激光微量位移测量仪

    随着现代制造技术精度的不断提高,发展微量测量技术,具有重要意义。激光微量位移测量仪利用激光高亮度、高相干、高定向特性,利用干涉现象,以波长作尺子^[1],测量物体微量位移。该产品具有响应速度快、测量范围大、容易实现高精度的特点,可用于机床工作台的实时位移测量方面,适合于机床的自动控制。

    2　基本原理

    其原理建立在多普勒效应基础上。当光源从观察者离开时与观察者从光源离开时有完全相同的多普勒频率,存在以下关系:

式中:c为光速。

    利用二项式展开,当v/c的比值很小时略去高次项,用相对速度v′代替v,可得出:

    3　结构组成

    该产品由He-Ne激光发生器、稳频器、渥拉斯顿棱镜、反射镜、检偏器、光电探测器、放大器、计数器、磁铁、单片机组成,含有放大整形电路、信号处理电路。如图1所示。

    将激光管放置于轴向磁场中,发出的激光分为:方向相反的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光,得到两种f₁和f₂的双频激光。经分光镜M₁,一部分反射光经检偏器射入光电元件D₁,取得频率为f_基=f₁-f₂的光电流。另一部分通过分光镜M1的折射到达分光镜M₂的a处。频率为f2的光束完全反射经滤光器变为线偏振光f₂,透射到固定棱镜M₃后并反射到分光镜M2的b处。频率为f1的光束经滤光器变为线偏振光f1,投射到可动棱镜M₄后反射到分光镜M₂的b处,两者产生相干光束。若M₄移动,则反射的频率发生变化而产生多普勒效应,其频差为多普勒频差Δf。

    频率为f′=f₁±Δf的反射光与频率为f2的反射光在b处汇合后,经检偏器投入光电元件D₂,得到频率为f_测=f₂-(f₁±Δf)的光电流。这路光电流与经光电元件D1得到的频率为f_基的光电流,同时经放大器放大进入计算机,经减法器即可算出差值±Δf。经过减法器输出脉冲数N。被测位移为S,工作台移动速度为v,则相对速度v′=2v,可推出以下公式:

    这样,通过计数脉冲数并算出工作台位移。

    4　硬件与电路设计

    整个装置硬件部分组成如图2所示。

    其电路设计主要有以下几种。

    4.1　接受电路

    接受放大电路包括光电转换电路和放大电路,光电探测器采用雪崩二极管(APD),如图3所示。