激光干涉儀使用技巧講解

1、f靜堂鴦濺斌技術）2 0 0 7亭第弘謄第O麓 激光干涉儀使用技巧PreciseG口 洫toVsineaLaserInterferometer魏純（廣州市計最檢測技術研究院，廣東廣州5 1 0 0 3 0 ）瓣萎：本文討論了激光予涉儀在使用巾的準直等技礴，用戶在實際使用中增加 葺芒件以及維護巾邋薊的同舔。燕鍵詞：激光平涉儀；準直1引言高性能激光干涉儀具有快速、高準確測量的優(yōu)點，是校準數(shù)字機床、坐 標測量機及其它定位裝置精度及線性指標最常用的標準儀器，弦者所在單位使用的 是英國RENISHAW公閉生產(chǎn)的ML1 0激光干涉儀，具有性能穩(wěn)定，使罱方 便等特點。通過較長時闖使用，作者認為測量人員除了要

2、考慮環(huán)境、溫度、原理等影響測 量的常規(guī)因素外，掌握一些激光干涉儀的使用技巧會使測量互作事半功倍。2原理介紹ML10激光干涉儀是根據(jù)光學千涉基本原理設計磊成酌。從ML10激光器 射出的激光束有單一頻率，其標稱波長雋0 .6 3 3 pLI n,且其長期波長穩(wěn)定 ?。ㄕ婵諣顟B(tài)）要高于0 .lppm。當此光束抵達偏振分光鏡時，會被分為兩道 光束一一道反射光糯一道透射光。這兩道光射向其反光鏡，然后透過分光鏡反射圈 去，在激光頭內(nèi)的探測器形成一道干涉光束。若光程差沒有任俺變訖，探測器會在 樵長性秘楣潢性于涉的兩極找到穩(wěn)定的信號。若光程差確實有變化，探測器會在每一次光程改變時，在相長性和相消性干涉的弼極找

3、到變動的信號。這些變化（援格）會被計算并用來測量兩個光程聞的差異變 化。測量的光程就是柵格數(shù)乘以光束大約一半的波長。值褥注意的是，激光束的波長取決于所通過敖空氣折射率。由于空氣折射率會 隨著溫度、壓力和相對濕度而變化，用來計算測蹩值的波長值可能需要加以李 償，以配合這魍環(huán)境參數(shù)豹改變。實際上就測量準確度而言，此類補償在進行線性 位移（定位精度）測量，特別是量程較大時，非常重要。3激光干涉儀使用技巧3.1Z軸激光光路快速準直方法用激光干涉儀進行線性測量時，無論是數(shù)字機床、還是坐標測燮楓，z軸測量酵激光光路的礁童榻對X、Y軸準直來說，要 困難的多。尤其是在z軸距離較長的情況下，要保證激光光束經(jīng)反射

4、鏡反射后回到 激先探測器的強度滿足測量對對光強的要求，準妻激光光路往往需要很長時間。根據(jù)作者長期使用的經(jīng)驗，按照 離處動尾部，低處動整體”的調(diào)整方法，將會 大大縮短漆直時聞。（尾部”是指ML1 0激光器電源接口邊上的傾斜度調(diào)蹩旋鈕 和三兔架云臺上的旋轉(zhuǎn)微調(diào)控制旋鋰，整體”是指三。角架云龠酶平移控制旋鋰和三角架的商度調(diào)整曲柄。）具體調(diào)整方法如下：z軸置于低處，利用ML1 0激光器外斃中部的瞄準槽，正對z軸放置分光鏡，左右移開Z輔，觀察激光光 路，保證激光轉(zhuǎn)向后大致平行于z軸，左右移回z軸放置線性反射鏡及光靶（可以蓋在反射或分光鏡上以幫助入眼瞄準及控制光路的靶），激光打在反射鏡光靶 上。初步調(diào)整后

5、，圍定分光鏡并在分光鏡上安裝光靶，通過整體”調(diào)整精確瞄準光靶后，取下分光鏡光韉，將z軸升離，觀察激光在反光鏡光靶上偏離程度，同時透 過 尾部”調(diào)整使激光對準反光鏡光靶，若在此過程中醫(yī)尾部”的調(diào)整導致分光鏡遮擋了部分激光，嬲將Z軸停止上升西到起始處，重新調(diào)整整體”，再次對準反射鏡光靶。緊接著再升z軸，繼續(xù)調(diào)整 尾部”，觀察激光在反光鏡光靶上德離程度。重 復整個過程，往德凡次即可達封準直要求。需要注意的是整體”和 尾部”不能同時調(diào)整，一定按照 高處動尾部，低處動整體”的方法分另諼整，否財溺整過程很容 易混亂。3.2輔助工具的選擇雖然ML1 0激光干涉儀安裝組件比較齊全，但在實際使瘸過程孛逐是需要另

