先进的大尺寸测量技术--无导轨激光干涉仪 激光干涉仪技术指标

随着航空航天、重型机械、发电设备、船舶工业的发展，对大尺寸测量的要求越来越高。一些精密配合的大型零部件，尺寸达到十几米甚至几十米，精度要求达到IT7以上。如何测量这些零部件长期以来一直是困扰计量工作者的技术难题。目前实际应用的测量手段仍以外径千分尺、内径测杆等传统测量工具为主，远远不能满足需求。清华大学曾研制出一套很好的对准方法，与激光干涉仪相结合，用于测量大尺寸可达到很高的精度，但该方法必须使用高精度导向导轨，限制了在生产、安装现场的使用。因此，开发高精度、无导轨大尺寸测量技术，一直是长度计量领域的一个重要课题。

激光技术的快速发展为大尺寸精密测量开拓了崭新的领域。近二十年来，出现了多种无导轨大尺寸测量方法，其中，受到广泛关注的无导轨激光干涉仪是近年来发展很快的一种先进测量方法。

小数重合法是无导轨激光干涉仪的基础。它是一种测量和数据处理方法，常用于量块检定中。通俗地说，这种测量方法就像用不同长度的几把“尺子”去量同一个物体，只要得到各次测量值的尾数，即可导出物体的实际长度，它并不关心测量的实际过程。

激光干涉仪是以波长为基本计量单位的，多波长激光器的发展，是实现不同长度“尺子”的基础。激光器可以稳定地输出多种波长的激光，利用光学拍波技术，可以将这些单波长合成为一组波长相近、间隔均匀的“合成波长链”。“合成波长链”是一个塔形结构，塔顶是最高一级合成波，其波长最长，塔底则是单波长。测量时，干涉仪以不同波长的激光工作，从最高级（最长波）开始，逐级下降，直至单波长。激光干涉仪的测量结果是在各种波长干涉下的一组剩余相位，以此可推导出总测量长度，由于每次的测量值都是剩余相位，与测量过程无关，因此不需要导向导轨。

选择合适的“合成波长链”是无导轨激光干涉仪的关键。长波干涉保证了测量值的唯一性，而测量精度则取决于短波干涉。为了简化测量过程，还有一种只使用一个合成波的方法，如采用几百毫米的合成波，借助于普通测量工具（如卷尺）测出大致的合成波周期数，剩余相位由干涉仪测出，这种方法只需一次测量即可完成，系统结构也非常简练，但由于所使用的波长较长，在测量精度上必然有所损失。

各国学者对无导轨激光干涉仪技术进行了大量研究，研制开发了各种激光干涉仪，归纳如下：

（1）CO2激光干涉仪

CO2激光器是一种非常适合无导轨激光测量的光源，它在10.6μm波段具有丰富的谱线，相邻谱线的波长差分布也比较均匀，构成的“合成波长链”的波长可从10.6μm到25m，因此，CO2激光干涉仪一直是无导轨激光干涉仪的研究重点。从1979年开始，由直流干涉系统到各种形式的光外差系统，CO2激光干涉仪历经多次改进，其中一种典型方案是上世纪九十年代澳大利亚研制的外差干涉仪，它通过激光器的腔长控制，顺序输出6种波长，用声光调制器的零级衍射作为本振光，构成外差系统，测量精度可达4×10-8。

（2）Ne-Xe激光干涉仪

Ne-Xe激光器可以输出3.53μm和3.37μm两个波长，合成波长为84.2μm。从“合成波长链”的角度考虑，波长过短难以保证测量结果的唯一性，为此，系统加入了He-Ne激光器的3.39μm谱线，将“合成波长链”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉仪的最大优点是结构简单，测量精度可达1.8×10-7。

（3）He-Ne激光干涉仪

中国计量科学研究院研制的纵向塞曼He-Ne激光干涉仪，与成都工具研究所开发的双频激光干涉仪不同，其稳频点选在两条激光增益曲线之间，产生一对频差为1080MHz的左、右旋偏振光（这两个偏振光不在同一增益曲线上），合成波长为278mm。利用光栅测量干涉的剩余相位。系统测量长度可达100m，测量精度为±（40+1.5×10-6）。

He-Ne激光器在3.39μm处谱线丰富，但其中3.3922μm谱线的自发辐射系数比其它谱线大很多，抑制了其它谱线的发射。清华大学利用甲烷在3.3922μm附近的一条吸收谱线，抑制了He-Ne激光这条谱线的强度，成功研制出了3.39μm波段双波长激光干涉仪，其“合成波长链”从3.39μm到1m，单波稳定性为1×10-8。

（4）变波长激光干涉仪

变波长激光干涉仪采用两个激光器，利用谐振腔长与输出频率的关系，构成“无级”的波长系列，在理想的环境下，13m长度范围的测量精度为70μm。

（5）线性调频半导体激光干涉仪

近年来，半导体激光器线性调频技术的发展，为无导轨激光干涉仪提供了一个理想的光源，成为无导轨激光干涉技术研究的热点。1995年，德国采用了外腔可调谐式半导体激光器，其外腔由全息光栅组成，通过改变光栅的角度进行频率选择，相干长度可达100m，40m长度范围的分辨率可达40μm。

