激光干涉仪测量原理

现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院激光干涉仪原理介绍——线性测量与回转轴校准现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院一、基本概念激光干涉仪是利用激光作为长度基准，对数控设备(加工中心、三座标测量机等）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。什么是激光干涉仪？现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院机床精度的21项误差ForLinearmeasurement(3):xdxydyzdzForAngularmeasurement(9):AxBxCxAyByCyAzBzCzForStraightnessmeasurement(6):xdyxdzydxydzzdxzdyForSquarenessmeasurement(3)XZ,XY,YZ现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院激光的产生LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写，意为通过受激发射线的放射达到光的放大，即激光。大多数现代位移干涉仪都使用氦氖(He-Ne)激光管，这些激光管具有633纳米(nm)的波长输出氦氖激光管的构成如下所示：现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院激光输出可视为一束正弦波。波长激光及其特点激光具有三个重要特性：•激光波长非常稳定，可以精密测量测量的要求。•激光波长非常短，可以用于高精度测量。•激光具有干涉特性。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院光的干涉光具有波粒二象性。两列或几列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。产生稳定干涉的条件：只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的稳定干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生稳定干涉现象。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院二、激光干涉测量原理+-=++=两列振幅为A1、A2，频率为f，初始相位分别为和的光在空间叠加时的光强为：121122cos(2)cos(2)EAftAft若光的振幅相等：•相位角相同时，复合光强为原先的2倍，产生明条纹。•当相位角相差180°（半个波长）时，复合光强为0，产生暗条纹。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院二、激光干涉测量原理XL-80激光测量回路如下•如果测量光路长度改变（角锥反射镜C移动），干涉光束的相对相位将改变，由此产生的相长干涉和相消干涉的循环将导致叠加光束强度的明暗周期变化。•角锥反射镜每移动316nm，就会出现一个光强变化循环（明－暗－明）通过计算这些循环来测量移动。•通过在这些循环之间进行相位细分，实现更高分辨率(1nm)的测量。①输入光束②参考光束③测量光束④叠加光束现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院二、激光干涉测量原理为什么要用双频激光干涉仪？单频激光干涉仪是一种直流测量系统，存在较大的零漂；同时由于空气湍流，机床油雾，切削屑等会使光束发生偏移或波面扭曲，导致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。双频激光干涉仪的信号时交流信号，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。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。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院三、RenishawXL-80激光干涉仪测量系统简介Renishaw公司是世界领先的计量解决方案供应商，成立于1973年，提供坐标测量机、数控机床系统的解决方案。产品包括各种测头、校准、光栅、编码器、数字化扫描及光谱系统。1987年首次推出ML10校准激光干涉仪2001年推出ML10GoldStandard激光干涉仪，它是当今世界领先的校准系统。2007年推出XL-80校准激光干涉仪，性能更强大。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院三、RenishawXL-80激光干涉仪测量系统简介XL-80基本线性配置XL-80激光头XC-80补偿器三角架和云台线性测量镜组计算机和软件现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院线性测量回路C(移动反射镜)A(分光镜)B(固定反射镜)输出光反射光测量光汇合光现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院线性测量安装方式固定锥角反射镜与分光镜通过安装组件固定在主轴上移动锥角反射镜通过安装组件固定在移动的工作台上调整激光头、分光镜、反射镜在一条直线上现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院为什麼需要补偿？激光波长是高测量精度的基础，然而激光的波长会受到空气折射率的影响。空气折射率又受到大气压、温度和湿度的影响。cnf其中n为空气折射率，c为激光在真空中的光速，λ为波长，f为频率现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院环境补偿单元RenishawXC80环境补偿单元的高性能可以保证在0-40度环境温度范围内，和650-1150mbar的环境大气压范围内得到最高的测量精度。材料温度Accuracy:±0.1°C空气压力Accuracy:±1.0mbar湿度Accuracy:±6%空气温度Accuracy:±0.2°C现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院XC-80的放置XC-80环境补偿单元提供的空气温度传感器安装在一个带强磁力的圆柱底座上，应尽量靠近激光光束的测量路径并应大致处于运动轴的中间位置。避免把传感器安装在局部热源例如电机或冷气流附近。压力传感器和湿度传感器固定在XC-80环境补偿单元内。一般情况下，无需测量光路紧邻区域的气压或相对湿度。但是，相对湿度传感器应当远离热源或气流。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院XL-80回转轴校准配置XL-80激光头三角架和云台角度测量镜组XR20回转轴校准组件计算机和软件现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院回转轴校准光学回路当回转轴转动一定角度，参考光束和测量光束之间的光程差产生明暗条纹。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院回转轴校准测量步骤典型测试（步距为5°）的步骤如下：1.将XR20-W定位在被测轴上并调整激光系统的准直（如右图所示）。2.在轴的起始位置将激光装置置零，在计算机上开始采集数据并运行数控程序。3.轴到达起始目标位置，记录激光读数。4.被测轴以5°步距移至第二个目标，XR20-W内置的反射镜反向旋转5°。5.系统结合XL-80与XR20-W的读数，记录被测轴在5°的位置误差。6.通过使回转轴依次到达一系列测量点，可测量并绘出轴的总体精度图。现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院回转轴校准安装方式XR20安装在回转轴上角度分光镜固定在激光头与XR20之间调整激光头、分光镜、XR20在一条直线上现代集成制造与数控装备研究所CIMS机械与汽车工程学院