6、 外配置一些轅助工輿：3.2.1自己研制低高度云螽支架部分機床工作臺高度與地面是基本相平的，那么測量Z軸器重，如果使黑激光 干涉儀原裝三角架及云臺安放激光器于地面，則肯定會因為三角架本身的高度，損失lm左右的測量范圍。作者是采用自己研制低的高度云臺支架，焉機床的遁蔫緊逶裝置露緊在槐床平臺上或利用藏物緊 圃，將云臺裝在上面，仍然利用手柄鎖緊，整個裝置高3 0 cm左右，則最大程度 的保魏純：激光干涉僅使用技巧雹證z軸的測量范圍。3.2.2選擇磁性表座磁性表座是激光干涉儀常用的輔助工具，選擇時需要注意，表座工作面上需有 M8的螺孔以配合安裝鏡組安裝桿，主磁性吸面位于底面和側(cè)面的表座各選擇兩個（實驗

7、室或工廠多采用的是主磁性吸面位于底面的表座），在測量時， 往往側(cè)面吸的表座更利于激光干涉儀鏡組的安裝。在現(xiàn)場使用是激光干涉儀廣泛應用的一個特點，但往往現(xiàn)場工作條件比較差，裝夾具不一定全。作為校準測試人員，提前較好較全地選擇配套輔助工具，根據(jù)現(xiàn)場情況，合理使用 輔助工具，是順利、高效完成測量任務的重要一環(huán)。3.3鏡組的靈活使用ML1 0激光干涉儀配備有線性測量鏡組、角度測量鏡組、平面度測量組件、直線度測量組件、垂直度測量鏡組、激光器準直輔助鏡等等，實際使用中，有些不同功能的鏡組也可以相互組合使用，以滿足測量需要。比如角度測量鏡組中的 反射鏡也可以替換線性測量鏡組中的反射鏡；激光器準直輔助鏡的使用

8、可以減少準直調(diào)整的時間。同時，激光干涉儀各個測量鏡組也可以在別的測量工作中使用，常見的利用分光鏡或者光學直角器，達到改變光路，方便測量 的目的。這需要，測量人員了解設備性能、掌握測量技巧，在滿足測量準確度的前提下活學活用。3.4配備專用電腦的重要性ML1 0激光干涉儀常配合筆記本電腦使用，但如果不注意專用的問題，無論 是軟件沖突、抑或是電腦病毒，往往會影響到測量和使用。作者曾經(jīng)在一臺大型銃床位置準確度檢測過程中，遇到測量中電腦無端重啟， 導致之前測量過程中的數(shù)據(jù)全部丟失的情況。過后檢查該電腦，沒有發(fā)現(xiàn)病毒或其 他問題，但確實長時間用于激光干涉儀測量中，會出現(xiàn)重啟的現(xiàn)象。電腦專屬專用，利于測量數(shù)

9、據(jù)長期保存，方便測量人員進行數(shù)據(jù)分析、問題查 找。3.5日常維護MLIO激光干涉儀使用中日常維護也同樣重要，要注意以下幾點：(1)避免現(xiàn)場與儀器箱內(nèi)溫差較大時，直接開箱使用;(2)運輸、使用中避免劇烈碰撞；(3)儀器線纜要防止碾、壓，線纜接口防止變形；(4)多塵的環(huán)境中，要注意光學鏡組放塵，測量間隙較長時，注意將激光光閘關閉，防止灰塵進入激光器；(5)清洗光學鏡組要使用高質(zhì)量的擦拭紙、清洗液。參考文獻1】楊靖岳，邵蔭梅，張仁岱，周明家白準直儀機械工業(yè)出版杜，19 8 2.2計量測試技術手冊編委計量測試技術手冊第二卷中國計量出版社，1 9 9 7.3F.T .阿雷克E.O.舒爾茨一杜波依斯.激光

