激光干涉儀原理介紹

1、apply innovationSlide 12/6/2022apply innovationSlide 22/6/2022基本概念基本概念 激光干涉儀激光干涉儀什么是激光干涉儀： 利用激光作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，對(duì)數(shù)控設(shè)備(加工中心、三座標(biāo)測(cè)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（俯仰扭擺角度、直線度、垂直度等）進(jìn)行精密測(cè)量的精密測(cè)量?jī)x器。apply innovationSlide 32/6/2022基本概念基本概念機(jī)床精度的機(jī)床精度的21項(xiàng)誤差項(xiàng)誤差For Linear measurement (3):xdx ydy zdzFor Angular measurement (9):A

2、x Bx Cx Ay By Cy Az Bz CzFor Straightness measurement (6):xdy xdz ydx ydz zdx zdyFor Squareness measurement (3)XZ, XY, YZapply innovationSlide 42/6/2022 激光輸出可視為一束正弦波.雷尼紹XL-80所用的激光的波長(zhǎng)是633nm. 激光具有三個(gè)重要特性：激光波長(zhǎng)非常穩(wěn)定，可以精密測(cè)量測(cè)量的要求。激光波長(zhǎng)非常短，可以用于高精度測(cè)量。激光具有干涉特性。Wavelength基本概念基本概念 激光及其特點(diǎn)激光及其特點(diǎn)apply innovationSlid

3、e 52/6/2022基本概念基本概念 激光的產(chǎn)生激光的產(chǎn)生apply innovationSlide 62/6/2022基本概念基本概念 激光的干涉特性激光的干涉特性如果相位相反，則光波會(huì)相互抵消，表現(xiàn)為如果相位相反，則光波會(huì)相互抵消，表現(xiàn)為暗條紋。暗條紋。如果兩束光相位相同，光波會(huì)疊加增強(qiáng)，表如果兩束光相位相同，光波會(huì)疊加增強(qiáng)，表現(xiàn)為亮條紋?，F(xiàn)為亮條紋。相長(zhǎng)干涉相長(zhǎng)干涉相消干涉相消干涉+-=+=apply innovationSlide 72/6/2022線性測(cè)量原理線性測(cè)量原理安裝方式：安裝方式：apply innovationSlide 82/6/2022線性測(cè)量光路圖線性測(cè)量光路圖移

4、動(dòng)反射鏡移動(dòng)反射鏡固定反射鏡和分光固定反射鏡和分光鏡鏡apply innovationSlide 92/6/2022 激光頭激光頭 從激光頭發(fā)出的激光被分光鏡（A)分為2束光。 一束光經(jīng)過(guò)固定的反射鏡形成參考光. 另一束激光經(jīng)過(guò)移動(dòng)的反射鏡 (C) 形成測(cè)量光.反射光和測(cè)量光經(jīng)過(guò)分光鏡后匯合，并且彼此干涉. 線性測(cè)量原理線性測(cè)量原理C (移動(dòng)反射鏡移動(dòng)反射鏡)A (分光鏡分光鏡) B (固定反射鏡固定反射鏡)輸出光輸出光反射光反射光測(cè)量光測(cè)量光匯合光匯合光apply innovationSlide 102/6/2022線性測(cè)量原理線性測(cè)量原理如果相位相反，則光波會(huì)相互抵消，表現(xiàn)如果相位相反，則

5、光波會(huì)相互抵消，表現(xiàn)為暗條紋。為暗條紋。如果兩束光相位相同，則光波會(huì)疊加增強(qiáng)，如果兩束光相位相同，則光波會(huì)疊加增強(qiáng)，表現(xiàn)為亮條紋。表現(xiàn)為亮條紋。相長(zhǎng)干涉相長(zhǎng)干涉相消干涉相消干涉參考光：固定不動(dòng)參考光：固定不動(dòng)測(cè)量光：隨著反射鏡的移動(dòng)而移動(dòng)測(cè)量光：隨著反射鏡的移動(dòng)而移動(dòng)移動(dòng)反射移動(dòng)反射鏡鏡apply innovationSlide 112/6/2022線性測(cè)量原理線性測(cè)量原理激光干涉儀通過(guò)接收到的激光的明暗條激光干涉儀通過(guò)接收到的激光的明暗條紋變化，再通過(guò)電子細(xì)分，從而知道距紋變化，再通過(guò)電子細(xì)分，從而知道距離的細(xì)微和準(zhǔn)確變化。離的細(xì)微和準(zhǔn)確變化。+-=+=apply innovationSli

6、de 122/6/2022線性測(cè)量線性測(cè)量apply innovationSlide 132/6/2022lISO 230-2 (1997)-InternationallASME B5.54-U.S.A.lBS 3800-U.K.lJIS B6330-JapanlGB 10931-89-ChinalVDI 3441-GermanylE60-099-France激光干涉儀測(cè)量與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)激光干涉儀測(cè)量與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)apply innovationSlide 142/6/2022角度測(cè)量角度測(cè)量安裝方式安裝方式apply innovationSlide 152/6/2022角度測(cè)量角度測(cè)量固定干涉鏡固定

7、干涉鏡移動(dòng)反射鏡移動(dòng)反射鏡apply innovationSlide 162/6/2022角度測(cè)量角度測(cè)量 激光頭激光頭固定干涉鏡固定干涉鏡移動(dòng)反射鏡移動(dòng)反射鏡apply innovationSlide 172/6/2022角度測(cè)量角度測(cè)量apply innovationSlide 182/6/2022直線度測(cè)量直線度測(cè)量apply innovationSlide 192/6/2022直線度測(cè)量直線度測(cè)量apply innovationSlide 202/6/2022直線度測(cè)量直線度測(cè)量激光頭Wollaston棱鏡光線 1光線 2直線度反射鏡 apply innovationSlide 212

