单频的激光器它的一个根本弱点就是受环境影响严重,在测试环境恶劣,测量距离较长时,这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统,必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时,光电接收器会输出信号,如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来,而如果激光束强度发生变化,就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数,使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流,机床油雾,切削屑对光束的影响,结果光束发生偏移或波面扭曲。这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿,因而限制了单频干涉仪的应用范围,只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点。
而双频激光干涉仪正好克服了这一弱点,它是在单频激光干涉仪的基础上发展的一种外差式干涉仪。和单频激光干涉仪一样,双频激光干涉仪也是一种以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器,所不同者,一方面是当可动棱镜不动时,前者的干涉信号是介于亮和暗之间的某个直流光平,而后者的干涉信号是一个频率约为1.5MHz的交流信号;另一方面,当可动棱镜移动时,前者的干涉信号是在亮和暗之间缓慢变化的信号,而后者的干涉信号是使原有的交流信号频率增加或减少了△f,结果依然是一个交流信号。因而对于双频激光干涉仪来说,可用放大倍数较大的交流放大器对干涉信号进行放大,这样,即使光强衰减90%,依然可以得到合适的电信号。由于这一特点,双频激光干涉仪可以在恒温,恒湿,防震的计量室内检定量块,量杆,刻尺和坐标测量机等,也可以在普通车间内为大型机床的刻度进行标定,既可以对几十米的大量程进行精密测量,也可以对手表零件等微小运动进行精密测量,既可以对几何量如长度、角度.直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量,也可以用于特殊场合,诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。
总之,双频激光干涉仪的优越性主要有以下几点:
1. 精度高 双频激光干涉仪以波长作为标准对被测长度进行度量的仪器。即使不做细分也可达到μm 量级,细分后更可达到n m量级。(安捷伦5530激光干涉仪线性精度能达到0.4PPM)
2. 应用范围广 双频激光干涉仪除了可用于长度的精密测量外,测量角度、直线度、平面度、振动距离及速度等等,还可以分光进行多路测量。
3. 环境适应力强 即使光强衰减 90%,仍然可以得到有效的干涉信号。由于这一特点,双频激光干涉仪既可在恒温、恒湿、防震的计量室内检定量块、量杆、刻尺、微分校准器和坐标测量机,也可以在普通的车间内为大型的机床的刻度进行标定。
激光干涉仪是精度高的线性位移测量仪器,其光波可以直接对米进行定义,可溯源至国家标准。但是在使用中往往会出现检测偏离值,偏离预估的情况,下面来介绍几个引起激光干涉仪测量误差的原因。
1、阿贝误差
因测量光学镜组的安装高度不在被测设备的运动轴上引起的测量误差称之为阿贝误差。产生的原因是设备移动时存在俯仰、扭摆差,因此光学镜组与运动轴偏置距离越远,引起的阿贝误差越大。
2、环境因素
环境补偿单元能准确采集空气温度、压力、相对湿度信息,基于Edlen公式计算空气折射率,以此对激光波长进行补偿。
同时环境补偿单元中材料温度探头能实时高精度测量被测设备温度,对其进行温度补偿。但是往往因为操作人员将材料温度探头放置在错误的位置,致使采集的数据不能真实反映被测物体温度状态,从而增大测量误差。
正确方式:在线性测量中,需要开启环境补偿单元,并正确设置补偿材料的种类,放置材料温度探头的位置。在高精度的测量中,需要给予环境补偿单元以及被测物充分的恒温时间。
3、余弦误差
激光束路径与被测轴之间存在的任何未准直都会造成测得的距离和实际的运动距离之间有差异,此误差被称为余弦误差。
当激光测量系统与运动轴未准直时,余弦误差会使得测量的距离比实际距离要短。随着未准直角度的增加,误差也跟着显著增加
处理方法:若激光测量出现余弦误差,则激光读数将会小于原本应有的数值。因此,通过“轻微”调整云台的俯仰及偏转旋钮直到取得最大的激光读数,将能消除轴上的余弦误差。
4、死程误差
死程误差是在线性测量过程中与环境因素改变有关的误差,在正常状况下,死程误差并不大,而且只会发生在定标后以及测量过程中的环境改变。
处理方法:在设定定标位置时,固定反射镜和移动镜组应尽量彼此邻接,以此减小死程误差。
5、镜组的安装细节
为了最小化振动作用并加强测量稳定性,镜组应牢靠固定到所需的测量点上;磁力表座应直接吸住机床底座,避免吸装在机床护罩或机床盖等较薄弱的部分;确保吸装的表面平坦且没有杂质。