度、均匀程度等却能进行细致的描述。从R t 、R z 、R 3z 三个参数定义上可以看出:R t 表示所测轮廓网纹沟槽的最大深度;R t 、R z 代表了平台网纹深沟槽分布及变化趋势,R z 、R 3z 代表了平台网纹深沟槽的宽度、深度的均匀程度,即重复分布情况。这三个参数可用于分析选用珩磨油石条的尺寸、粒度及磨条的涂层性能对表面沟纹的影响,同时避免人工目测沟槽深度及分布的误差。 5 结论
结合气缸套的平台网纹本身的特点及气缸套的工作状况,确立了基于轮廓支承度率曲线、幅度分布曲线、轮廓高度三个方面的参数指标,这套评定指标
能够对气缸套内表面粗糙度轮廓的磨合特性、润滑
特性、网纹分布等进行对应的定量分析,实现完整、准确地描述及评价气缸套平台网纹,同时能反映气缸套加工制造过程的不足之处,进而指导调整工艺
参数。
参考文献
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第一作者:李伯奎,江苏淮阴工学院机械系,223001江苏省淮安市
收稿日期:2003年3月
激光干涉仪技术及发展
羡一民 王科峰
成都工具研究所
由于激光具有极好的时间相干性,其相干距离可以达到数公里,所以自激光问世以来,以激光为光源的激光干涉仪一直被人们所关注,其应用范围不断扩展,激光干涉仪技术也不断发展,出现了各种形式的激光干涉仪。
1 单频激光干涉仪和外差激光干涉仪
尽管存在各种形式的激光干涉仪,但从原理上讲,可以归结为单频激光干涉仪和外差激光干涉仪两种基本类型。
通常用于长度测量的激光干涉仪采用Machel son 干涉仪系统,图1为单频激光干涉仪原理示意图,分光器BS 将激光分为2束,一束射向定镜R,另一束射向动镜M,当动镜M 移动时,经R 和M 的反射光在O 处汇合产生干涉,由于分光器金属膜的附加相移性质,光电探测器D1、D2接受的信号相位差为90 ,用于计数器的方向辨别。
图1 单频激光干涉仪
图2为外差激光干涉仪的原理示意图,偏振方向相互垂直的同轴双频激光被分光镜BS 分为二部分,反射部分经检偏器P 1由光电探测器D 1接受,作为系统的参考信号;透射部分在偏振分光镜PBS 处按偏振方向分解,一路指向定镜R,频率为f 1;另一路指向动镜M,频率为f 2。当动镜M 移动时,返回光产生多普勒频移 f ,f 2+ f 与f 1两光束在偏振分光镜PBS 汇合,经45 放置的检偏器P 2,由光电探测器D 2接收。
图2 外差激光干涉仪
在Machelson 干涉仪系统中光程的变化是动镜位移的2倍,多普勒效应可以用下式表示
f =2V C
f
式中C 为光速,V 为动镜的移动速度,f 为光频。
设L 为动镜的移动距离,则有
L =
l
V d t =
l
fC 2f =
2
l
f d t
此式即激光干涉仪的测量原理式,不管是单频
激光干涉仪还是外差激光干涉仪,位移信息均载在 f 上。
由于频率的时间积分为周期数N ,所以上式简化为
L =N
2
式中 为激光在测量时刻的波长值。
在图1和图2中,光电探测器所接受的是相同偏振方向的光波叠加,设二束光的平面波动方程为
E (1)=E 1exp{-i (2 f 1t - 1)}E (2)=E 2exp{-i (2 f 2t - 2)}
式中E 1,E 2,f 1,f 2, 1, 2分别为二束光的振幅、频率和初相位,此二束光叠加的合成振幅E 为
E =E (1)+E (2)
合成光强的变化周期数即激光干涉议测量原理式中的N 。合成光强I 为
I =|E |2=E E *
*
=[E 1exp{-i (2 f 1t - 1)+E 2exp{-i (2 f 2t - 2)}] [E 1exp{i (2 f 1t - 1)}+E 2exp{i (2 f 2t - 2)}]=E 12+E 22+2E 1E 2cos[2 (f 2-f 1)t +( 2- 1)]=E 12+
E 22+
2E 1E 2cos{2 [(f 2-f 1)+ f ]t }}
上式是二个不同频率的光干涉叠加的结果,也即外差干涉的方程式,如果f 1=f 2,则变为单频激光干涉仪的干涉方程式
I =
E 21+
E 22+
2E 1E 2cos2 ft
比较以上两式,可以得到表1。
表1 单频激光干涉
仪和外差激光干涉仪
从表中可见外差激光干涉仪的测量信息 f 是叠加在一个固定的频差(f 2-f 1)上的,属交流系统,而单频激光干涉仪的测量信息 f 是叠加在一个直
流分量(E 21+E 2
2)上的,属直流系统,这是两种类型
激光干涉仪的本质区别。
2 几种激光干涉仪系统
通用型激光干涉仪主要用于现场,与在实验室中使用的专用激光干涉仪相比,要求具有更高的测量速度、测量距离和抗干扰能力,因此要求激光干涉仪系统必需有足够的带宽和增益,下面是几种典型的激光干涉仪系统。
2 1 单频激光干涉仪
单频激光干涉仪是最早出现的激光干涉仪系统,但是由于直流漂移的影响,多用于实验室的专用设备中,
在相当时期内没有推广到现场使用。
图3 补偿型单频激光干涉仪
图3是一种带有补偿的单频激光干涉仪(1),线偏振光通过1/4波片Q 1成为圆偏振光,在偏振分光
器PBS 的分光面上分解为P 、S 二个分量,在动镜M 移动时,P 光产生多普勒频移 f ,S 光频率不变,2束光返回后经1/4波片Q 2成为带有干涉信息的旋转线偏振光,P 1、P 2、P 3为检偏器,其光轴方向依次相差45 ,干涉信号由光电接收器D 1、D 2、D 3,接受并输入到运算放大器。
D 1、D 2、D 3接受的三路信号相位依次为0 、90 、180 ,它们对应的光程是完全一致的,有效地补偿了由于测量距离过长引起的信号衰减和各类干扰。
单频激光干涉仪的测量速度在原理上没有限制,主要取决于放大器的带宽和电子器件的速度。Renisho w 公司的单频激光干涉仪的测量速度可达1000mm/sec 。
用于单频激光干涉仪的稳频方法主要有Lamb 凹陷法和双纵模稳频法,La mb 凹陷法根据由于增益介质的增益饱和,使激光器的输出在中心频率处出现凹陷的特点,利用压电陶瓷来控制腔长,这种方法
多用于使用环境较好的系统;双纵模稳频法利用控制激光输出的二个纵模强度来控制腔长,由于模式竞争,二个输出纵模取相互垂直的偏振状态,抑制其中一个偏振,从而得到单频激光,是目前常用的单频
稳频方法。
2 2 基于塞曼效应的双频激光干涉仪
双频激光干涉仪属外差式激光干涉仪。
全内腔激光器置于磁场中,Ne原子的能级发生塞曼分裂,当磁场轴向放置时,激光器的输出为具有一定频差的两个方向相反的圆偏振光,而在磁场横向放置时,激光器的输出为具有一定频差的两个偏振方向相互垂直的线偏振光,以这样的光源构成的双频激光干涉仪原理如图2,光电探测器D1接受的是频差信号(f2-f1),作为参考信号;光电探测器D2接受的信号频率是[(f2-f1)+ f].这二个信号在信号处理系统中的减法器S相减,得到 f值。
由于双频激光干涉仪是交流系统,具有优异的系统增益和抗干扰能力,不存在直流漂移,所以从1970年HP公司推出第一台基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪后,在相当时期内,这种系统垄断了干涉仪市场。
外差式激光干涉议的测量速度受到两束光的频差大小限制,根据前述的多普勒效应方程式可得到
f 3.3V
在HP5528系统中,双频频差为1 8MHz,测量速度为300mm/sec,可以算出,此时多普勒频移变化1MHz,要求交流放大器的带宽为0 8~2 8MHz,显然,系统的测量速度高要求双频频差高,但是在塞曼效应的激光器中,频差高到一定程度,模牵引效应消失,频差也消失。这也是基于塞曼效应效的双频激光干涉议的测量速度难以提高的原因。一般,横向塞曼效应产生激光频差一般在几百kHz以内,纵向塞曼效应产生的激光频差可以达到3 4~4MHz (HP5517D激光头)。
