激光干涉位移測量技術(shù)

《激光干涉位移測量技術(shù)》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、激光干涉位移測量技術(shù)張欣（2015110034）摘要：為了實(shí)現(xiàn)納米級以上分辨力位移的測量研究，利用激光干涉位移測量技術(shù)可以達(dá)到納米級分辨力，其具有可溯源、分辨力高、測量速度快等特點(diǎn)，是目前位移測量領(lǐng)域的主流技術(shù)。本文對目前主要的激光干涉位移測量技術(shù)進(jìn)行了分類介紹，并對各種干涉儀的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后介紹了激光干涉位移測量技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。關(guān)鍵詞：納米級；激光干涉；位移測量；1引言干涉測量技術(shù)(interferometry)是基于電磁波干涉理論，通過檢測相干電磁波的圖樣，頻率、振幅、相位等屬性，將其應(yīng)用于各

2、種相關(guān)的測量技術(shù)的統(tǒng)稱。用于實(shí)現(xiàn)干涉測量技術(shù)的儀器被稱為干涉儀。在當(dāng)今多個科研領(lǐng)域，干涉測量技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用，包括天文學(xué)，光纖光學(xué)，以及各種工程測量學(xué)。其中由于上個世紀(jì)60年代激光的研制成功，使得激光干涉測量技術(shù)在各種精密工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它的基本功能是將機(jī)械位移信息變成干涉條紋的電信號，再對干涉條紋進(jìn)行調(diào)理和細(xì)分，進(jìn)而獲得所需要的測量信息。整個激光干涉測量系統(tǒng)中主要的組成部分有光電轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理、信號細(xì)分處理。1.1激光干涉儀分類激光干涉儀是以干涉測量為原理，利用激光作為長度基準(zhǔn)，對數(shù)控設(shè)備(加工中

3、心、三坐標(biāo)測量機(jī)等)的位置精度（定位精度、重復(fù)定位精度等）、幾何精度（撫養(yǎng)扭擺角度、直線度、垂直度）進(jìn)行精密測量的精密測量技術(shù)。由于激光具有波長穩(wěn)定、波長短、具有干涉性，使得激光在現(xiàn)代光電測量系統(tǒng)中占據(jù)了重要的地位，尤其是在激光干涉測量系統(tǒng)中。下面介紹激光干涉儀測量原理以及激光干涉儀。光的相長干涉和相消干涉：圖1.光的相長以及相消干涉如果兩束光相位相同，光波會疊加增強(qiáng)，表現(xiàn)為亮條紋，如果兩束光相位相反，光波會相互抵消，表現(xiàn)為暗條紋。圖1.1就是光的相長以及相消干涉，而激光干涉儀主要依據(jù)的原理就是激光的干涉產(chǎn)生明亮條

4、紋并將其轉(zhuǎn)換成相關(guān)的電信號，從而獲取所需要的位移信息。整個光電系統(tǒng)中激光干涉儀是最重要的組成部分，雖然目前市場存在各式的激光干涉儀，但從其工作的基本原理上來說，主要可以分為單頻激光干涉儀以及外差激光干涉儀兩種基本類型。1.1.1單頻激光干涉儀圖1.2是最基本的單頻激光干涉儀和信號處理示意圖。首先激光器發(fā)出激光，光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡，通過分光鏡然后分為兩路，一束在參考鏡和分光鏡之間反射，另一束在測量鏡和分光鏡之間反射，最后兩束激光在分光鏡上匯合進(jìn)而產(chǎn)生干涉。兩束激光的干涉光強(qiáng)就會隨著測量鏡的移動而產(chǎn)生干涉明暗條紋變化，通過

5、光電探測器以及相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換電路將光強(qiáng)信息變成電信號，經(jīng)過一系列的調(diào)理電路之后輸入到數(shù)字處理器或者計(jì)算機(jī)上，計(jì)算出干涉條紋數(shù)量，之后根據(jù)公式計(jì)算出位移。圖2單頻激光干涉儀原理單頻激光干涉儀測量技術(shù)雖然可以達(dá)到很高的精度，但是單頻激光測量的光強(qiáng)信號和經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后獲得的電信號都是直流信號，存在直流漂移，同時單頻激光干涉儀測量技術(shù)對外界環(huán)境要求特別高，干涉儀的兩臂的光強(qiáng)不允許有較大的變化，一旦外界環(huán)境擾動造成光強(qiáng)的變化，儀器可能就會停止工作。因此整個單頻激光干涉儀測量系統(tǒng)中對于信號的調(diào)理就顯得尤為重要，這對整個光電測量

6、系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度有著重要的影響。1.1.2雙頻激光干涉儀為了減小單頻激光干涉儀的缺點(diǎn)，雙頻激光干涉儀通過高頻調(diào)制測量信號的相位，把信號頻帶帶出低頻區(qū)，濾除環(huán)境噪聲以及相應(yīng)的電噪聲。圖1.3是典型雙頻激光干涉測量系統(tǒng)的原理圖。圖3雙頻激光干涉儀從激光器中發(fā)出兩束同軸的并且在偏振方向上相互垂直的線偏振光，其頻率為，經(jīng)過BS分光鏡分成兩束光，其中一束經(jīng)過BS反射后直接被光電探測器所接收，作為參考光束。此時，由馬呂斯定律可知，在檢測器的主截面上，這兩束相互垂直的線偏振光會發(fā)生拍頻現(xiàn)象，拍頻信號被作為參考信號；另一束光經(jīng)BS

7、投射進(jìn)入PBS偏振分光器，PBS會把這兩束偏振方向相互垂直的線偏振光分開，經(jīng)反射射向固定角隅棱鏡，經(jīng)投射射向測量角隅棱鏡。如果測量角隅棱鏡以速度V進(jìn)行移動，此時會造成多普勒效應(yīng)，這時，反射回來的光束的頻率變?yōu)椋y量角隅棱鏡的移動的方向決定了正負(fù)號的選?。＿@束光在此進(jìn)入PBS，與重新會合后被光電探測器接收，作為測量光束，同樣的，在檢測器的主截面上，兩束光同樣會發(fā)生拍頻現(xiàn)象，此時拍頻信號作為測量信號。由此我們可以得到解調(diào)的測量信號。雙頻激光干涉儀是利用多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻差來測量位移信息，這種位移信息加載在和的頻差上，因

8、此對由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。2兩種激光干涉儀特點(diǎn)分析單頻的激光干涉儀具有裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，精度高、靈敏度好的特點(diǎn)。但是它的一個根本弱點(diǎn)就是受環(huán)境影響嚴(yán)重，在測試環(huán)境惡劣，測量距離較長時，這一缺點(diǎn)十分突出，其原因在于它是一種基于直流調(diào)幅信號處理的干涉儀，受環(huán)境影響嚴(yán)重，從而產(chǎn)生計(jì)數(shù)誤差。激光干涉儀產(chǎn)生的光信號要經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和電