测量大型机件的精密测距仪

　　重型机械,造船和航空工业等都需要高精度的大尺寸测量装备。由于被测对象不仅尺寸大,一般重量也很大,常用的测量机之类的设备远不能满足要求。基线尺、经纬仪等精度较低,近年来出现的激光跟踪仪需要人工移靶镜,而且复杂昂贵。虽然德国、瑞士有号称能用测距方式测量大尺寸的光电跟踪仪新功能广告,但经了解,还只是一种研究计划。

　　这里介绍的精密测距系统用双纵模并存的稳频He-Ne激光为光源[1]。由于双纵模生成于同一谐振腔内,具有天然同轴的优势,在整个测量范围内不会发生光束分离,而且在发生频率漂移时其变化方向也相同。以上两点对拍频测量技术很重要[2]。任何被测的机械件都有已知的名义尺寸,制造或检验者所关心的是它的精度(误差)。这个测量系统用的拍波波长约380 mm,测量时不难知道这段被测距离中有多少个节点(波长),而只要能准确测出离测量起点和终点最近的两个节点,以及测量点到该节点的精确距离就得到所要的测量结果[3]。

　　本系统采用过零定位法的节点判别技术,以及组合于同一光路中的双频干涉仪来测量节点和起点、终点距离。整个系统的测量不确定度是30μm/10 m,因为环境空气干扰,测量的不确定度和被测距离有关。

　　1　稳频光源的工作原理

　　在一定长度的激光谐振腔中可能有几个纵模存在,它们的模间隔是△f=C /2L(式中,C为光速,L为谐振腔长度)。由于模竞争,只有一个模可以占主导地位,但不久会被相邻的模替代。如此替换不止,替换的周期会逐渐变长,但变化不会停止。如果谐振腔的长度可以精确控制,并使其变化总是有利于正在变弱的模,那么两个相邻纵模就可以同时并存,强度也几乎相同。最直接的方法就是通过控制放电电流来改变放电管的温度,从而改变内腔式激光管的谐振腔长度[4]。通过这种方法,可以稳定激光器的两个频率及其拍频,稳频系统的工作原理如图1所示.

　　内腔式He-Ne激光器长度为190 mm,发出线偏振方向相互垂直的双纵模激光。通过两个相应的布儒斯特窗,两个纵模的一小部分被分别反射到两个光电池上。如果一个模减弱,相邻模必然增强。相应的光电探测器的输出电压也会被减弱或增强,于是差动放大器会收到一个不平衡输入电压。信号经放大后控制调压电源,从而控制激光器的放电电流来增强较弱的一个模。这样就可使两相邻模同时并存,强度几乎相同。经检定,其频率稳定度达到1×10-9。实际工作中,有风的环境对稳频来说是最不利的。实验证明[4],此时的频率稳定度也优于1×10-7。

　　2　测量系统与实验

　　该测距仪的测量系统如图2所示。