2 3 双纵模激光干涉仪
激光器输出的纵模间隔为
V
L
=C/2n L0
式中C为光速,n为激光器腔内折射率,L0为激光器的腔长。
选择激光器腔长,使其在多普勒带宽之内主要有二个纵模输出,可得到高频差的双频激光,例如选择腔长220mm,可得到频差为680MHz的双频激光。
双纵模激光干涉仪采用等强度的稳频方法,由于频差大,原理上可以达到极高的测量速度,如Zeiss公司的ZLM300系统的测量速度可达6400mm/ sec,但是高频差也使光电接受、信号处理更为困难。激光干涉仪是以波长作为测量基准的,大频差造成的两束光的波长差别是不能忽略的,可以计算,在频差为680MHz时,可以引起1.36 m/m的误差。因
此必须确认产生多普勒频移的激光波长作为测量的基准。也由于此,双纵模激光干涉仪也难以应用在角度测量,直线度测量这样的利用差动原理的测量项目。
2 4 基于声光频移的双频激光干涉仪
图4和图5为Zygo公司的基于声光移频的双频激光干涉仪的激光头简图(2),双纵模稳频的激光器输出激光,由检偏器P抑制一个纵模输出,线偏振的单频激光以Bragg角 入射到声光频移器,衍射的0级输出保持原频率f1和原方向,1级输出偏转一个- 角,并产生频移,频移后的频率变为f2,此频移(f2-f1)是声光偏转器中的声波频率,也即由晶体振荡器产生的驱动频率。0级光和1级光经过一个双折射棱镜各自按照偏振方向分离,通过一个孔栏A得到了同轴的,具有频差(f2-f1)的,偏振方向相互垂直的双频激光。
图4 声光移频激光头
图5 声光频移的光学处理
声光移频激光器可以提供很高的双频频差,如Zygo公司的AXIOM2/20系统的双频频差为20Mhz,测量速度为1600mm/sec.这是基于塞曼效应激光干涉仪难以做到的。
声光频移基于B ragg衍射,为保证激光经多个声波波前反射后实现多光束相干,必需保证
d >> 2
式中d为声光介质厚度, 为输入激光波长, 为声波波长。
从式中可见,由于存在声光介质厚度d,声波频率不可能过低,也即由声光频移产生的双频激光的频差不可能过低,一般在几十MHz到几百MHz,这样对系统的硬件速度又提出了更高的要求。
采用声光移频技术,可以使激光干涉议的光学系统大大简化,如2束光的频差取决于电路中的晶体振荡器,可以直接在电路中得到,与图2所示的外差式激光干涉议相比,可以省去一套参考信号的接
受光路(如图2中的B S、P1、D1)。又如声光频移器的输出为二束分离的f1和f2光,若将f1光直接射向动镜,当动镜移动时,返回光为(f1+ f),此光在激光头内与f2光叠加,便可得到[(f2-f1)+ f],省去了图2中的由偏振分光器PBS和定镜R组成的 外置干涉仪 ,这样的光学布局的优点是使激光干涉仪机构体积大大减小,但是在使用中,一定要特别注意 闲程误差 (Deadpath error)的影响[3]。此外,由于这样的系统不存在干涉仪的定臂,难以用一个激光头来实现角度和直线度测量。
2 5 基于双折射的双频激光器[4]
基于双折射的双频激光器是清华大学精密测试
技术及仪器国家重点实验室的专利技术,将具有双折射元件置于激光器的谐振腔内,由于寻常光(o)和非寻常光(e)在双折射元件中有不同的光程,使激光器具有二个不同的物理腔长,从而导致输出不同频率的o光和e光,其频差的绝对值 f可以表示为
f=f /L
式中f为光频,L为激光器的谐振腔长, 为双折射造成的o光和e光的光程差。
由于o光和e光在同一光路上行进,和同一空间的Ne原子相互作用,争夺增益,当2束光的频差过小时,强烈的模竞争效应产生 频差闭锁 ,使一个频率的光熄灭,激光器又回到单频输出,为消除这种 频差闭锁 现象,需要让o光和e光各自占据一群放大介质的原子,以避免这二个频率对放大介质原子群的竞争.保持双频输出。在实际结构中,是通过在激光器谐振腔中置入双折射效应很大的方解石晶体使o光和e光的振荡途径空间分离或者在激光器上加横向磁场使放大介质的原子分离为o光原子群和e光原子群来解决的。后者称为双折射 塞曼双频激光器。
前面已述,纵向塞曼效应产生的双频频差难以提高,而声光频移的双频激光频差难以降低,基于双折射的双频激光器的最大优点是其输出频率可以从几兆到几十兆任意调节,恰恰填补了上述二种方法不能覆盖的频率范围,而这一范围可以兼顾干涉仪的测量速度和电子器件的允许频率,是外差激光干涉仪最合适的使用频段。
基于双折射的双频激光器采用o光和e光等强度的方法稳频。
3 激光干涉仪的细分技术
激光干涉仪的细分可以归纳为光学细分和电子细分两种方式。
3 1 激光干涉仪的光学细分方法[5]
所谓激光干涉仪的光学细分方法是指利用动臂光路的多次反射而实现的细分方法,细分数是光束在动臂中往返次数的2倍。如在Machelson干涉仪中,光束在动臂中往返1次,实现了光学2细分,分辩率为 /2。
图6为HP10706A平面镜干涉仪的示意图,R1和R2为定镜,动镜M为高精度平面反射镜,动臂光束第1次往返通过1/4波片Q时,由P光转化为S 光,第2次则由S光转化为P光,利用这样的偏振转换使光束在动臂往返2次,实现了光学4细分。
图6 四细分光路
图7为HP10716A高分辩率干涉仪,Q1和Q2为1/4波片,Q1后表面镀有高反射膜,同时作为干涉仪的定镜。Q1的后表面和R2反射动臂和定臂光束,与前述相同,利用P光和S光的相互转化实现动臂光束的四次反射,达到光学八细分。
图7 八细分光路
3 2 激光干涉仪的电子细分方法
光学细分是以牺牲干涉仪的测量速度为代价的,光学细分数即干涉仪测量速度降低的倍数,在HP系统中使用HP10716A高分辩率干涉仪的测量速度由700mm/sec(HP5529A)降到175mm/sec,此外光学细分的结构也过于复杂,难以实现高倍细分,因此电子细分是激光干涉仪的主要细分方法。
在单频激光干涉仪中,光电接收器接收的2个相位差90 是电子细分和辨向的基础,将这二个信号整形、反向后,用取沿口的办法可直接得到4细分的信号( /8)。对于高倍细分,一般采用微机细分的方法,将正弦和余弦信号经A/D转换为数字量,利用正弦信号的符号、余弦信号的符号和正弦信号与余弦信号的相对大小这样三个判断条件,将一个干
涉信号的周期分为8个45 的区间,软件首先判断即时干涉信号所属的区间,然后将正弦和余弦信号相除,得到正切或余切值,以此值查表(反正切表或反余切表),得到此时的干涉信号相位值,达到细分目的。若按11.25 间隔制表,可达到32细分,在标准的Machelson 干涉仪中,分辩率达到10nm 。
基于声光频移的双频激光干涉仪的细分方法如图8所示,参考信号(f 2-f 1)积分为三角波,测量信号[(f 2-f 1)+ f ]转化为方波。在测量过程中,测量方波的上升沿连续采样三角波,并经A/D 转换为数字量,一套附加电路判断三角波的上升或下降沿,并以此校正采样值,相邻二次采样值之差即为由于动镜移动造成的相位差,当相位差累计到360 时对应一个完整的干涉信号,即标准的Machelson 干涉仪中,动镜移动 /2。整个过程实际是一个对多普勒频移的积分过程。这种方法的细分数为2n -1,n 为A/D 转换器的位数。在使用8位A/D 转换器时,系统的分辩率可达1.2nm
。
图8 声光频移激光干涉仪的细分
