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激光干涉儀的原理介紹
來源: 閱讀:1311 發布時間:2021-07-22 10:10:11
激光干涉儀的原理介紹

20世紀60年(nian)代(dai)初激(ji)光的(de)(de)出現(xian),幾何量(liang)計量(liang)技術(shu)的(de)(de)發(fa)展步(bu)入(ru)了嶄新的(de)(de)時期(qi)。激(ji)光干(gan)涉儀在此時脫穎而出,作為現(xian)代(dai)精(jing)密測量(liang)儀器(qi)的(de)(de)代(dai)表,激(ji)光干(gan)涉儀在精(jing)密制造、計量(liang)等各(ge)個(ge)行(xing)業領域(yu)中得到了廣(guang)泛的(de)(de)應用(yong),在精(jing)密位(wei)移、直線度(du)、垂直度(du)等測量(liang)領域(yu)發(fa)揮著重要的(de)(de)作用(yong)。

激光干涉儀簡介
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丈量位移的通用長度丈量工具,是校準數控機床、坐標測量機、測長機、電動滑臺、線性模組及其它定位裝置精度及線性指標較常用的標準儀器,具有測量精度高、測量速度快、測量范圍大、高測速下分辨率高等特點,其光波波長可直接對米進行定義并溯源至國家標準。
激光干涉儀結合不同的光學鏡組,可實現線性測長、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。
在動態測量軟件的配合下,激光干涉儀可實現線性位移、角度和直線度的動態測量與性能檢測,以及進行位移、速度、加速度、振幅與頻率的動態分析。
因此,激光干涉儀廣泛應用于數控機床、PCB鉆孔機、坐標測量機、位移傳感器等精密儀器的質量控制與校準以及科研開發、設備制造等領域。

激光干涉儀的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理 

激光器射出單一頻率波,當此光束抵達偏振分光鏡時,會被分為兩道光束(一道反射光束和一道投射光束),在這兩道光射向其反光鏡,然后透過分光鏡反射回去,在激光頭內的探測器形成一道干涉光束,若光程差沒有任何變化,探測器會在每一次光程改變時,在相長性和相消性干涉的兩極找到變動的信號,計算處理系統可以通過此變化來測量兩光程間差異變化。

激光輸(shu)出可視(shi)為一(yi)束正弦(xian)波,如下圖:

當高壓連接在陽極和陰極之間時,混合氣體被激發,形成激光光束,通過放大激光光強使一些光透射出來成為輸出激光光束。其中,為實現平衡狀態,通過加熱器控制激光管長度讓激光穩頻的精度保持在±0.05ppm以內,此時穩定輸出后,激光器即可進行干涉測量。如今大多數現代位移干涉儀都使用氦氖(HeNe)激光管,這些激光管具有633納米的波長輸出。

 

激光干(gan)涉儀的測量精度與哪些因(yin)素(su)有(you)關?

激光干涉儀在實際使用中,需要確認其在各個測量應用中能夠達到的真實精度水平以確保測量數據準確可靠。激光干涉儀的測量讀數最終均與激光波長有關,因此激光器頻率的準確性和穩定性是激光干涉儀測量精度的保障。此外,激光干涉儀的環境條件補償系統(壓力、溫濕度傳感器)的讀數準確性對最終的測量精度有著重要的影響。

總(zong)結起來,影響激光干涉儀測量精度的因(yin)素包(bao)括:

環境因素的影響

下面所列任何一種環境參(can)數的變化(hua)都(dou)會導致大約1μm的誤差:

(1)空氣溫度:1℃

(2)空氣壓力:0.3kPa

(3)相對濕度:30%

特別(bie)是(shi)振動(dong)對測(ce)量(liang)的影(ying)響是(shi)非(fei)常大的,振動(dong)可能(neng)(neng)導致測(ce)量(liang)數據的分散,明顯影(ying)響重(zhong)復性的測(ce)量(liang)。甚至可能(neng)(neng)使(shi)測(ce)量(liang)無法(fa)正(zheng)常進行下去。

