基于激光剪切干涉的长导轨直线度测量系统设计

　　0　引　言

　　直线度测量是机械加工中常见而又重要的测量项目,在精密仪器制造和检测、大尺寸测量、大型仪器的安装和定位、军工产品制造等领域中应用广泛。

　　随着科学技术和生产需求的发展,对大尺寸导轨的精度要求越来越高。以光波干涉原理为基础的激光干涉准直仪测量精度高,由于其受温度和大气扰动影 响较大,通常只应用在实验室等外界干扰较小的场合。本文设计了一种便携式激光剪切干涉准直仪,降低了外界干扰等对直线度测量的影响,在测量中不需精确调节 激光准直光束,在人眼目视下粗调准直光束之后,即可实现大范围、高精度、高分辨率的直线度测量,可在工厂等复杂环境中应用。

　　1　测量原理

　　测量系统由激光光源和接收装置两部分组成。如图1所示,激光器和准直扩束镜构成激光光源;楔形平板、测量支座、硅光电池组、信号处理控制及显示系统组成接收器。根据不同尺寸类型导轨的形状,采用不同的过桥来装夹固定接收装置。再将过桥放置在待测导轨上沿导轨表面移动。

　　测量原理如图2所示,由光源发出的准平行光束进入接收装置,在楔形平板前表面分光,发生位置剪切S[1],波面的交叠区域产生稳定干涉条纹。平 板厚度和折射率对干涉条纹有很大影响[2],设计楔形平板关键尺寸厚度为24mm,楔角大小为10. 77″,折射率为1. 515。将4片硅光电池粘贴固定在接收板上如图2所示位置,当条纹位置不变时输出稳定不变的电信号,而干涉条纹移动时,输出为带直流偏置和高频白噪声的变 频正弦信号,该信号的幅值大小确定[3],频率由导轨的表面质量而定,若表面高度变化缓慢,则该信号变化频率较低;反之,则高。高频噪声主要是由于导轨表 面的粗糙度、电子噪声及大气扰动[4]等引起。测量中,被测点的垂直高度相对前一测量点减小,根据三角形关系可知此时光束入射角增大,干涉条纹左移;反 之,条纹右移。

　　在入射倾角的变化较小时,测量中条纹宽度保持不变,相邻信号之间具有固定相位差α,仅当干涉条纹移动方向反向时,从实测波形图中看到如图3所示 的两路信号的变化,信号中掺杂了高频噪声的干扰,但仍可清晰地看到在干涉条纹地相位超前顺序变化,α符号改变。以此得知当前测量位置相对前一位置的角度增 减。再由光入射角i1的变化与光程差的变化dδ的关系式算出入射角的变化di_1:

   式中　h为楔形平板的厚度;n为介质折射率。已知测量支座的长度,从而可将角度变化量换算成导轨该点处的相对高度变化值。