双频激光干涉仪测量.docx
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双频激光干涉仪测量
激光干涉仪测长原理
典型的激光干涉仪由激光器L、偏振分光镜PBS、测量反射镜M、参考反射镜R、光电检测器D、检偏器P和三个λ/4波片Q1、Q2和Q3组成。
激光为线偏振光，经偏振分光镜分为E1和E2两线偏振光。
当两干涉臂中λ/4波片快轴（或慢轴）与X轴夹角相等且为45度时，两束光通过λ/4波片后均成为圆偏振光，反射后再次通过λ/4波片，又转换为线偏振光，但其振动方向相对原振动方向旋转了90度，且由于两干涉臂光程产生了相位差φ，根据公式：
φ=2θ=φ=4πL/λ
式中：
λ为激光波长，干涉光路的作用是把位移L转变为合成光振动方向的旋转角θ，进而转换成光电信号的相位φ，信号处理器的作用就是测量出φ，从而计算出位移L。
垂直度的测量工具在一台机器
施工实例：
多轴系统
双频激光干涉仪的工作原理
双频激光干涉仪其双频激光测量系统由氦氖双频遥置激光干涉仪和电子实时分解系统所组成。
它具有以下优点：
稳定性好，抗干扰能力强，可在较快的位移速度下测量较大的距离，使用范围广，使用方便，测量精度高。
基本原理：
如图11-2所示，激光双频干涉仪的氦氖激光管，在外加直流轴向磁场的作用下，产生塞曼效应，将激光分成频率为f1和f2，旋向相反的两圆偏振光，经λ/4波片变为线偏振光。
调整λ/4玻片的旋转角度，使fl和f2的振动平面相
互垂直，以
互垂直，
以作激光干涉
图11-2双频激光干涉仪的工作原理图
1.激光管2.λ/4波片3.参考分光镜4.偏振分光棱境5.基准锥体棱镜6.移动测量棱体7.10.12.检偏振镜8.9.11.光电管13.光电调制器
仪的光源。
当两个线偏振光经过参考分光镜3时（见图11-2），大部分则由偏振分光棱境4分成两束。
偏振面垂直入射面的f2全反射到与分光镜固定在一起的基准锥体棱镜上；偏振面在入射面内的fl则全部通过而射到移动测量棱体6上。
由这两个锥体棱镜反射回来的光束在偏振分光镜上合并，并在检偏振镜上混频。
当移动锥体棱镜时，由于多普勒效应，f1变成f1+△f，因而光电元件8所得到的信号是（f1+△f）-f2。
在可逆计数器中与参考信号（f1-f2）相减，棱镜每移动半个波长，光程变化是整个波长。
测得的位移是l=λ/2×N，经计算机处理，所测得的位移值可在计算机显示器上读出。
位移量测量原理如图11-3所示。
图11-3位移量测量原理图
四、实验内容及步骤
1．使机床各轴回参考点
2．按图所示摆放仪器。
图11-4激光干涉仪的使用示意图
3．决定反射镜（Linearretroreflector）安放位置，并固定在机床上。
4．选择透射镜（Interferometer）安放位置，使反射镜和透射镜保持在同一高度。
5．调整激光头使其与反射镜及透射镜保持在同一直线和同一高度。
6．接通激光头的电源，预热5分钟后，调整光路使反射光几乎全部进入激光头的入口。
7．移动机床，使其移动一个步距（从机械原点即零点计算起），按下〖RECORD〗键，从而记录机床实际移动数值及其移动误差。
如X轴方向的位移测量示意图5。
图11-5位移测量示意图
8．每隔一个步距移动一次机床，按下〖RECORD〗键，重复该步五次。
在测量数控机床的位置精度时，测量移动的步距（两个测量点的距离）要根据数控机床系统参数来定，加工中心（VMC-850FANUC系统）参数中定义的步距为30mm。
根据对坐标轴X、Y、Z三个方向位移测量记录下来的数据：
单向和反向测量的数据，绘制误差曲线图（横坐标为测量点的位置长度mm，纵坐标为步距的误差µm）。
数控机床工作轴移动的尺寸填入下表：
（1）实际测量工作台上给定点Pi沿X运动轴单向的运动定位误差（i=0,l,2,3,4,5）曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：
负向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）
激光测量尺寸（mm）
误差值（um）
µm
0
0306090120150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的单向间隙补偿中。
（2）实际测量工作台上给定点Pi沿X运动轴反向的运动定位误差（i=0,l,2,3,4,5）曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：
正向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）
激光测量尺寸（mm）
误差值（um）
µm
0
0306090120150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的反向间隙补偿中。
（3）实际测量工作台上给定点Pj沿Y运动轴单向的运动定位误差（j=0,l,2,3,4,5）曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：
负向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）
激光测量尺寸（mm）
误差值（um）
µm
0
0306090120150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的单向间隙补偿中。
（4）实际测量工作台上给定点Pj沿Y运动轴反向的运动定位误差（j=0,l,2,3,4,5）曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：