在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中,频差(f 2-f 1)是不稳定的,难以实现对参考信号的积分处理,通常采用锁相倍频的细分方法,图9为锁相倍频的示意图,不管输入频率f 如何变化,输出频率总是保持输入频率的N 倍即Nf ,当输出频率偏离此关系时,输出频率经N 分频,反馈到鉴相器,与输入频率比较后的相位差经滤波器到压控振荡器输入端,控制压控振荡器的输出频率,从而保证其输出与输入的比例关系。测量信号和参考信号经锁相倍频后的频率为N [(f 2-f 1)+ f ]和N (f 2-f 1)的两列脉冲,为便于后续电路的处理,用一高频信号将2列脉冲同步,使脉冲处于完全重合或者完全错开的状态,然后经过一个高速异或门逻辑电路实现此两列脉冲的相减,得到表征动镜位移的当量脉冲。这种细分处理方法完全是由硬件完成的,输出的当量脉冲与实际位移之间只有硬件延迟,所以可以在闭环位置控制系统中作为测量元件,
实现实时控制。
图9 锁相倍频电路
激光干涉仪的细分方法还有很多,例如在单频激光干涉仪中,可以用电阻链细分方法;在基于声光频移的双频激光干涉仪中,可以将测量信号与频差信号,测量信号与移相90 的频差信号分别混频,得到相位差为90 的两路信号,然后按单频激光干涉仪的细分方法处理;在基于塞曼效应的双频激光干涉仪中,可以采用测量剩余相位的方法实现细分等,利用两个相互垂直偏振光相干,其干涉信号为一个旋转的线偏振光的特点实现细分,在国内亦有大量的研究,并取得很好的效果[6]。
4 激光干涉仪在机床检测中的应用以激光干涉仪为基础,通过各种组合,派生出一些新的功能和仪器系统,为机床检测提供了新的检测手段。
4 1 激光多维测量系统
将激光干涉仪技术与激光准直技术相结合,组成多自由度测量系统,在国外已有很多研究,API 公司在1996年推出了激光5/6维测量仪产品[7]。
如图10所示,方框内为移动的传感头部分,激光在传感头内分为3束,1束到动镜M,构成激光干涉仪的动镜部分;第2束由二维光电探测器D1接收,用以测量2维直线度;第3束经反射镜R 反射,由2维光电探测器D2接收,是一套小型测角仪,用以测量传感头的俯仰角和偏摆角,滚摆角也可以用准直的方法来测量,但精度偏低,API 公司采用了电子水平仪(水平轴)或直角尺(垂直轴)
的方法测量。
图10 激光多维测量系统
激光多维测量系统大大扩展了激光干涉仪的功能,简化了机床检测的操作,缩短了检测时间,利用这一系统,一次测量可以得到单轴6个自由度的误差数值(位移,2个直线度和3个摆角),借助五棱镜
可以测量机床3轴之间的轴的垂直度,通过5次测量即可得到机床的全部21项误差值。这些误差值经误差模态分析软件处理生成机床3维空间的网格补偿数据。
4 2 机床工作区对角线测量
在ISO230-6标准中,提出了机床工作区对角线测量的概念,即用机床工作区内的四条对角线的位移误差来考核机床整机的精度,对角线误差实际是机床21项误差的综合,所以是一种快速有效的检测方法,HP5529A 系统提供了对角线测量附件(HP10768A)。
但是,一般对角线测量是将激光干涉议的动镜沿对角线方向测量的,无法反映21项误差的具体值,难以进行误差补偿,Optodyne 公司进而提出了一种 向量测量方法 [8],这种方法是沿对角线方向以阶梯折线的轨迹测量的,如图11
所示。
图11 向量测量方法
图中表示了在XY 平面内 向量测量方法 的测量轨迹,同样,在3维空间中可以得到( X 1、 Y 1、、 Z 1 X n 、 Y n 、 Z n )一组测量数据,它包含了机床各轴向定位精度、直线度和垂直度的信息,由软件处理得到螺距误差和空间误差的补偿数据。
4 3 机床转台的测量通常激光干涉仪的小角度测量附件采用动臂和定臂光程差动来实现的,受到光束位置及原理上的非线性限制,一般测量范围只能到 10 ~20 ,Ren ishow 公司将激光干涉仪的小角度测量附件与数控端齿盘结合,用于机床转台的测量,测量时被测转台与端齿盘交错以相反方向转动,以保证角度测量的连续性[9]。
Optodyne 公司实现360 连续测量的方法如图12所示,每测量一定角度段转台校准器回转,回拨杆与参考柱接触,然后进行后一角度段的测量。
这二种方法的区别是前者中大角度以端齿盘为
基准,小角度用激光干涉仪来测量,而后者完全用激
图12 360 连续测量的方法
光干涉仪测量,回拨杆和参考柱只是造成一个传递基点,显然二种方法的数据处理方法也不相同。
4 3 机床运动轨迹误差测量
图13为Optodyne 公司干涉仪测量机床运动轨迹的方法[10]
,测量激光束经聚光镜,射向平面镜,当被测转台沿虚线旋转时,可得到一条位移 角度曲线(正弦),再将激光头与平面镜共同转90 ,可得到另一条位移 角度曲线(余弦)。将此两条曲线合成,即可求得被测转台的误差、速度、加速度等。这种方法可以用来测量数控机床的差补误差。
图13 干涉仪测量机床运动轨迹
机床精度检测是激光干涉仪的重要用途,近年来,用以测量机床精度的附件和相应软件不断完善,如实现数控机床位置误差自动补偿的软件,数控转台位置误差自动补偿的软件,测量双轴驱动机床的2轴同步位置误差的附件等,这些功能都是传统的手段难以实现的,一些激光干涉议还使用了光纤传导,使干涉议部分体积大大减小,能够更方便地安装,提高检测效率。
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10 Op todyne 公司.Laser Doppler Displacement Meter 应用简介
第一作者:羡一民,研究员级高级工程师,成都工具研究所,610051成都市府青路二段24号
收稿日期:2001年12月
三坐标测量机的矢量检测功能及其应用
朱正德
上海大众汽车有限公司
随着数控技术的发展,产品中以自由曲面为主要特征的零部件的数量不断增多,对制造质量的要求也在提高。这些工件的CAD 模型是已知的,并成为加工和事后检查的依据,轿车车身就是最有代表性的例子。从图1可以看出,整车有一个确定的坐标系,车身上的任何零部件 无论是单一的冲压件、拼合后的焊接总成,还是整个车身,它们的C AD 模型均以这个坐标系为基础。
图1
1 关于曲面测量中的误差表述
为了对组成这类工件的自由曲面进行准确的测量和作出评定,具有矢量检测功能的现代CNC 坐标测量机发挥了重要的作用。那么,为什么要强调 矢
量检测 呢?这是因为对于一个具有自由曲面的工件来讲,其曲面上某一被测点的误差并非一个单纯的数值,而是一个有着明确的定义和严谨的数学表达的矢量。
从工件的C AD 模型可以将到曲面上某点M 0的理论坐标值x 0、y 0、z 0,和过该点的法线向量与X 、Y 、Z 三个坐标轴的正向的夹角 10、 20、 30,以及该法线向量的方向余弦c os 10、cos 20、cos 30。事实上,
在对一个工件实施曲面测量时,三坐标测量机的测
头正是沿着该点的法线方向接触工件的。由于存在着制造误差,被测工件的实际曲面是不会与C AD 模型中的理论曲面相重合的,而且实际测量点(即测头与工件的接触点)的法线向量也不一定会与过该名义点的法线向量重合。关于曲面测量中的误差表述正是基于此而确立的。人们有时候把工件曲面上某一点的误差简单地说成是 法向偏差 。严格地讲,这种讲法欠严密。虽然法向偏差的称谓并没有错,但它的真正含义乃是从名义点到实测点的向量在前者法线方向上的投影。
至于通过矢量检测得到的误差的指向,即偏差值 正 、 负 的规定,可参见图2。在图2a 中的工件曲面呈凸形,而b 中的工件曲面呈凹形。
(a) (b)
图2
2 关于偏差计算
三坐标测量机在对工件曲面上的某一名义点
M 0进行测量时,实际测得点为M 1,令它的坐标是x 1、y 1、z 1。实测值与名义值在X 、Y 、Z 三个坐标轴上的差值分别为
D x =x 1-x 0
SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、测量范围大、分辨力高等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对线性、角度、平面度、直线度（平行度）、垂直度、回转轴等参数的精密测量，并能对设备进行速度、加速度、频率-振幅、时间-位移等动态性能分析。 在相关软件的配合下，可自动生成误差补偿方案，为设备误差修正提供依据。
1.静态测量 SJ6000激光干涉仪的系统具有模块化结构，可根据具体测量需求选择不同组件。SJ6000基本线性测量配置： 图1-基本线性配置 SJ6000全套镜组：
图2-SJ6000全套镜组 镜组附件： 图3-SJ6000 镜组附件 镜组安装配件： 图4-SJ6000 镜组安装配件
1.1. 线性测量 1.1.1. 线性测量构建 要进行线性测量，需使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上，组装成“线性干涉镜”。线性干涉镜放置在激光头和线性反射镜之间的光路上，用它的反射光线形成激光光束的参考光路，另一束光入射到线性反射镜，通过线性反射镜的线性位移来实现线性测量。如下图所示。 图5-线性测量构建图 图6-水平轴线性测量样图图7-垂直轴线性测量样图 1.1. 2. 线性测量的应用 1.1. 2.1. 线性轴测量与分析 激光干涉仪可用于精密机床、三坐标的定位精度、重复定位精度、微量位移精度的测量。测量时在工作部件运动过程中自动采集并及时处理数据。
图8-激光干涉仪应用于机密机床校准 图9-激光干涉仪应用于三坐标机校准 SJ6000软件内置10项常用机床检验标准，自动采集完数据后根据所选标准自动计算出所需误差数据，可生成误差补偿表，为机床、三坐标的误差修正提供依据。
激光干涉仪操作规程 一、操作步骤 1.系统的相互连接 ·将PC10计算机系统与ML10 激光干涉仪用通讯电缆连接。 ·如果需要，将PC10计算机系统与EC10 环境补偿单元用通讯电缆连接。 ·将PC10、ML10、EC10分别接上电源线，再接到电源插板上。·通过稳压电源，将总电源线接到220V接地电源上。 2.激光的预热 闭合激光干涉仪开关，使激光预热大约15～20分钟，等激光指示灯出现绿色后，表明激光已稳定。 3.测量软件的启动 打开计算机，在“C”提示符下依次键入： ·CD/RENISHAW (RETURN) ·RCS (RETURN) ·a (RETURN) ·b (RETURN) 完成以上步骤后，测量软件已被启动。 4.光学镜的安装 ·将反射镜用夹紧块、安装杆、磁性表座固定在机床运动部件上。
·将反射镜和分光镜组合组成干涉镜；将干涉镜用夹紧块、安装杆、磁性表座固定在机床不可运动部件或其它固定部件上。 5.激光调整 ·调整激光，使其与测量方向一致。调整时，首先用粗光束调，然后用细光束调，保证信号强度达到测量精度要求并恒定（由计算机上信号强度指示确定）。 ·调整透射光线和折射光线重合。 6.目标值设定 根据测量要求，设定目标值，目标值的设定应尽可能的覆盖整个行程范围。 7.数据采集 ·按目标值设定要求编制数控测量程序，在每个测量点必须有足够的延时设定（由机床操作人员完成）。 ·设定数据采集参数，主要包括；线性/圆周、测量次数、单向/双向、测量信息等。 ·按“ALI+D”进行数据采集。 ·数据采集完后，按“ESC”终止采集过程。 8.数据分析 选择“数据分析”菜单，按相关标准要求进行数据分析，分别给出双向定位精度、重复性、反向偏差等精度指标。
用激光干涉仪系统进行精确的线性测量 — 最佳操作及实践经验 1 简介 本文描述的最佳操作步骤及实践经验主要针对使用激光干涉仪校准机床如车床、铣床以及坐标测量机的线性精度。但是，文中描述的一般原则适用于所有情况。与激光测量方法相关的其它项目，如角度、平面度、直线度和平行度测量不包括在内，用于实现0.1微米即 0.1 ppm以下的短距离精度测量的特殊方法（如真空操作）也不包括在内。 微米是极小的距离测量单位。（1微米比一根头发的1/25还细。由于太细，所以肉眼无法看到，接近于传统光学显微镜的极限值）。可实现微米级及更高分辨率的数显表的广泛使用，为用户提供了令人满意的测量精度。尽管测量值在小数点后有很多位数，但并不表明都很精确。（在许多情况下精度比显示的分辨率低10-100倍）。实现1微米的测量分辨率很容易，但要得到1微米的测量精度需要特别注意一些细节。本文描述了可用于提高激光干涉仪测量精度的方法。 2 光学镜组的位置 光学镜的安放应保证其间距变化能够精确地反映待校准机器部件的线性运动，并且不受其它误差的影响。方法如下： 2.1 使Abbe（阿贝）偏置误差降至最低 激光测量光束应当与需要校准的准线重合（或尽量靠近）。例如，要校准车床Z轴的线性定位精度，应当对测量激光光束进行准直，使之靠近主轴中心线。（这样可以极大降低机床俯仰 (pitch) 或扭摆 (yaw) 误差对线性精度校准数据的影响。 2.2 将光学镜组固定牢靠 要尽量减小振动影响并提高测量稳定性，光学镜组应牢牢固定所需的测量点上。安装支柱应尽可能短，所有其它紧固件的横截面都应尽量牢固。磁力表座应直接夹到机床铸件上。 避免将其夹到横截面较薄的机器防护罩或外盖上。确保紧固件表面平坦并没有油污和灰尘。 2.3 将光学镜组直接固定在相关的点上 材料膨胀补偿通常只应用在与测量激光距离等长的材料路径长度上。如果测量回路还包括附加的结构，该―材料死程‖的任何热膨胀或收缩或因承载而发生的偏斜都将导致测量误差。为尽量减少此类误差，最好将光学镜组直接固定到所需的测量点上。在机床校准中，一个光学镜通常固定在工件夹具上，而另一个光学镜组则固定在刀具夹具上。激光测量将会精确地反映刀具和工件之间发生的误差。即使机器防护系统和机器盖导致难于接近，也一定要尽量将干涉镜和角锥反射镜都固定到机器上。不要将一个光学镜安装在机器内部而另一个安装在外部如支在机器外地面的三脚架上，因为整台机器在地基上的移动可能导致校准无效。然而，是否拆下导轨防护罩时需仔细考虑，因为这可能改变机器性能。
光学干涉测量技术 ——干涉原理及双频激光干涉 1、干涉测量技术 干涉测量技术和干涉仪在光学测量中占有重要地位。干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。相干光波在干涉场中产生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息。 当两束光亮度满足频率相同，振动方向相同以及相位差恒定的条件，两束光就会产生干涉现象，在干涉场中任一点的合成光强为： 122I I I πλ=++ 式中△是两束光到达某点的光程差。明暗干涉条纹出现的条件如下。 相长干涉（明）： min 12I I I I ==+ （ m λ=） 相消干涉（暗）： min 12I I I I ==+-， （12m λ? ?=+ ??? ） 当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化。通过测量干涉条纹的变化量，即可以获得与介质折射率和几何路程有关的各种物理量和几何量。 按光波分光的方法，干涉仪有分振幅式和分波阵面式两类。按相干光束传播路径，干涉仪可分为共程干涉和非共程干涉两种。按用途又可将干涉仪分为两类，一类是通过测量被测面与参考标准波面产生的干涉条纹分布及其变形量，进而求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉场上指定点干涉条纹的移动或光程差的变化量，进而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。 下图是通过分波面法和分振幅法获得相干光的途径示意图。光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。 图一 普通光源获得相干光的途径 与一般光学成像测量技术相比，干涉测量具有大量程、高灵敏度、高精度等特点。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪（图二）、马赫-泽德干涉仪、菲索
