便携式激光干涉准直系统的研制

　　0　引　　言

　　准直技术是大型几何参数与形位误差如直线度、同轴度、平面度、平行度、垂直度等几何测量的基础[1]。随着科学技术和生产需求的发展,对导轨的精度要求越来越高,导轨的长度却变得越来越长,因此测量的难度也就越来越大。为了减小温度、大气扰动等对直线度测量的影响,提高长导轨直线度测量的精度,本文设计了一种基于光楔干涉的便携式激光准直系统。

　　1　系统工作原理

　　1.1　测量工作原理

　　如图1所示,经过扩束准直后的激光光束,投射到置于被测导轨上作为接收靶的楔形光学玻璃板上,在分光板前后表面上反射形成了2束光。2束光在远处放置的光电元件上形成了一组等间距相互平行的干涉条纹[2]。接收靶沿被测导轨移动时,如果导轨有直线度误差,则光束照射到分光平板上的入射角发生改变,使得干涉的光程差发生改变,从而使干涉条纹发生移动。硅光电池将条纹移动信号转变成电信号,经放大滤波等处理,可得到相位差为90°的正、余弦2路信号,由后续电路处理后,送入单片机,可以计算出测量结果。

　　1.2　楔形板干涉原理

　　系统使用激光光束投射到楔形分光板上,经过反射获得干涉条纹。如图2所示,一束激光I照射到分光平板的表面分成了2束光:一路光束经上表面反射形成光束I1,另一路经上表面玻璃折射进入玻璃板中,再经过下表面反射及上表面的二次折射,重新进入到空气中形成光束I2,则光束I1与光束I2可在远处相遇产生干涉[3]。2束光的光程差为:

　　δ= n×(AB+BC)-AD(1)

　　式中:AD = AC×sini1=2d×tani2sini1;AB = BC =d/cosi2

　　由n=sini1/sini2可得:sini2=sini1/n考虑到光从光疏到光密介质表面上反射时的半波损失,故可得:

　　由于导轨的直线度直接影响到光束入射角,最终可以通过测量干涉条纹的移动量,获得导轨各点的直线度信息。

　　2　系统硬件设计

　　系统硬件包括激光发射准直装置、光电元件、信号处理转换电路、单片机系统、无线发射模块、无线接收基站及电源转换电路,如图3所示。

　　2.1　激光发射准直装置

　　采用He2Ne激光器作为光源。由于激光光源发出的光线仍然有一定的发射角,因此还需对光束进一步准直扩束,即将曲率半径较大的球面波进一步变成基本上平行射出的平面波。

　　2.2　光电接收元件

　　这里使用4个并排放置的等间距硅光电池作为光电转换元件,将干涉条纹的光强度转换为光电流,供后续电路处理。通过调整激光器扩束透镜之间的相对位置,可以得到宽度合适的干涉条纹。