正向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）
激光测量尺寸（mm）
误差值（um）
µm
0
0306090120150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的反向间隙补偿中。
（5）实际测量主轴上给定点Pk沿Z运动轴单向的运动定位误差（k=0,l,2,3,4,5）曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：
负向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）
激光测量尺寸（mm）
误差值（um）
µm
0
0306090120150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的单向间隙补偿中。
（6）实际测量主轴上给定点Pk沿Z运动轴反向的运动定位误差（k=0,l,2,3,4,5）曲线图
数控机床工作移动的尺寸填入下表：
正向移动
位置
起点坐标
P0
P1
P2
P3
P4
P5
位移尺寸（mm）
激光测量尺寸（mm）
误差值（um）
µm
0
0306090120150（mm）
根据五个测量点的误差，计算平均误差，输入到数控机床参数的反向间隙补偿中。
双频激光干涉仪测量角度和角速度
从几何意义上来说，角度表征了从同一点出发的两条直线的方向差别。
角度的复现是建立在圆周角等于360°的基础上的。
激光测角的方法很多，按照测角范围分类，可分为：
小角度测量和全角测量;按照有无合作目标分类，可分为有靶镜测量和无靶镜测量;按照坐标特征可以分为：
俯仰角、偏摆角、滚动角的测量。
德国耶拿尔JENAer双频激光干涉仪通过不同的光学镜组件，可对机床的俯仰角、偏摆角和滚动角进行测量。
以下为垂直度（直角）测量的原理：
许多机械系统，如机床、测量机等都采用直角坐标系统。
在理想情况下X、Y、Z三个坐标轴相互垂直。
如果他们不垂直就会影响空间坐标的精度。
因此，垂直度的测量已引起广泛的重视。
测量垂直度的方法基于直线度测量，以直角方块为基准，测量两个待测导轨的直线度，可以计算出两个导轨的垂直度。
这种测量方法的核心思想是以双面反射镜的角平分线为直线基准（简称准直基线）。
测量垂直度时，首先将准直基线调整到和待测的一个方向平行，后来的任何调节都不得变动双面反射镜。
因此，准直基线就平行于一个待测方向。
这时用直角标准块和反射棱镜把光束转90°，用空心四面体联系入射光和出射光。
沃拉斯顿棱镜放在出射侧，光束从双面反射镜返回、合光，进入激光器计数。
四面体和沃拉斯顿棱镜在跟随另外一个运动方向运动的过程中所显示的直线度误差就是垂直度误差，误差值除以移动距离就是角度值。
激光干涉仪详解
激光干涉仪的开发，给机床工业提供了高精度的标准，适用于各种型号和规格的机床。
稳定的氦氖激光代表了当前激光长度测量标准的工艺水平，而且在实际上成为已采用的长度测量标准。
激光干涉仪的精度视激光波长而定，其精度较好于0.5PPM（百万分子0.5）。
激光干涉仪可以测出单轴六个自由度中的五个：
线形定位、水平面内直线度、垂直面内直线度、俯仰角和偏摆角，也可测量两轴之间的垂直度。
使用激光干涉仪测量，必须要考虑到的误差源：
一、 环境误差。
激光干涉仪的绝对精度取决于周围条件的精确程度（或者说环境的稳定程度）。
环境温度每产生1℃的变化，绝对压力每产生2.5mmHg或相对湿度每产生30%的误差时，都将会导致约1PPM（百万分子一）的测量误差。
这些误差利用人工补偿或激光干涉仪所配的自动补偿装置可部分克服。
因此检测期间保持这些条件的稳定非常重要。
二、 机床表面温度。
即机床本身温度变化的影响。
对于用钢制丝杠定位滑鞍的机床，丝杠理论热膨胀系数为10.8PPM/℃，即温度每升高1℃，他将膨胀近10.8微米/米。
三、 死径误差（死行程误差）。
它是一种在测量期间与环境条件的变化有关系的误差。
它是由于当围绕激光束的大气压力发生变化（引起激光波长变化）时以及当固定有激光干涉仪和目标反射镜的材料温度发生变化（引起干涉仪和反射镜之间的距离变化）时，激光束行程长度得不到补偿而造成。
简单的讲，激光测量行程的死行程区是指激光干涉仪与测量复位点（或0点）位置间的距离。
激光干涉仪自身的补偿系统仅能补偿测量复位点到测量行程终点的距离，而对于死行程区的距离是不补偿的。
四、 余弦误差。
激光束路径对应机床运动轴线如未对准，将在测量长度同实际移动长度间产生一个误差。
由于这个误差与光束和实际运动间未对准角的余弦成比例，所以未对准误差通常称为余弦误差。
余弦误差=1-cosθ，对于较小的θ，余弦误差近似于θ2/2。
举例来说，当=1mrad（3arcmin），则余弦误差为0.5ppm。
当激光测量系统与机床移动轴线未对准时，余弦误差将使测量长度小于实际长度。
消除余弦误差的方法是在安装时确保良好的对准。
五、 阿贝误差。
阿贝误差原理是长度计量和长度计量仪器设计中最经典的测量原理。
被测轴线和测量轴线应在同一直线或其延伸线上，如果在一个偏离的被测位移的位置上进行测量时，部件的任何角运动都将产生一个误差。
估算角运动产生的误差的一条有益经验是：
每角秒的角运动产生约5um/m的偏移。
对于阿贝偏移为200mm，2秒的角运动，其测量位移误差为200mm×5um/m/角秒×2角秒=2um。
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