厨 ｆ静堂鸯溅斌技术）２００７亭第弘誊第｛Ｏ麓 激光干涉仪使用技巧 Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｇ口洫ｔｏ Ｖｓｉｎｅ ａ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ 魏纯 （广州市计最检测技术研究院，广东广州５１００３０） 瓣萎：本文讨论了激光予涉仪在使用巾的准直等技礴，用户在实际使用中增加葺芒件以及维护巾邋蓟的同舔。燕键词：激光平涉仪；准直 ｌ引言高性能激光干涉仪具有快速、高准确测量的优点，是校准数字机床、坐标测量机及其它定位装置精度及线性指标最常用的标准仪器，弦者所在单位使用的是英国ＲＥＮＩＳＨＡＷ公闭生产的ＭＬｌ０激光干涉仪，具有性能稳定，使罱方便等特点。 通过较长时闯使用，作者认为测量人员除了要考虑环境、温度、原理等影响测量的常规因素外，掌握一些激光干涉仪的使用技巧会使测量互作事半功倍。 ２原理介绍
ＭＬｌ０激光干涉仪是根据光学千涉基本原理设计磊成酌。从ＭＬｌ０激光器射出的激光束有单一频率，其标称波长隽０．６３３ｐＬＩｎ，且其长期波长稳定健（真空状态）要高于０．１ｐｐｍ。当此光束抵达偏振分光镜时，会被分为两道光束一一道反射光糯一道透射光。这两道光射向其反光镜，然后透过分光镜反射圈去，在激光头内的探测器形成一道干涉光束。若光程差没有任俺变讫，探测器会在樵长性秘楣潢性于涉的两极找到稳定的信号。若光程差确实有变化，探测器会在 每一次光程改变时，在相长性和相消性干涉的弼极找 到变动的信号。这些变化（援格）会被计算并用来测量两个光程闻的差异变化。测量的光程就是栅格数乘以光束大约一半的波长。 值褥注意的是，激光束的波长取决于所通过敖空气折射率。由于空气折射率会随着温度、压力和相对湿度而变化，用来计算测蹩值的波长值可能需要加以李｝偿，以配合这魍环境参数豹改变。实际上就测量准确度而言，此类补偿在进行线性位移（定位精度）测量，特别是量程较大时，非常重要。３激光干涉仪使用技巧 ３．１ Ｚ轴激光光路快速准直方法 用激光干涉仪进行线性测量时，无论是数字机 床、还是坐标测燮枫，ｚ轴测量酵激光光路的礁童榻对Ｘ、Ｙ轴准直来说，要困难的多。尤其是在ｚ轴距离较长的情况下，要保证激光光束经反射镜反射后回到激 先探测器的强度满足测量对对光强的要求，准妻激光光路往往需要很长时间。 根据作者长期使用的经验，按照“离处动尾部，低处动整体”的调整方法，将会大大缩短漆直时闻。（“尾部”是指ＭＬｌ０激光器电源接口边上的倾斜度调蹩旋钮和三兔架云台上的旋转微调控制旋锂，“整体”是指三
激光干涉仪软硬件介绍 本次试验我们使用的仪器为：Renishaw 激光器测量系统。 这个系统由“软件”与“硬件”两个部分组成，所以我们认识他，就是搞清楚各是什么硬件和软件。 看到这个章节时，可定有人会问还有什么硬软件之分的吗？答案是肯定的！ 先问大家一个问题：只有躯体的人就是一个正常的人吗？答案是否定的！ 一个正常的人不但须要一个实实在在的躯体，还需要由看不见的意识性的东西——思想的存在！ 3.1 激光干涉仪是由什么硬件组成 3.1.1 什么是硬件？ 硬件：硬件就是我们看到的一堆由金属、塑料等材料堆成的被称之为“Renishaw 激光干涉仪”的东西(事实上，它是由一些机壳和电路板等物构成)。因为是一些看得见、摸得着的东西,又因为都是“硬”的，所以被人们形象地称为“硬件”。 3.1.2具体硬件名称以及各自的用途是什么？ 一、本次使用激光检测仪主要检测螺距误差，因此我们主要使用到以下的仪器： （1）ML10 激光器 Renishaw ML10 Gold Standard 激光器
以上四个图案为激光罩在不同的状态下的作用 A)无光束射出 B)缩小横截面光束及目标 C）最答光束及目标 D）标准测量位置射出最大光来的横截面以及反射光束的探测器孔Renishaw ML10 Gold Standard 激光器：
ML10 是一种单频 HeNe 激光器，内含对输出激光束稳频的电子线路及对由测量光学镜产生的干涉条纹进行细分和计数处理。 其主要作用简单概括为：发射红外线以及返收红外线供特定的软件做分析，记录相关的数据。 （2）三脚架
三脚架及云台可用来安装 ML10 激光器，将 ML10 激光器设置在不同的高度，并充分控制 ML10 激光束的准直。对于大多数机床校准设置，建议将 ML10 激光器安装在三脚架和云台上。 三脚架、安装云台和 ML10 激光器三合一体，可为 ML10 光束准直提供下列调整：高度调整 水平平移调整 角度偏转偏转调整 角度俯仰调整 其中高度调整是由图9上显示的高度曲柄控制的，水平平移是由图2上显示的平移控制旋钮控制，角度偏转偏移是由图2上显示的旋转微调旋钮控制。图2后的两个示意图为水平平移和角度偏移的使用方法。 （3）EC10 环境补偿装置
激光干涉仪概述 SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(5~10分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。
SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，
为机床误差修正提供依据。 激光干涉仪性能特点 1.测量精度高、速度快，稳定性好 ①使用美国高性能氦氖激光器，结合伺服稳频控制系统，达到高精度稳频(0.05ppm) ②以光波长(633nm)为测量单位，分辨率可达nm级 ③使用高速光电信号采样和处理技术，测量速度可达到4m/s。 ④配合有环境补偿单元，在环境变化的情况下，也可以得到较高的测量精度 ⑤分离式干涉镜设计，避免了测量镜组由于主机发热而引起的镜组形变 2.应用范围广 ①可以实现线性、角度、直线度、垂直度、平面度等几何量的检测 ②结合我们的软件系统，可以用于速度，加速度，振动分析以及稳定度等分析 ③可实时监控精密加工机床等机器的动态数据，进行动态特性分析 3.软件界面友好 ①使用当前热门的软件界面开发工具，软件界面人性化，操作简单。 ②将静态测量和动态测量两种功能合并到一个软件中，更方便用户切换测量类型。
一文弄懂激光干涉仪与激光平面干涉仪 很多朋友弄不清激光干涉仪与激光平面干涉仪的区别，主要是很多时候，客户把激光平面干涉仪简称为激光干涉仪，到网上一搜，发现激光干涉仪全是用来检测导轨运动精度的，不是自己需要的激光平面干涉仪，今天小编就告诉大家如何区分这两种激光干涉仪。 激光干涉仪 1.测量原理
▲线性测量的光路原理构建图 (1)从SJ6000激光干涉仪主机出射的激光束（圆偏振光）通过分光镜后，将分成两束激光 （线偏振光）； (2)两束激光分别经由角锥反射镜A和角锥反射镜B反射后平行于出射光（红色线条）返回， 通过分光镜后进行叠加，由于两束激光频率相同、振动方向相同且相位差恒定，即满足干涉条件； (3)角锥反射镜B每移动半个激光波长的距离，将会产生一次完整的明暗干涉现象。测量距 离等于干涉条纹数乘以激光半波长。 2.功能 SJ6000激光干涉仪具有测量精度高、测量范围大、测量速度快、最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。在SJ6000激光干涉仪动态测量软件配合下，可实现线性位移、角度和直线度的动态测量与性能检测，以及进行位移、速度、加速度、振幅与频率的动态分析，如振动分析、丝杆导轨的动态特性分析、驱动系统的响应特性分析等。 3.应用 激光干涉仪可广泛用于数控机床、直线电机、电动滑台、线性模组、三坐标、自动化加工设备等运动精度检测。