10、器.科學出版社，1 9 8 0.【4】葉聲華.激光在精密計量的應用.機械工業(yè)出版社，1 9 8 2.5RENISHAWML10激光干涉儀測量系統(tǒng)說明書.作者簡介：魏純，男，助理工程師。工作單位：廣州市計量檢測技術研究院。通訊地址：5 1 0 0 3 0廣州市廣仁路11號。收稿時問/ 2 0 0 7 0 6加O(上接第3 7頁)不要用力過猛，同時不能使齒輪與齒條脫離嚙合。調(diào)整好嚙合間隙后將三個安 裝螺釘擰緊。(7)修理示值誤差?？ǔ叩氖局嫡`差在整個測量0529范圍內(nèi)為負時的修理。見表1表1單位：mill將主尺背面固定齒條靠近測量面第一個螺釘松開，裁剪一條長度1 Omm寬度3mm厚度0 .06mm

11、左右的銅箔如果沒有用普通打印紙也可以。將銅箔塞到齒條與主尺接觸的間隙中， 然后擰緊固定螺釘。注意不要讓銅箔高出齒條表面。卡尺的示值誤差在整個測量 范圍內(nèi)有正有負時的修理。見表2。修理方法基本同上。不同之處是要擰松8 1.6mm附近固定齒條的螺釘，將銅箔塞到8 1.6mm處齒條與主尺接觸的間隙中，然后擰緊固定 螺釘。用此方法修理帶表卡尺示值誤差效果明顯，只是在修理時要根據(jù)示值誤差的大 小選用不同厚度的銅箔（或紙張）。作者簡介：張軍生，男，高級技師。工作單位：中國航天科工集團7 8 0 1研究所。（湖南國防區(qū)域計量站4102校準實驗室）。通訊地址：41020 5湖南省長沙市5 8 5信箱3分箱。收

12、稿時聞：2 0 0 7作者：魏純激光干涉儀使用技巧作者單位：廣州市計量檢測技術研究院，廣東，廣州,510030刊名：計量與測試技 術英文干刊名：METROLOGY & MEASUREMENT TECHNIQUE 年，卷（期:2007, 34（10引用次數(shù)：0次參考文獻（5條1.楊靖岳.邵蔭梅.張仁岱.周明家自準直儀19822計量測試技術手冊編委 會計量測試技術手冊19973. F T阿雷克.E O舒爾茨-杜波依斯 激光器19804.葉聲 華激光在精密計量的應用19825. RENISHAW ML10激光干涉儀測量系統(tǒng)說明書相似文獻（10條1. 會議論文曹利波利用激光干涉儀對機床定位精度的快速檢

13、測2008簡要介紹了雙頻激光干涉儀的組成和工作原理，并介紹了一種快速調(diào)整激光干 涉儀準直的方法以及檢測機床定位精度時的注意事項。2.期刊論文于迎紅激光干涉儀線性光束準直的快速調(diào)整方法-計量技術2006（9本文介紹了在生產(chǎn)現(xiàn)場激光干涉儀光束準直的快速調(diào)整方法，掌握技巧可提高 工作效率.3.學位論文 成相印激光準直測量中幾個基礎性問題的研究 1994該文綜述了當前激光準直測量方法，通過比較分析，認為下面三個問題帶有一定 普遍性，值得仔細研究:1激光的穩(wěn)頻;2光學、光路的自適應;3結(jié)構(gòu)分析.該文提出了 一種用雙頻激光干涉儀測量直線度的新方法.從激光頭出射的激光，通過第一個渥拉 斯屯棱鏡變成兩束夾一小

14、角度的光束，再通過第二個渥拉斯屯棱鏡變成兩束平行光， 經(jīng)直角體反射回激光頭，通過對測量光束和參考光束比相，就可獲得直線度偏差.4.學位論文陳慶基于信號調(diào)制的二維微小角度傳感器的設計 2007角度測量在現(xiàn)代企業(yè)的質(zhì)量保證體系中具有非常重要的地位，也是幾何量計量 技術的重要組成部分。隨著納米測試技術的進一步發(fā)展，高精度、高分辨率小角度 測量方法的研究成為此領域研究的一項重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段由于運用了各種先進的測 量手段和儀器，使得測量準確度和精度達到了很高的水平。但是，傳統(tǒng)的小角度測 量儀器如激光干涉儀，光電自準直儀等，由于具有體積大、系統(tǒng)復雜、造價昂貴、 對測量環(huán)境要求高、較難組成多維測角系統(tǒng)等特點

