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激光干涉儀的原理介紹
來源： 閱讀：1547 發(fā)布時間：2021-07-22 10:10:11
激光干涉儀的原理介紹

20世紀60年代初激光的出現(xiàn)，幾何量計量技術的發(fā)展步入了嶄新的時期。激光干涉儀在此時脫穎而出，作為現(xiàn)代精密測量儀器的代表，激光干涉儀在精密制造、計量等各個行業(yè)領域中得到了廣泛的應用，在精密位移、直線度、垂直度等測量領域發(fā)揮著重要的作用。

激光干涉儀簡介
激光干涉儀是以激光波長為已知長度、利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)丈量位移的通用長度丈量工具，是校準數(shù)控機床、坐標測量機、測長機、電動滑臺、線性模組及其它定位裝置精度及線性指標較常用的標準儀器，具有測量精度高、測量速度快、測量范圍大、高測速下分辨率高等特點，其光波波長可直接對米進行定義并溯源至國家標準。
激光干涉儀結合不同的光學鏡組，可實現(xiàn)線性測長、角度、直線度、垂直度、平行度、平面度等幾何參量的高精度測量。
在動態(tài)測量軟件的配合下，激光干涉儀可實現(xiàn)線性位移、角度和直線度的動態(tài)測量與性能檢測，以及進行位移、速度、加速度、振幅與頻率的動態(tài)分析。
因此，激光干涉儀廣泛應用于數(shù)控機床、PCB鉆孔機、坐標測量機、位移傳感器等精密儀器的質量控制與校準以及科研開發(fā)、設備制造等領域。

激光干涉儀的工作原理 

激光器射出單一頻率波，當此光束抵達偏振分光鏡時，會被分為兩道光束（一道反射光束和一道投射光束），在這兩道光射向其反光鏡，然后透過分光鏡反射回去，在激光頭內的探測器形成一道干涉光束，若光程差沒有任何變化，探測器會在每一次光程改變時，在相長性和相消性干涉的兩極找到變動的信號,計算處理系統(tǒng)可以通過此變化來測量兩光程間差異變化。

激光輸出可視為一束正弦波，如下圖：

當高壓連接在陽極和陰極之間時，混合氣體被激發(fā)，形成激光光束，通過放大激光光強使一些光透射出來成為輸出激光光束。其中，為實現(xiàn)平衡狀態(tài)，通過加熱器控制激光管長度讓激光穩(wěn)頻的精度保持在±0.05ppm以內，此時穩(wěn)定輸出后，激光器即可進行干涉測量。如今大多數(shù)現(xiàn)代位移干涉儀都使用氦氖(HeNe)激光管，這些激光管具有633納米的波長輸出。

 

激光干涉儀的測量精度與哪些因素有關？

激光干涉儀在實際使用中，需要確認其在各個測量應用中能夠達到的真實精度水平以確保測量數(shù)據(jù)準確可靠。激光干涉儀的測量讀數(shù)最終均與激光波長有關，因此激光器頻率的準確性和穩(wěn)定性是激光干涉儀測量精度的保障。此外，激光干涉儀的環(huán)境條件補償系統(tǒng)（壓力、溫濕度傳感器）的讀數(shù)準確性對最終的測量精度有著重要的影響。

總結起來，影響激光干涉儀測量精度的因素包括：

環(huán)境因素的影響

下面所列任何一種環(huán)境參數(shù)的變化都會導致大約1μm的誤差:

(1)空氣溫度:1℃

(2)空氣壓力:0.3kPa

(3)相對濕度:30%

特別是振動對測量的影響是非常大的，振動可能導致測量數(shù)據(jù)的分散，明顯影響重復性的測量。甚至可能使測量無法正常進行下去。

機器表面溫度的影響

機器溫度偏離20℃時，由于使用的材料溫度傳感器的測量準確度及輸入機器熱膨脹系數(shù)不正確的影響，對測量準確度也會產生影響。當材料溫度傳感器的準確度為±0.1℃，熱膨脹系數(shù)為10μm/℃時，產生的測量誤差為±1.0μm；若輸入不正確的機器熱膨脹系數(shù)會使準確度變化為10μm，甚至更多。

死程誤差的影響

死程是在使用EC10自動補償?shù)姆绞竭M行位置準確度測量中隨環(huán)境參數(shù)的變化而產生的一種誤差。由于在定“零點”時，固定光學鏡和移動光學鏡之間存在一段距離，EC10無法對“零點”和固定光學鏡之間的距離進行補償而產生誤差。

余弦誤差的影響

激光光束同運動坐標軸的調準誤差會導致測量的距離和實際運動距離之間的誤差，該誤差與(1-cosθ)成正比，θ為激光光束同運動坐標軸線之間的誤差夾角。

當激光測量系統(tǒng)的光路調整得與運動坐標軸不同軸時，該余弦誤差會導致測量距離比實際運動距離短，用激光測量系統(tǒng)測量的實際距離為Ls，而實際運動距離為Lm。如θ角為0.167°，則引起的余弦誤差為5μm/m。

阿貝偏置誤差的影響

若激光光束調整得與指定的坐標軸為平行偏置時，在這種情況下進行測量，光學元件偏置安裝引起的角度運動會導致阿貝偏置測量誤差。該誤差與LΦ成正比，其中，L為偏置距離，Φ為偏置角度。如Φ為0.0028°、L為100mm，所引起的阿貝偏置誤差為5μm。

光學元件的影響

光學器件表面不干凈會導致信號強度減弱，使精密測量變得困難，尤其是在測量較長距離的場合。

（來源：網(wǎng)絡，版權歸原作者）