▲SJ6000激光干涉仪检测数控机床 ▲SJ6000激光干涉仪检测线性模组
▲SJ6000激光干涉仪用于自动化设备装调 激光平面干涉仪 1.测量原理
FANUC、OKUMA机床的激光干涉仪检测方法 一、光的相干性 二、激光干涉法测距原理 三、FANUC螺补参数的设定 四、关于FANUC系统正负方向补偿号的计算方法 五、FANUC的检测用程式 六、OKUMA螺补参数的设定 七、OKUMA检测程式 八、检测值输入的方法
一、光的相干性 相長性干涉 當兩個波長相同的光束波形同步射出時，其波峰位置會如下圖 2 一般重合，固稱為“相長性干涉”。在相長性干涉的情況下，輸出波的振幅等於兩個輸入波的振幅之和。 ?相消性干涉 當兩個相干光束波形以180°的相位差異步射出時，一個輸入光束的波峰位置會如下圖3 一般與另一個輸入光束的波谷重合，固稱為“相消性干涉”。在相消性干涉的情況下，兩個輸入波會互相抵消而產生暗淡的光
二、激光干涉法测距原理 图片： 根据光的干涉原理，两列具有固定相位差，而且有相同频率、相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象，如图所示。由激光器发射的激光经分光镜A分成反射光束S1和透射光束S2。两光束分别由固定反射镜M1和可动反射镜M2反射回来，两者在分光镜处汇合成相干光束。若两列光S1和S2的路程差为Nλ(λ为波长，N为零或正整数)，实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大。当S1和S2的路程差为λ/2(或半波长的奇数倍)时，合成光的振幅和为零，此时光强最小。 激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接收并转换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位移量的检测。由于激光的波长极短，特别是激光的单色性好，其波长值很准确。所以利用干涉法测距的分辨率至少为λ/2，
第一章、前言 一、本次我们主要研究：如何检测机床的螺距误差。因此我们主要的任务在于： 1. 应该使用什么仪器进行测量 2. 怎么使用测量仪器 3. 怎么进行数据分析 4. 怎么将测量所得的数据输入对应的数控系统 二、根据第一点的要求，我们选择的仪器为：Renishaw 激光器测量系统，此仪器检测的范围包括： 1. 线性测量 2. 角度测量 3. 平面度测量 4. 直线度测量 5. 垂直度测量 6. 平行度测量 线性测量：是激光器最常见的一种测量。激光器系统会比较轴位置数显上的读数位置与激光器系统测量的实际位置，以测量线性定位精度及重复性。 三、根据第二点的解释，线性测量正符合我们检测螺距误差的要求。因此，我们此次使用的检测方法——线性测量。 总结以上我们的核心在于：如何操作Renishaw 激光器测量系统结合线性测量的方法进行检测，之后将检测得到的数据进行分析，最后将分析得到的数据存放到数控系统中。这样做的目的在于——提高机床的精度。 - 1 - 第二章、 2.1 什么是螺距误差？ 基础知识 开环和半闭环数控机床的定位精度主要取决于高精度的滚珠丝杠。但丝杠总有一定螺距误差，因此在加工过程中会造成零件的外形轮廓偏差。
由上面的原因可以得知： 螺距误差是指由螺距累积误差引起的常值系统性定位误差。 2.2 为什么要检测螺距误差？ 根据2.1节，检测螺距误差是为了减少加工过程中造成零件的外形轮廓偏差，即提高机床的精度。 2.3 怎么检测螺距误差？ （1）安装高精度位移检测装置。 （2）编制简单的程序，在整个行程中顺序定位于一些位置点上。所选点的数目及距离则受数控系统的限制。 （3）记录运动到这些点的实际精确位置。 （4）将各点处的误差标出，形成不同指令位置处的误差表。（5）多次测量，取平均值。 （6）将该表输入数控系统，数控系统将按此表进行补偿。 2.4 什么是增量型误差、绝对型误差？ ①增量型误差 增量型误差是指：以被补偿轴上相邻两个补偿点间的误差差值为依据来进行补偿②绝对型误差 绝对型是误差是指：以被补偿轴上各个补偿点的绝对误差值为依据来进行补偿2.5 螺距误差补偿的原理是什么？ 螺距误差补偿的基本原理就是将数控机床某轴上的指令位置与高精度位置测量系统所测得的实际位置相比较，计算出在数控加工全行程上的误差分布曲线，再将
镭射干涉仪操作手册
手册内容 一.RENISHAW 公司简介 1 二.镭射干涉仪原理 2 (1)波的速度 3 (2)干涉量测原理 3 (3)镭射干涉仪 4 (4)镭射干涉仪一般量测项目 4 三.注意事项 5 四.镭射干涉仪防止误差及保养 5 (1)镭射干涉仪防止误差 5 (2)镭射干涉仪保养方法 6 五.安全及注意事项 6 六.镭射光原理及特性7 七.镭射硬件介绍8 八.镭射架设流程图15 九.定位量测原理及操作16 (1)线性定位量测原理16 (2)量测方式17 十.镭射易发生之人为架设误差20 (1)死径误差20 (2)余弦误差21 (3)阿倍平移误差21 十一.镭射操作之步骤22 (1)软件安装之步骤22 (2)执行量测软件22 (3)定位量测硬件架设之操作23 (4)镜组架设前之注意事项24 (5)镜组架设之步骤24 十二.定位量测之程序范例29 十三.定位量测之软件操作步骤30 热漂移量测38 快速功能键44 十四.动态软件量测之操作45 (1)动态量测硬件之架设45 (2)执行量测之软件46 (3)位移与时间48 (4)速度与时间49 (5)加速度与时间50 十五.角度量设之操作52 (1)注意事项52 (2)镜组架设的种类53 (3)镜组架测之步骤54 (4)角度量测之软件操作步骤57 十六.RX10旋转轴之量测62 (1)说明62
(2)硬件配件之介绍62 (3)硬件操作之步骤64 (4)软件操作之步骤67 十七.直度量测之操作75 (1)直度之分类75 (2)直度量测之硬件架设75 (3)镜组架设之步骤75 (4)直度软件之操作步骤80 十八.Z轴直度镜组织架设方法85 十九.垂直度量测之操作89 (1)垂直度镜组架设之步骤89 (2)软件操作之步骤95 二十.平面度量测之原理与操作101 (1)硬设备101 (2)操作之原理102 (3)镜组架设之步骤102 (4)软件操作之步骤110
激光干涉仪分类及应用 激光干涉仪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。激光干涉仪有单频的和双频的两种。 激光干涉仪的分类： 单频激光干涉仪 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 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