15、而很難用于工業(yè)高精度在線測 量。本課題就是在這樣的背景下提出來的。為了解決上述問題，本課題基于光學 內(nèi)反射效應，設計并試制了一種新型二維微小角度傳感器，實現(xiàn)二維角度的測量， 為下一步設計組建小型化多自由度位移檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對精密加工機床或坐標測量 機的運動姿態(tài)及誤差的測量奠定基礎。本系統(tǒng)采用基于MSP430高性能單片機檢測電路進行數(shù)據(jù)處理，提高系統(tǒng)的響應速度；使用光源調(diào)制方法，提高信號的測量精 度。以下是本論文的主要研究內(nèi)容：1.論述了本文研究的目的和意義，查閱了大 量的國內(nèi)外有關技術資料，綜合評述了微小角度測量技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。2.從理論上系統(tǒng)的分析了基于光學內(nèi)反射效應測角法的原理。3.

16、設計制作了一種可調(diào)制半導體激光器，包括準直系統(tǒng)和調(diào)制驅(qū)動電路。4.設計制作了基于單片機系統(tǒng)的處理電路，對其技術性能、工作特性進行了實驗研究。5提出該傳感器的評價方法，對影響檢測準確度的誤差因素進行了比較系統(tǒng)地分析。5.期刊論文高媛.郭麗莎激光干涉儀測角系統(tǒng)的精度補償方法-計量技術2003(1提出一種新的準直方法對HP5528A激光干涉儀測角實現(xiàn)了精密計量.6.期刊論文 黃天喜.嚴禎.曾韜.HUANG Tian-xi. YAN Zhen. ZENG Tao幾種測量機床導軌直線度誤差的方法-機械工程與自動化2008(2介紹了 3種測量機床導軌直線度的方法，闡述了其基本原理，并對其進行了分析和比較.

17、7.期刊論文 張立新.黃玉美.王峰.ZHANG Li-xin. HUANG Yu-mei. WANGFeng干涉測量的誤差分析與并聯(lián)機床的準確度測量-光子學報2008,37(6對雷尼紹激光干涉儀的線性測量原理進行了詳細探討，分析了干涉儀在線性測 量中的主要影響因素和誤差誘因；作出了線性測量的準直誤差特性曲線和阿貝誤差 特性曲面，并利用最小二乘法擬合得到了干涉儀準直測量誤差的數(shù)學模型和沿u、v方向離散的阿貝誤差特性曲線方程；給出了一種建立誤差數(shù)學模型的方法采用激光 干涉儀檢測了并聯(lián)數(shù)控機床直線軸的運動準確度 ，并提出了一種適合于并聯(lián)機床直 線軸定位準確度測量的干涉測量方法.8. 學位論文嚴琴落體

18、法等效原理實驗檢驗中的激光干涉測量系統(tǒng)2002等效原理是物理學的基本假設之一.它最基本的表述是在局域慣性系中，作用在 物體上的引力和慣性力是無法通過實驗加以區(qū)分的.人們已經(jīng)采用了許多種方法來 檢驗這一原理.不過所有已完成和正在進行的等效原理實驗都是檢驗非旋轉(zhuǎn)物體的 等效性.張元仲等人首次提出檢驗宏觀旋轉(zhuǎn)物體的等效性.分析表明可以通過測量旋 轉(zhuǎn)物體在自由下落過程中受到的加速度差來檢驗旋轉(zhuǎn)物體的等效性.該文對激光干涉等效原理實驗中光學測量系統(tǒng)的調(diào)試工作進行了介紹，如準直系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)和 角度校準系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等等；對光學測量系統(tǒng)引進的系統(tǒng)誤差進行分析和計算主要包 括高斯光束引入的誤差，光線與測線不平行引入的誤差.結(jié)果表明，該實驗中光學系統(tǒng) 所帶來的相對誤差為 g/g10量級.實驗結(jié)果表明宏觀旋轉(zhuǎn)物體的等效性在 10的相對精度上是成立的.9.學位論文程吉水工件臺激光干涉儀測量誤差模型研究 2008多自由度精密運動臺是集成電路設備、精密加工機床等的關鍵部件，具有速度 大、精度高的特性，其運動精度直接影響整機的性能，因此多自由度精密運動臺的 高速高精運動控制十分關鍵。實現(xiàn)多自由度精密運動臺的高精度運