激光干涉法位移测量集成演示装置的设计

　　自60年代初激光问世以来,激光已成为精密测量中的有力工具。激光测长具有分辨率高、量程大、测速快、易实现非接触动态在线测量等优点。在长度、角度、微孔、微径、厚度、表面光洁度、轮廓以及折射率等测量中发挥着卓越的优势,使制造业测试技术实现了μm级的突破。已经出现了各种各样的激光位移测量仪,但目前的测长测角仪大部分是分离装置,同一台仪器要实现既可测长又可测角,必须得更换光学元器件,重新调试光路。因此激光的测长和测角的集成装置的研究具有重要意义。本文研究激光干涉测长原理和测角原理以及激光束的光学处理技术,设计了实现线位移、角位移两种功能的激光测量集成装置。

　　1　基本概念

　　1.1　迈克尔逊干涉仪测长原理

　　迈克尔逊干涉仪测量原理如图1所示:激光经过分光镜B后被分成两路,透射光射向动镜M2,反射光射向参考镜M1。两路光在观察屏P处产生干涉条纹。用于长度测量的现代激光干涉仪,除了采用He-Ne激光器作光源外,就其光学结构而言,与迈克尔逊干涉仪并无明显区别,所以干涉仪在空气中使用时的测长公式为:

式中L为被测长度;n为空气折射率;λ0为真空中的波长;k为干涉条纹明暗变化的数目。如果用光电接收器接收,则被测长度移动一定距离,光电接收器输出信号变化一个周期,计下信号变化的周期数,根据公式(1)就确定了被测长度L。

　　1.2　测角原理

　　小角度测量的正弦原理,如图2所示,sinα=H/R,α=arcsinH/R。激光小角度测量仪就是将R固定,用激光干涉测长法测出H即可求得α值。一路沿光路b射向参考镜4。当棱镜在位置Ⅰ时沿光路a返回并与沿光路b返回的参考光束在接收器6处发生干涉。当棱镜移动到位置Ⅱ时,由于棱镜2和反射5的作用,干涉图样相对接收器6的位置依然保持不变,如图3。棱镜在位置Ⅰ和位置Ⅱ的光程差为:

　　k为条纹移动的数目,即计数器所计数目。如果R为常数,就可以按α=arcsinH/R求得α角。本仪器的测量范围是±5°,在±1°内仪器最大误差为±0.5°。

　　1.3　集成测量原理

　　激光器射出的光束经过倒置望远镜准直扩束后进入分光器,光束在A点被分成a、b两路。当测长时,锁定直角棱镜6;当测角时,锁定直角棱镜4。本光路为避免反射回来的光束激光器而影响激光束的质量,将返回光束向下平移一定距离。此外,由于采用了双次反射,因此测得的线位移L(或H)为kλ/4,比单次反射测长分辨率提高了一倍,如图4。

　　2　信号处理方案

　　为了得到测量值并用数字显示,应对信号进必要的处理。要识别正反行程,即辨向,需要有两路相差90°的信号,要得到两路相差90°的信号,可选用两个接收器来实现,如图5所示。将切换开关置于“测角”档,计数值进入角度运算电路,将位移值运算为角度值,然后显示测量结果。