迈克尔逊干涉仪的原理与应用 在大学物理实验中，使用的是传统迈克尔逊干涉仪，其常见的实验内容是：观察等倾干涉条纹，观察等厚干涉条纹，测量激光或钠光的波长，测量钠光的双线波长差，测量玻璃的厚度或折射率等。 由于迈克尔逊干涉仪的调节具有一定的难度，人工计数又比较枯燥，所以为了激发学生的实验兴趣，增加学生的科学知识，开阔其思路，建议在课时允许的条件下，向学生多介绍一些迈克尔逊干涉仪的应用知识。这也是绝大多数学生的要求。下面就向大家介绍一些利用迈克尔逊干涉仪及其原理进行的测量。 一、传统迈克尔逊干涉仪的测量应用 1. 微小位移量和微振动的测量[11-14]；采用迈克尔逊干涉技术,通过测量ＫＤＰ晶体生长的法向速率和台阶斜率来研究其台阶生长的动力学系数、台阶自由能、溶质在边界层内的扩散特征以及激发晶体生长台阶的位错活性。He-Ne激光器的激光通过扩束和准直后射向分束镜,参考光和物光分别由反射镜和晶体表面反射,两束光在重叠区的干涉条纹通过物镜成像,该像用摄像机和录像机进行观察和记录.滤膜用于平衡参考光和物光的强度. 纳米量级位移的测量：将迈克尔逊型激光干涉测量技术应用于环规的测量中。采用633nm稳频的
He-Ne激光波长作为测量基准，采用干涉条纹计数，用静态光电显微镜作为环规端面瞄准装置，对环规进行非接触、绝对测量，配以高精度的数字细分电路，使仪器分辨力达到5nm；静态光电显微镜作为传统的瞄准定位技术在该装置中得以充分利用，使其瞄准不确定度达到30nm；精密定位技术在该装置中也得到了很好的应用，利用压电陶瓷微小变动原理，配以高精度的控制系统，使其驱动步距达到5nm。 测振结构的设计原理用半导体激光器干涉仪对微振动进行测量时,用一弹性体与被测量（力或加速度)相互作用,使之产生微位移。将这一变化引到动镜上来,就可以在屏上得到变化的干涉条纹,对等倾干涉来讲,也就是不断产生的条纹或不断消失的条纹。由光敏元件将条纹变化转变为光电流的变化,经过电路处理可得到微振动的振幅和频率。 压电材料的逆压电效应研究：压电陶瓷材料在电场作用下会产生伸缩效应,这就是所谓压电材料的逆压电现象,其伸缩量极微小。将迈克尔逊干涉仪的动镜粘在压电陶瓷片上,当压电陶瓷片受到电激励产生机械伸缩时就带动动镜移动。而动镜每移动λ/2的距离，就会到导致产生或消失一个干涉环条纹，根据干涉环条纹变化的个数就可以计算出压电陶瓷片伸缩的距离。 2. 角度测量[15-16]：刘雯等人依照正弦原理改型设计了迈克尔逊干涉仪，可以完成小角度测量。仪器的两个反射镜由三棱镜代替，反射镜组安装在标准被测转动器件的转动台上。被测转角依照正弦原
性能对比：雷尼绍XL80——Lasertex HPI 3D激光干涉仪测量系统 雷尼绍 XL80激光测量系统Lasertex HPI-3D(高性能激光干涉 仪系统) Sl. No. 规格参数（XL80）参数(HPI-3D) 1线性定位测量单频零差激光测量系统，激光干涉仪 测量原理 双频激光测量系统，频率外插 1GHz，远程干涉测量原理，对环境 光影响不敏感 1.1测量软件激光器软件标准模块包含最新的测量 分析功能 ? 软件模块分为线性，角度，旋转轴， 平面度，直线度和垂直度测量。 ? 动态测量能力是可选配置，需要另外 购买 ?标准报告选项，比如ISO，ASME， VDI，JIS 和 GB等等。 ?生成补偿值来提高机床定位精度。 机床补偿软件需要单独报价购买激光器软件包含所有内置测量分析标准模块。 ? 包含测量直线度、夹角、旋转轴、平面度、直线度以及垂直度软件模块。 ?具备动态测量能力，采样频率可单独设定。 ?生成标准报告功能如：ISO，ASME，VDI，JIS 和GB等等。 ?生成补偿值列表提高机床定位精度。 此外： 在标准配置中包含用于直接与机床通讯的G代码生成模块。 用于旋转工作台的G代码生成工具。 价格内包含机床补偿软件。 1.11激光界面集成USB端口，没有独立界面。集成USB端口以及蓝牙通讯。 1.12开关触发信号支持支持 1.13信号强度LED指示有有 另外： 激光器倾角显示，有助于调整轴 向。 1.14动态参数实时图形显 示软件支持，按不同模块区分。在标准软件配置里包含所有适合的 软件功能。 1.15量程 0-80米（标准配置0-40米）（40-80 米使用远程组件）0-80米（标准配置0-40米）（40-80米使用远程组件） 1.16快速光路调节激光射出角度控制，区分快速、慢速 调试。有激光束角度偏摆调整机构，拥有电子精调功能（双十字）。外壳有水平泡，确保手动调节快速准确。 1.161偏转角度范围+/- 35 mm/m +/- 50 mm/m 1.162轴向范围0 - 10 m0-40 m 1.17分辨率0.001?m0.0001 ?m –市场上分辨率最高1.18精度± 0.5 PPM 按常规室温环境补偿± 0.41 PPM按常规室温环境补偿
激光干涉仪 - 单频与双频激光干涉仪比较 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最亮和最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最亮和最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。
简介 以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统(见激光测长技术)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?7。 工作原理 一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光束。 从激光头射出的激光光束(1)具有单一频率，标称波长为0.633μm，长期波长稳定性（真空中）优于0.05ppm。当此光束到达偏振分光镜时，被分成两束光—反射光束(2)和透射光束(3)。这两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜中，在嵌于激光头中的探测器中形成干涉光束。 如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉的两端之间的某个位置观察到一个稳定的信号。如果两光程差发生变化，每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化。这些变化（条纹）被数出来，用于计算两光程差的变化。测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半。 应当注意到，激光波长将取决于光束经过的空气的折射率。由于空气折射率会随着气温、压力和相对湿度的变化而变化，用于计算测量值的波长值可能需要对这些环境参数的变化进行补偿。在实践中，对于技术指标中的测量精度，只有线性位移（定位精度）测量需要进行此类补偿，在这种情况下两束光的光程差变化可能非常大。
产品用途 1.激光干涉仪是检定数控机床、坐标测量机位置精度的理想工具。检定时可按照规定标准处理测量数据并打印出误差曲线，为机床的修正提供可靠依据。 2.激光干涉仪配有各种附件，可测量小角度、平面度、直线度、平行度、垂直度等形位误差，在现场使用尤为方便。 2.1.线性测量 要对线性测量进行设定，使用随附的两个外加螺丝将其中的一个线性反射镜安装在分光镜上。这个组合装置称为“线性干涉镜”，它形成激光光束的参考光路。线性干涉镜放置在激光头和线性反射镜之间的光路上，如下图所示。
