一种新型多波长绝对距离干涉测量系统的研究

　　0　引　言

　　机械制造及其相关行业领域中,几何量的测量必不可少。制造业规模的快速发展,制造精度迅速提高,对测量提出的要求随之越来越高,测量或定位的准确与否,测量设备的实用性、经济性直接关系到产品和工程的质量。因此,测量方法和相应测量设备的研究、开发变得越来越重要。

　　干涉计量是迄今基准测量和各种精密计量中最精确的方法。近年来发展起来的多波长无导轨干涉计量技术[1—3]抛开了传统干涉方法必须采用导轨的限制,并且不需要对干涉光的光电信号进行叠加计数,通过分析各波长的干涉级小数部分ε,就可以精确计算出长度,且保留了光干涉计量的高精度。该技术的发展水平主要受多波长激光器的研制水平、相位测量精度、环境因素的监测及参数的修正水平等方面因素的制约。尤其是前两个因素对测量精度有着重要的影响。

　　1　绝对距离干涉测量原理简介

　　绝对距离干涉计量是剩余小数法的发展。C.RTilford在此理论上作出了重要的贡献[4]。他给出了一组利用剩余小数(在多波长测量中即为各干涉条纹的小数偏离部分ε)求解被测长度的数学公式。主要归纳为如下两个基本思想:

　　1)利用若干单波长组合出长度不同的合成波长链;

　　2)利用不同的合成波长,逐次求解被测长度,使被测量真值被逐次搜索———即逐级精化。以双波长测量为例,设参与干涉测量的两光波分别为λ1和λ2(不妨设λ1>λ2),对于被测距离L,用两波长分别测量后,有如下公式成立

　　式中λs即为两波长的合成等效波长;ms和εs则分别为λs干涉级次的整数部分和小数部分。只要选择较接近的两个波长,其合成波长λs将比原波长λ1和λ2大得多。设距离的初测值为Lc,不确定度为ΔLc,若选定合适的激光波长,使得初测不确定度满足条件ΔLc<λs/4-ΔLp,则

　　式中ΔLp为干涉级小数测量的不确定度。由距离的初测值,经过(5)式可以得出ms。接下来只要通过分别读出两波长的干涉级小数部分ε1和ε2,并把由(5)式得的ms代入(4)式,就可以精确计算出距离且测量结果的精度不受初测精度的影响。

　　2　多波长绝对距离干涉测量系统设计方案

　　2.1　波长的选择

　　本方案拟采用三级波长构成如下波长链来实现,三级合成波长链构成为(如图1所示):

　　1)选取633nm的单波长激光作为0级波长;

　　2)选取633nm和629nm两束激光的合成波长λ(1)s=117μm作为1级波长;