激光干涉儀原理

　　導(dǎo)讀：激光干涉儀是用于測(cè)量位移的長(zhǎng)度測(cè)量工具，常用在機(jī)床測(cè)量，它是如何進(jìn)行測(cè)量長(zhǎng)度的呢?它的工作原理又是什么，本文將講述激光干涉儀的原理。感興趣的童鞋快來(lái)看看吧。

激光干涉儀原理——什么是激光干涉儀

　　激光具有高強(qiáng)度、高度方向性、空間同調(diào)性、窄帶寬和高度單色性等優(yōu)點(diǎn)。常用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的干涉儀。以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)(見(jiàn)激光測(cè)長(zhǎng)技術(shù))測(cè)量位移的通用長(zhǎng)度測(cè)量工具。

　　激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。單頻的是在20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的,最初用于檢定基準(zhǔn)線紋尺,后又用于在計(jì)量室中精密測(cè)長(zhǎng)。雙頻激光干涉儀是1970年出現(xiàn)的，它適宜在車間中使用。激光干涉儀在極接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度為20℃、大氣壓力為101325帕、相對(duì)濕度59%、C O2含量0.03%)下的測(cè)量精確度很高，可達(dá)1×10-7。

　　激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)作線性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作。

激光干涉儀原理——單頻激光干涉儀

　　如下圖，單頻激光干涉儀的工作原理：從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式

　　式中:

　　λ為激光波長(zhǎng)

　　N 為電脈沖總數(shù)

　　算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。

激光干涉儀原理——雙頻激光干涉儀

　　如下圖，雙頻激光干涉儀的工作原理：在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路：

　　一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。

　　一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束，另一路成為僅含有f2的光束。

　　當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2 ±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。

　　這路光束和由固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf)的測(cè)量光束。測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減，輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算(乘 1/2激光波長(zhǎng))后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。

　　它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。

激光干涉儀原理——應(yīng)用何處

　　Ⅰ：位置精度的檢測(cè)及其自動(dòng)補(bǔ)償 可檢測(cè)數(shù)控機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度、微量位移精度等。

　　Ⅱ：雙軸定位精度的檢測(cè)及其自動(dòng)補(bǔ)償 雷尼紹雙激光干涉儀系統(tǒng)可同步測(cè)量大型龍門移動(dòng)式數(shù)控機(jī)床，由雙伺服驅(qū)動(dòng)某一軸向運(yùn)動(dòng)的定位精度，而且還能通過(guò)RS232接口，自動(dòng)對(duì)兩軸線性誤差分別進(jìn)行補(bǔ)償。

　　Ⅲ：數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能檢測(cè) 利用RENISHAW動(dòng)態(tài)特性測(cè)量與評(píng)估軟件，可用激光干涉儀進(jìn)行機(jī)床振動(dòng)測(cè)試與分析(FFT)，滾珠絲杠的動(dòng)態(tài)特性分析，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)特性分析，導(dǎo)軌的動(dòng)態(tài)特性(低速爬行)分析等。

　?、簦簬缀尉葯z測(cè) 可用于檢測(cè)直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度等。

　　總結(jié)：激光干涉儀有單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀兩種，其中單頻激光干涉儀是通過(guò)發(fā)射激光束，有固定的波長(zhǎng)，折返的激光束將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，計(jì)算折返的脈沖總數(shù)，通過(guò)計(jì)算得知位移距離，等長(zhǎng)度的測(cè)量。

　　拓展閱讀：

　　無(wú)導(dǎo)軌激光干涉儀

　　干涉儀原理

　　單頻激光干涉儀的方案解析