SJ6000激光干涉仪产品采用美国进口高稳频氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术、高精度环境补偿模块、几何参量干涉光路设计、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术，实现各种参数的高精度测量。通过激光热稳频控制技术，实现快速(约6分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光频率输出，采用不同的光学镜组可以测量出线性、角度、直线度、平面度和垂直度等几何量，并且可以进行动态分析。 SJ6000激光干涉仪产品具有测量精度高、测量速度快、最高测速下分辨率高、测量范围大等优点。通过与不同的光学组件结合，可以实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等多种几何精度的测量。在相关软件的配合下，还可以对数控机床进行动态性能检测，可以进行机床振动测试与分析，滚珠丝杆的动态特性分析，驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性分析等，具有极高的精度和效率，为机床误差修正提供依据。 激光干涉仪角度测量方法
1.1.1. 角度测量构建 与线性测量原理一样，角度测量需要角度干涉镜和角度反射镜，并且角度反射镜和角度干涉镜必须有一个相对旋转。相对旋转后，会导致角度测量的两束光的光程差发生变化，而光程差的变化会被SJ6000激光干涉仪探测器探测出来，由软件将线性位置的变化转换为角度的变化显示出来。 图 16-角度测量原理及测量构建 图 17-1水平轴俯仰角度测量样图图 17-2水平轴偏摆角度测量样图1.1.2. 角度测量的应用 1.1. 2.1. 小角度精密测量 激光干涉仪角度镜能实现±10°以内的角度精密测量。
图 18-小角度测量实例 1.1. 2.2. 准直平台/倾斜工作台的测量 由于角度镜组的不同安装方式，其测量结果代表不同方向的角度值。您可以结合实际需要进行安装、测量。 图 19-水平方向角度测量 图 20-垂直方向角度测量 在垂直方向的角度测量中，角度反射镜记录下导轨在不同位置时的角度值，可由软件分析导轨的直线度信息，实现角度镜组测量直线度功能。
上海第二工业大学 激光干涉仪 ----双频激光干涉仪 学号： 20124814141 姓名：仇郑南 班级： 12工业A1 院系：机电工程学院 二零一三年六月十二日
激光干涉仪 ----双频激光干涉仪 摘要：激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚，更为广泛的应用于工业生产和科学研究中。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。所以，双频干涉仪在未来将起到重要作用。本文主要介绍双频激光干涉仪的特点，进步，应用和发展。 关键词：激光干涉仪双频原理应用发展。 Abstract: The invention of the laser interferometer laser interferometer measuring chamber eventually get rid of the shackles of a more widely used in industrial production and scientific research. As aerospace, heavy machinery, power generation equipment, shipbuilding industry, for large-size measurements have become increasingly demanding. Therefore, the dual interferometer will play an important role in the future. This paper describes the characteristics of dual-frequency laser interferometer, progress, application and development. Keywords: laser interferometer double frequency principle application development. 1.定义 激光干涉仪，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。激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。 双频激光干涉仪是激光在计量领域中最成功的应用之一,是工业中最具权威的长度测量仪器。它可用于精密机床、大规模集成电路加工设备等的在线在位测量、误差修正和控制。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理[1],克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题,具有信号噪声小、抗环境干扰、允许光源多通道复用等诸多优点,使得干涉测长技术能真正用于实际生产。 2.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
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 f 1和f 2 ，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f l 和f 2 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f 2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f l 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，f 1变成f 1 +△f，因而光电元件8所得到的信号是(f 1+△f)-f 2。在可逆计数器中与参考信号(f 1-f 2)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（Linear retroreflector ）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。
激光干涉仪原理 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 激光干涉仪是以干涉测量法为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备（加工中心、三坐标测量机等）的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量的精密测量仪器。激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。 英文名称：laser interferometer（激光干涉仪） 激光干涉仪原理如下图所示：
一个角锥反射镜紧紧固定在分光镜上，形成固定长度参考光束。另一个角锥反射镜相对于分光镜移动，形成变化长度测量光束。 从激光头射出的激光光束①具有单一频率，标称波长为633nm，长期波长稳定性（真空中）优于0.05ppm。当此光束到达偏振分光镜时，被分成两束光——反射光束②和透射光束③。这两束光被传送到各自的角锥反射镜中，然后反射回分光镜中，在嵌于激光头中的探测器中形成干涉光束④。 如果两光程差不变化，探测器将在相长干涉和相消干涉的两端之间的某个位置观察到一个稳定的信号。 如果两光程差发生变化，每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化。这些变化（条纹）被数出来，用于计算两光程差的变化。测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半。 激光干涉仪种类：激光干涉仪有单频的和双频的两种。