无导轨激光干涉仪技术的发展仅有二十多年的历史，由于它在大尺寸测量中具有无可替代的重要性，因此各国学者倾注了大量精力进行研究开发，目前这项技术逐步走向实用化阶段。随着科技的发展，相信在不久的将来，无导轨激光干涉仪技术必将成为大尺寸测量领域中的一朵艳丽的奇葩。 激光干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。激光干涉仪有单频的和双频的两种。单频的是在20世纪60年代中期出现的,最初用于检定基准线纹尺,后又用于在计量室中精密测长。双频激光干涉仪是1970年出现的，它适宜在车间中使用。激光干涉仪在极接近标准状态（温度为20℃、大气压力为101325帕、相对湿度59％、C O2 含量0.03％）下的测量精确度很高，可达1×10。

单频激光干涉仪

图1为单频激光干涉仪的工作原理。从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式[356-11]

式中λ为激光波长(N 为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

双频激光干涉仪

图2为双频激光干涉仪的工作原理。在氦氖激光器上，加上一个约0.03特斯拉的轴向磁场。由于塞曼分裂效应和频率牵引效应,激光器产生1和2两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光。经1/4波片后成为两个互相垂直的线偏振光,再经分光镜分为两路。一路经偏振片1后成为含有频率为f1-f2的参考光束。另一路经偏振分光镜后又分为两路：一路成为仅含有f1的光束,另一路成为仅含有f2的光束。当可动反射镜移动时,含有f2的光束经可动反射镜反射后成为含有f2 ±Δf的光束，Δf是可动反射镜移动时因多普勒效应产生的附加频率,正负号表示移动方向(多普勒效应是奥地利人C.J.多普勒提出的，即波的频率在波源或接受器运动时会产生变化)。这路光束和由固定反射镜反射回来仅含有f1的光的光束经偏振片2后会合成为f1-(f2±Δf）的测量光束。测量光束和上述参考光束经各自的光电转换元件、放大器、整形器后进入减法器相减,输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算（乘 1/2激光波长）后即可得出可动反射镜的位移量。双频激光干涉仪是应用频率变化来测量位移的，这种位移信息载于f1和f2的频差上，对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，所以抗干扰能力强。它常用于检定测长机、三坐标测量机、光刻机和加工中心等的坐标精度，也可用作测长机、高精度三坐标测量机等的测量系统。利用相应附件，还可进行高精度直线度测量、平面度测量和小角度测量。

有关激光干涉仪的操作及应用如何？

    高精度激光干涉仪具有测量精度高、测量范围大、测量速度快、高测速下分辨率高等优点，结合不同的光学镜组，可实现线性测长、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度等几何参量的高精度测量。

 

    该仪器的基本操作：

    1、开机：接通电源打开电源开关，1分钟后开始检测；

    2、光路调整：旋上适合的标准镜头使标准镜头的星点对准寻星窗口中间的黑点，显示器上显示完整的圆形图像；

    3、透镜面形检测：调节沉座到被检透镜的适合尺寸，放上透镜调节高度和透镜调节钮使透镜的星点与标准镜头的星点重合，观测显示器是否出现干涉条纹，条纹越少精度越高；

    4、透镜曲率半径检测：开启标尺电源开关（清零），调整图像到看清直线干涉条纹(3条到5条），凸透镜向上调节高度（凹透镜向下调节高度）到第2个星点出现的时候调节标准镜头调节旋钮，使图像出现猫眼像，标尺移动的数值就为被测透镜的曲率半径。

    应用

    （1）几何精度检测 可用于检测直线度、垂直度、俯仰与偏摆、平面度、平行度等。

    （2）位置精度的检测及其自动补偿 可检测数控机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度等。利用雷尼绍ML10激光干涉仪不仅能自动测量机器的误差，而且还能通过RS232接口自动对其线性误差进行补偿，比通常的补偿方法节省了大量时间，并且避免了手工计算和手动数控键入而引起的操作者误差，同时可最大限度地选用被测轴上的补偿点数，使机床达到较佳精度，另外操作者无需具有机床参数及补偿方法的知识。

    （3）数控转台分度精度的检测及其自动补偿 现在，利用ML10激光干涉仪加上RX10转台基准还能进行回转轴的自动测量。它可对任意角度位置，以任意角度间隔进行全自动测量，其精度达±1。新的国际标准已推荐使用该项新技术。它比传统用自准直仪和多面体的方法不仅节约了大量的测量时间，而且还得到完整的回转轴精度曲线，知晓其精度的每一细节，并给出按相关标准处理的统计结果。

    （4）双轴定位精度的检测及其自动补偿 雷尼绍双激光干涉仪系统可同步测量大型龙门移动式数控机床，由双伺服驱动某一轴向运动的定位精度，而且还能通过RS232接口，自动对两轴线性误差分别进行补偿。

    （5）数控机床动态性能检测 利用RENISHAW动态特性测量与评估软件，可用激光干涉仪进行机床振动测试与分析（FFT），滚珠丝杠的动态特性分析，伺服驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性（低速爬行）分析等。

    激光干涉仪为机床检定提供了一种高精度仪器，它精度高，达到±1.1PPM（在0～40℃下），测量范围大（线性测长40m，任选80m），测量速度快（60m/min），分辨率高（0.001μm），便携性好。由于激光干涉仪具有自动线性误差补偿功能，可方便恢复机床精度，更受到用户欢迎！

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激光干涉仪 有关激光干涉仪的操作及应用如何？_激光干涉仪

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