機器表面溫度的影響

機(ji)器(qi)溫度(du)偏(pian)離(li)20℃時,由于(yu)使(shi)用的(de)材(cai)料溫度(du)傳(chuan)感器(qi)的(de)測(ce)量準確(que)(que)度(du)及輸入(ru)機(ji)器(qi)熱膨(peng)脹系數不正確(que)(que)的(de)影(ying)(ying)響(xiang),對測(ce)量準確(que)(que)度(du)也會(hui)產生影(ying)(ying)響(xiang)。當材(cai)料溫度(du)傳(chuan)感器(qi)的(de)準確(que)(que)度(du)為(wei)±0.1℃,熱膨(peng)脹系數為(wei)10μm/℃時,產生的(de)測(ce)量誤差為(wei)±1.0μm;若(ruo)輸入(ru)不正確(que)(que)的(de)機(ji)器(qi)熱膨(peng)脹系數會(hui)使(shi)準確(que)(que)度(du)變化為(wei)10μm,甚至更多。

死程誤差的影響

死(si)程是在(zai)使用EC10自動補償的(de)方式(shi)進(jin)行位置準確度測量中隨(sui)環境(jing)參數(shu)的(de)變(bian)化而產生(sheng)的(de)一種誤(wu)差。由于在(zai)定(ding)“零點(dian)”時(shi),固(gu)定(ding)光(guang)學(xue)鏡(jing)和(he)移動光(guang)學(xue)鏡(jing)之間存在(zai)一段(duan)距(ju)(ju)離,EC10無(wu)法(fa)對(dui)“零點(dian)”和(he)固(gu)定(ding)光(guang)學(xue)鏡(jing)之間的(de)距(ju)(ju)離進(jin)行補償而產生(sheng)誤(wu)差。

余弦誤差的影響

激光光束同運(yun)(yun)動(dong)坐標(biao)軸的調(diao)準誤差會導致測(ce)量的距離(li)和實際(ji)運(yun)(yun)動(dong)距離(li)之間(jian)的誤差,該(gai)誤差與(1-cosθ)成正比,θ為激光光束同運(yun)(yun)動(dong)坐標(biao)軸線之間(jian)的誤差夾角。

當激光(guang)測(ce)量(liang)系(xi)(xi)統的(de)光(guang)路調(diao)整得與運(yun)動坐標軸(zhou)(zhou)不同軸(zhou)(zhou)時,該余弦誤差會導致測(ce)量(liang)距(ju)離(li)比(bi)實際運(yun)動距(ju)離(li)短,用(yong)激光(guang)測(ce)量(liang)系(xi)(xi)統測(ce)量(liang)的(de)實際距(ju)離(li)為Ls,而(er)實際運(yun)動距(ju)離(li)為Lm。如(ru)θ角為0.167°,則引起(qi)的(de)余弦誤差為5μm/m。

阿貝偏置誤差的影響

若激光光束調整得與(yu)指定(ding)的坐標(biao)軸為(wei)(wei)平行偏(pian)(pian)(pian)置時,在這種情況下進(jin)行測量,光學元件偏(pian)(pian)(pian)置安裝引起(qi)的角(jiao)度運(yun)動會導致阿貝偏(pian)(pian)(pian)置測量誤差。該誤差與(yu)LΦ成正比,其(qi)中,L為(wei)(wei)偏(pian)(pian)(pian)置距離,Φ為(wei)(wei)偏(pian)(pian)(pian)置角(jiao)度。如Φ為(wei)(wei)0.0028°、L為(wei)(wei)100mm,所引起(qi)的阿貝偏(pian)(pian)(pian)置誤差為(wei)(wei)5μm。

光學元件的影響

光學(xue)器件表面不干(gan)凈會導致(zhi)信號強度減(jian)弱(ruo),使(shi)精密測量(liang)(liang)變(bian)得困難,尤其是(shi)在測量(liang)(liang)較長距離的場合(he)。

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