激光干涉儀測(cè)量原理

1、激光干涉儀原理介紹,——線性測(cè)量與回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn),一、基本概念,激光干涉儀是利用激光作為長度基準(zhǔn)，對(duì)數(shù)控設(shè)備(加工中心、三座標(biāo)測(cè)量機(jī)等）的位置精度（定位精度、重復(fù)定位精度等）、幾何精度（俯仰扭擺角度、直線度、垂直度等）進(jìn)行精密測(cè)量的精密測(cè)量儀器。,什么是激光干涉儀？,機(jī)床精度的21項(xiàng)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(chǎn)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(dá)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(gòu)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(diǎn),激光具有三個(gè)重要特性：激光波長非常穩(wěn)定，可以精密測(cè)量測(cè)量的要求。激光波長非常短，可以用于高精度測(cè)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(shí)相互迭加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象。

4、產(chǎn)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(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的穩(wěn)定干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)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(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象。,二、激光干涉測(cè)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(shí)的光強(qiáng)為：,若光的振幅相等：相位角相同時(shí)，復(fù)合光強(qiáng)為原先的2倍，產(chǎn)生明條紋。當(dāng)相位角相差180°（半個(gè)波長）時(shí)

5、，復(fù)合光強(qiáng)為0，產(chǎn)生暗條紋。,二、激光干涉測(cè)量原理,XL-80激光測(cè)量回路如下,?如果測(cè)量光路長度改變（角錐反射鏡C移動(dòng)），干涉光束的相對(duì)相位將改變，由此產(chǎn)生的相長干涉和相消干涉的循環(huán)將導(dǎo)致疊加光束強(qiáng)度的明暗周期變化。? 角錐反射鏡每移動(dòng)316 nm，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)光強(qiáng)變化循環(huán)（明－暗－明）通過計(jì)算這些循環(huán)來測(cè)量移動(dòng)。? 通過在這些循環(huán)之間進(jìn)行相位細(xì)分，實(shí)現(xiàn)更高分辨率 (1 nm) 的測(cè)量。,①輸入光束 ②參考光束 ③測(cè)量光束 ④疊

6、加光束,二、激光干涉測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，存在較大的零漂；同時(shí)由于空氣湍流，機(jī)床油霧，切削屑等會(huì)使光束發(fā)生偏移或波面扭曲，導(dǎo)致激光束強(qiáng)度發(fā)生變化，就有可能使光電信號(hào)低于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平而使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。雙頻激光干涉儀的信號(hào)時(shí)交流信號(hào)，因而對(duì)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(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行放大，這樣，即使光強(qiáng)衰減90%，依然可以得到合適的電信號(hào)。雙頻激光干涉儀可以在恒

7、溫，恒濕，防震的計(jì)量室內(nèi)檢定量塊，量桿，刻尺和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，也可以在普通車間內(nèi)為大型機(jī)床的刻度進(jìn)行標(biāo)定。,三、Renishaw XL-80激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)簡介,Renishaw公司是世界領(lǐng)先的計(jì)量解決方案供應(yīng)商，成立于1973年，提供坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的解決方案。產(chǎn)品包括各種測(cè)頭、校準(zhǔn)、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(zhǔn)激光干涉儀 2001年推出ML10 Gold Standard激光干涉儀，

8、它是當(dāng)今世界領(lǐng)先的校準(zhǔn)系統(tǒng)。,2007年推出XL-80校準(zhǔn)激光干涉儀，性能更強(qiáng)大。,三、Renishaw XL-80激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)簡介,XL-80基本線性配置,XL-80激光頭XC-80補(bǔ)償器三角架和云臺(tái)線性測(cè)量鏡組計(jì)算機(jī)和軟件,線性測(cè)量回路,,線性測(cè)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(dòng)錐角反射鏡通過安裝組件固定在移動(dòng)的工作臺(tái)上調(diào)整激光頭、分光鏡、反射鏡在一條直線上,為什麼需要補(bǔ)償？,激光波長是

9、高測(cè)量精度的基礎(chǔ)，然而激光的波長會(huì)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(bǔ)償單元,Renishaw XC80環(huán)境補(bǔ)償單元的高性能可以保證在0-40度環(huán)境溫度范圍內(nèi)，和650-1150 mbar的環(huán)境大氣壓范圍內(nèi)得到最高的測(cè)量精度。,材料溫度Accuracy: ±0.1 °C,XC-80的放置,XC-80環(huán)境補(bǔ)償單元提

10、供的空氣溫度傳感器安裝在一個(gè)帶強(qiáng)磁力的圓柱底座上，應(yīng)盡量靠近激光光束的測(cè)量路徑并應(yīng)大致處于運(yùn)動(dòng)軸的中間位置。避免把傳感器安裝在局部熱源例如電機(jī)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(bǔ)償單元內(nèi)。一般情況下，無需測(cè)量光路緊鄰區(qū)域的氣壓或相對(duì)濕度。但是，相對(duì)濕度傳感器應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離熱源或氣流。,XL-80回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)配置,XL-80激光頭三角架和云臺(tái)角度測(cè)量鏡組XR20回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)組件計(jì)算機(jī)和軟件,回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)光學(xué)回路,當(dāng)回轉(zhuǎn)

11、軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，參考光束和測(cè)量光束之間的光程差產(chǎn)生明暗條紋。,回轉(zhuǎn)軸校準(zhǔn)測(cè)量步驟,典型測(cè)試（步距為5°）的步驟如下：1. 將XR20-W定位在被測(cè)軸上并調(diào)整激光系統(tǒng)的準(zhǔn)直（如右圖所示）。2. 在軸的起始位置將激光裝置置零，在計(jì)算機(jī)上開始采集數(shù)據(jù)并運(yùn)行數(shù)控程序。3. 軸到達(dá)起始目標(biāo)位置，記錄激光讀數(shù)。4. 被測(cè)軸以5°步距移至第二個(gè)目標(biāo)，XR20-W內(nèi)置的反射鏡反向旋轉(zhuǎn)5°。5. 系統(tǒng)結(jié)合XL