光电光杠杆测微小位移系统的设计与应用

　　一、引　言

　　光杠杆是测量微小位移量的主要方法之一,此方法在传统和现代的测量仪器都得到了广泛的应用。随着新技术、新方法不断应用到微小位移测量中,其测量准确度受到越来越大的挑战。本文介绍用激光技术对该系统进行改进,提高其测量准确度的方法。

　　二、原装置测微小位移原理及在测量准确度方面存在的问题

　　用光杠杆和尺度望远镜配合测量微小位移的装置,如图1所示。当θ角很小时,[1], 其中ΔL为待测微小位移量,D为光杠杆后足与两前足连线的垂直距离,R为光杠杆镜面到竖尺的距离,l为ΔL在竖尺上放大后的位移量。光杠杆的作用是将微小的位移量ΔL放大为竖尺上的位移量l,通过l、D、R这些比较容易测量准的较大的量来间接地测定。上面公式在θ角较大时要进行修正,但在θ角较小时,经分析引入的误差是可以忽略的。本装置测量准确度决定于各直接被测量值的准确度。例如,D取10cm用卡尺测量,准确度可定为0.2mm,最大相对误差为千分之二;R用米尺测量,长取2m,准确度可定为3mm,最大相对误差为千分之一点五;而l的测量用镜尺组,如长度为1cm,最小分度为1mm,最大相对误差为十分之一,这和D、R的相对误差相差两个数量级,可见要想提高ΔL的测量准确度,提高l的测量准确度是关键。

　　三、光电光杠杆测微小位移装置与测量原理

　　改进后的装置如图2所示,原装置中的望远镜用激光器代替,直尺用读数显微镜上的螺旋测微器代替,准确度可达0.01mm。把读数显微镜上的镜筒取下,在由丝杠带动的滑块上安放一光敏三极管,组装读数显微镜时使丝杠沿竖直方向。

　　由激光器发出的激光束水平入射到光杠杆的平面镜上,光敏三极管正对从平面镜反射来的光束。当平面镜发生一竖直方向的偏转角θ,光敏三极管处接收的光束将沿竖直方向移动l,得到l即可求得ΔL。因为激光光束能量集中,发散角小,光强分布稳定,可以利用光敏三极管定位激光光束偏转的起点和终点。

　　测得光束起点位置的光敏三极管电阻值(经测试在5~20kΩ附近灵敏度比较高),并记录读数显微镜上的读数作为起点的标志,当光束偏转后,移动光敏三极管,当阻值回到起始位置的数值时记下读数显微镜上的读数,两次读数之差就是l值。用这种方法,光敏三极管起到“电子眼”的作用,l的测量准确度可比原镜尺组提高一至两个数量级。

　　本装置应使用光强稳定的He-Ne激光器,图3是光敏三极管受激光束照射在某位置测得的位移量与电阻值关系图。激光束照射在光敏三极管上的位置发生一微小位移时,光敏三极管的阻值就发生明显变化,因此用光敏三极管测定激光束偏转的起点和终点,定位精度是比较高的。