂来处理 。 . 空程差错是干与仪中的特别差错 , 可用图 2 来 阐明 。 图中 A 为丈量起始点 , 几 为被测间隔 , 几 为干与仪与丈量起始点的间隔 , 称为 “ 空程 ” 。 如 果在丈量过程中环境参数发生改变 , 例如空气 折射率改变 而 , 丈量起始点 A 将发生违背 , 偏 离量近似为 几面 , 这就给丈量带来了附加的 “ 空 程差错 ” 。 为了消除这种差错 , 在运用时应尽量 使干与仪挨近丈量起始点 , 即便 几一 O , 或许将 参阅光束转向 9扩 , 把参阅反射镜置于 A 点附 近 , 共扼消除空程差错 。 q ‘Z I一 {口) 二 二几t 口 t 7 L o L ] 图 2 空程差错示意图 1 . 激光头 2 . 长度干与仪 3 . 丈量反射镜 5 . 双频激光干与仪的渺量粉度 上述的仪器精度 , 环境差错和安 装差错决 定了双频傲光干与仪的侧量精度 如油很p : 一 灿卜士 丫雌.+ 踌 , + 4 , (18 ) 早年面的剖析能够着 出 , 仪器精度是很高 的 , 只需留意合理布局 , 装置差错也能够 消除 , 而杯境差错的影响最大 。 ’ 因此在运用时 , 有必要充 分注重环境参数的丈量与操控 , 才干到达较高 的丈量精度 。 (待续) _ 修改 : 张 宪