实用双纵模激光精密测距仪

　　大尺寸测量是指对0~200 m范围内的长度进行高精度(优于10-5~10-6)的测量。尽管实用化的双频激光干涉仪已可进行60 m范围内的高精度(优于0.5×10-6)测量,但它需要一个长度大于被测尺寸的精密导轨,导轨本身的制造和测量就很困难,何况在大多数情况下是不可能铺设导轨的,因而实现无导轨大尺寸测量就成为目前科学研究和工业生产中亟待解决的技术问题。

　　在解决大尺寸测量问题的各种研究中,主要的技术方案有两种,这就是以多波长激光器为基础的小数重合法无导轨大尺寸测量和以半导体激光器的线性调频技术为基础的连续调频波(FMCW)无导轨大尺寸测量。半导体激光器连续调频波(FMCW)测量技术虽具有体积小,调频方式及测量简便易行的优点,但目前由于半导体激光器光谱线宽的限制(一般在几十MHz左右),其测量精度(仅可达10-4量级)及可测量长度(最大10 m)距实用有很大距离,短时间内尚不能够真正解决无导轨大尺寸测量问题。将着重介绍基于小数重合法原理的多波长激光干涉无导轨大尺寸测量方法的发展现状并介绍一种实用的双纵模激光精密测距仪。

　　1　多波长激光干涉无导轨大尺寸测量技术发展现状

　　多波长激光干涉测量是70年代发展起来的一种高精度绝对距离干涉测量方法,其基本原理是:在小数重合法绝对测长的基础上,引入“合成波长”的概念,利用若干单波长组合成长度不同的合成波链,再利用不同的合成波长逐次求解被测长度,使被测长度逐级精化,最后得到高精度的长度测量值,其基本结构仍为迈克尔逊(Michelson)双光束干涉仪。

　　根据无导轨大尺寸多波长激光干涉测量原理及其发展过程分析,其发展水平主要受以下三方面因素限制:1)多波长激光器研制水平;2)条纹尾数测量精度的提高;3)环境因素的监测及参数的修正水平。其中,尤以第一项因素,即多波长激光器研制水平对大尺寸无导轨测量技术影响最根本。它同时决定测量系统对无导轨大尺寸测量的两个基本要求,即精度适用性(在3~200 m范围内优于10-5~10-6)及环境适用性(工业生产环境)的可满足程度。故以用于测量的多波长激光器的不同可将现有的无导轨大尺寸多波长激光干涉测量方法分为CO2多波长激光器、He-Xe激光器、He-Ne激光器3种主要类型,其中,He-Ne激光器结构简单,其制造技术及稳频技术成熟,合成波长易于找到合适值,因而最有望同时满足对无导轨大尺寸测量技术的精度适用性和环境适用性的要求,采用He-Ne激光器进行无导轨干涉测量的方法主要有两种:一种是中国计量科学研究院采用0.6328μm波段塞曼分裂He-Ne激光器构成的拍波干涉仪,可以在75 m测量范围内达到40μm+2×10-6L(L为被测距离,单位(m))的测量精度。这种方法测量简单,精度合适,但其稳频系统复杂,不容易在工业现场环境使用。另一种是清华大学采用3.39μm波段双线(3.3922μm和3.3912μm)He-Ne激光器,可以在100 m测量范围内达到10-6级的测量精度,这种方法波长链丰富,可取得较高测量精度,但其稳频系统及测量过程均很复杂,且级间过度条件也很苛刻,很难在工业生产环境下顺利完成测量过程,距实用仍有相当距离。