8、/6/2022直線度測(cè)量直線度測(cè)量激光頭直線度反射鏡Wollaston棱鏡光線 1(加長(zhǎng))光線 2(縮短)移動(dòng)方向 apply innovationSlide 222/6/2022直線度測(cè)量直線度測(cè)量 The easiest way to understand how the system detects straightness deviations is to imagine what happens to the relative path lengths of Beam 1 and Beam 2 if the straightness reflector moves sideways

9、As the reflector is moved upwards, Beam path 1 gets longer and Beam path 2 gets shorter This change in the relative path lengths causes a change in the interference signal intensity as the interference cycles between constructive and destructive interference. The detection unit detects these changes

10、 and converts them to a reading that is proportional to the change in relative path length. This is then multiplied by the appropriate factor to give the amount of sideways motion of the reflector.Straightness reading Change in path length 2 x Sin ( / 2 )apply innovationSlide 232/6/2022垂直度測(cè)量垂直度測(cè)量app

11、ly innovationSlide 242/6/2022垂直度測(cè)量垂直度測(cè)量 分別測(cè)量2個(gè)軸的直線度，然后將兩者進(jìn)行運(yùn)算，得出垂直度Step 1:Step 2:apply innovationSlide 252/6/2022平面度測(cè)量平面度測(cè)量apply innovationSlide 262/6/2022平面度測(cè)量平面度測(cè)量-網(wǎng)格法網(wǎng)格法對(duì)角線法對(duì)角線法平面度測(cè)量方法測(cè)量原理apply innovationSlide 272/6/2022回轉(zhuǎn)軸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸測(cè)量 - RX10RangeUnlimitedAccuracy1 arc secResolution0.2 arc secMax velo

12、city30rpm (step 10deg)RemarkOperating temperature:0 to 40 degCapply innovationSlide 282/6/2022回轉(zhuǎn)軸測(cè)量回轉(zhuǎn)軸測(cè)量 - RX10apply innovationSlide 292/6/2022為什麼需要補(bǔ)償？為什麼需要補(bǔ)償？l 激光波長(zhǎng)是高測(cè)量精度的基礎(chǔ)。l 然而.激光的波長(zhǎng)會(huì)受到空氣折射率的影響。l 空氣折射率又受到大氣壓、溫度和濕度的影響。l 雖然空氣折射率對(duì)激光波長(zhǎng)的影響不大，但是在高精度測(cè)量的情況下，補(bǔ)償是非常必要的。apply innovationSlide 302/6/2022環(huán)境補(bǔ)償單元

13、環(huán)境補(bǔ)償單元lRenishaw XC80環(huán)境補(bǔ)償單元的高性能可以保證在0-40度環(huán)境溫度范圍內(nèi)，和650-1150 mbar的環(huán)境大氣壓范圍內(nèi)得到最高的測(cè)量精度?？諝鈮毫ccuracy: 1.0 mbar濕度Accuracy: 6%空氣溫度Accuracy: 0.2 C材料溫度Accuracy: 0.1 Capply innovationSlide 312/6/2022監(jiān)控4個(gè)參數(shù):空氣溫度 空氣壓力 波長(zhǎng)補(bǔ)償相對(duì)濕度 /材料溫度 - 材料補(bǔ)償環(huán)境補(bǔ)償單元環(huán)境補(bǔ)償單元Environmental temperature (deg c)Accuracy ppmLinear Measurement

14、 accuracy 0.5ppmSystem Accuracy XL-80 System012345670510152025303540Material expansion normalisation accuracyapply innovationSlide 322/6/2022如果沒(méi)有補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生哪些誤差如果沒(méi)有補(bǔ)償會(huì)產(chǎn)生哪些誤差?- 如下的變化會(huì)帶來(lái)1ppm的變化: 空氣溫度 1 degree Celsius 空氣壓力 3.3 mbar 相對(duì)濕度 (at 20 degree Celsius) 50% 相對(duì)濕度 (at 40 degree Celsius) 30%Uncompensated

15、CompensatedLaser frequency (0.05ppm)02468101214161820Error ppmAltitude (100m)Air temperature (25 C)Air humidity (70%)Air pressure (970mbar*)Error sourceapply innovationSlide 332/6/2022材料溫度補(bǔ)償在沒(méi)有溫控的環(huán)境下，最大的一個(gè)誤差來(lái)源于機(jī)床的膨脹和收縮。標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的控制溫度是 20C, 所以需要一個(gè)修正，即： 熱膨脹補(bǔ)償，或標(biāo)準(zhǔn)化。例如: 鋼的熱膨脹系數(shù)是 12ppm/ C 在 20 C下，一支 1000 mm 的

16、鋼棒, 在28 C下，其長(zhǎng)度將是1000+1000 x12x8x10-6 = 1000.096 mm. 但是激光的讀數(shù) (熱補(bǔ)償后)將是 1000.000 mmapply innovationSlide 342/6/2022材料的熱膨脹系數(shù)材料的熱膨脹系數(shù)MaterialApplicationExpansion coefficientppm/Fppm/CIron/steelMachine structural elements, rack and pinion drives, ballscrews6.511.7Aluminium alloy Lightweight CMM machine struc