基于激光干涉效应的传感器

目录一、激光干涉的基本原理...............................................................................................................2二、激光干涉传感器的类型...........................................................................................................32.1单频激光干涉传感器.........................................................................................................32.2双频激光干涉传感器........................................................................................................3三、常用激光干涉传感器及介绍...................................................................................................43.1CO2激光干涉仪..............................................................................................................43.2Ne-Xe激光干涉仪...........................................................................................................43.3He-Ne激光干涉仪.............................................................................................................53.4变波长激光干涉仪............................................................................................................53.5线性调频半导体激光干涉仪.............................................................................................5四、激光干涉传感器的应用...........................................................................................................5五、激光干涉传感器的功能特点...................................................................................................6六、参考文献...................................................................................................................................7基于激光干涉效应的传感器摘要：以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统测量位移的通用长度测量工具。激光干涉传感器有单频的和双频的两种。单频的是在20世纪60年代中期出现的,最初用于检定基准线纹尺,后又用于在计量室中精密测长。双频激光干涉仪是1970年出现的，它适宜在车间中使用。激光干涉传感器在极接近标准状态下的测量精确度很高，可达1×10-7。关键词：激光干涉；传感器；精密测长一、激光干涉的基本原理两频率相同，振动方向相同的光波叠加I=I1+I2+221IICOS2λ为光波波长，Δ为光程差。Δ=n1l1-n2l2n1,n2为两光波所通过介质的折射率；l1，l2为两光波传播的距离。计算光程差时要注意从光疏媒质到光密媒质，光反射时（近于垂直入射）的“半波损失”，反射光振动方向与入射光相反，光程附加λ/2（相位为π）。①2πm即Δ=mλ（m为整数）当光程差为波长的整数倍，干涉条纹为亮条纹（极大值）②（2m+1）π即Δ=（2m+1）λ/2当光程差为半波长的奇数倍，干涉条纹为暗条纹（极小值）。COSδδ2ππ0二、激光干涉传感器的类型2.1单频激光干涉传感器如图2.1所示，从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。图2.1单频激光干涉传感器原理图2.2双频激光干涉传感器如图2.2所示，在全内腔He-Ne激光器上加约0.03T的轴向磁场，由于塞曼效应和牵引效应，发出一束含有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光，它们的频率差大约是1.5MHz左右。这束光经1/4波片之后成为两个互相垂直的线偏振光，再经平行光管准直和扩束。从平行光管出来的这束光经过析光镜反射出一小部分作为参考光束通过45°放置的检偏器。并由马吕斯定律可知，两个垂直方向的线偏振光在45°方向上投影，形成新的线偏振光并产生拍频。这个拍频频率恰好等于激光器所发出的两个光频的差值即（f1-f2），约为1.5MHz。经光电元件接受进入前置放大器和计算机。另一部分透过析光镜沿院方向射向偏振分光棱镜。互相垂直的线偏振光f1和f2被分开。f2射向参考立体直角锥棱镜后返回，f1透过偏振分光棱镜到立体直角锥棱镜——测量棱镜，这时如果它以速度v运动，那么f1的返回光便有了变化成为（f1±Δf）。这束光返回后重新通过偏振分光棱镜并与f2的返回光会合，然后到45°放置的检偏器上产生拍频被光电元件接收，进入前置放大器和计算机。计算机对两路信号进行比较，计算它们之间的差值±Δf（即多普勒频差）。进而可以根据立体直角棱镜移动度数和时间求得被测长度。图2.2双频激光干涉传感器原理图三、常用激光干涉传感器及介绍3.1CO2激光干涉仪CO2激光器是一种非常适合无导轨激光测量的光源，它在10.6μm波段具有丰富的谱线，相邻谱线的波长差分布也比较均匀，构成的“合成波长链”的波长可从10.6μm到25m，因此，CO2激光干涉仪一直是无导轨激光干涉仪的研究重点。从1979年开始，由直流干涉系统到各种形式的光外差系统，CO2激光干涉仪历经多次改进，其中一种典型方案是上世纪九十年代澳大利亚研制的外差干涉仪，它通过激光器的腔长控制，顺序输出6种波长，用声光调制器的零级衍射作为本振光，构成外差系统，测量精度可达4×10-8。3.2Ne-Xe激光干涉仪Ne-Xe激光器可以输出3.53μm和3.37μm两个波长，合成波长为84.2μm。从“合成波长链”的角度考虑，波长过短难以保证测量结果的唯一性，为此，系统加入了He-Ne激光器的3.39μm谱线，将“合成波长链”延伸到464μm。Ne-Xe激光干涉仪的最大优点是结构简单，测量精度可达1.8×10-7。3.3He-Ne激光干涉仪中国计量科学研究院研制的纵向塞曼He-Ne激光干涉仪，与成都工具研究所开发的双频激光干涉仪不同，其稳频点选在两条激光增益曲线之间，产生一对频差为1080MHz的左、右旋偏振光（这两个偏振光不在同一增益曲线上），合成波长为278mm。利用光栅测量干涉的剩余相位。系统测量长度可达100m，测量精度为±（40+1.5×10-6）。3.4变波长激光干涉仪变波长激光干涉仪采用两个激光器，利用谐振腔长与输出频率的关系，构成“无级”的波长系列，在理想的环境下，13m长度范围的测量精度为70μm。3.5线性调频半导体激光干涉仪近年来，半导体激光器线性调频技术的发展，为无导轨激光干涉仪提供了一个理想的光源，成为无导轨激光干涉技术研究的热点。1995年，德国采用了外腔可调谐式半导体激光器，其外腔由全息光栅组成，通过改变光栅的角度进行频率选择，相干长度可达100m，40m长度范围的分辨率可达40μm。四、激光干涉传感器的应用1、几何精度检测可用于检测直线度、垂直度、俯仰与偏摆、平面度、平行度等。2、位置精度的检测及其自动补偿可检测数控机床定位精度、重复定位精度、微量位移精度等。利用雷尼绍ML10激光干涉仪不仅能自动测量机器的误差，而且还能通过RS232接口自动对其线性误差进行补偿，比通常的补偿方法节省了大量时间，并且避免了手工计算和手动数控键入而引起的操作者误差，同时可最大限度地选用被测轴上的补偿点数，使机床达到最佳精度，另外操作者无需具有机床参数及补偿方法的知识。3、数控转台分度精度的检测及其自动补偿现在，利用ML10激光干涉仪加上RX10转台基准还能进行回转轴的自动测量。它可对任意角度位置，以任意角度间隔进行全自动测量，其精度达±1。新的国际标准已推荐使用该项新技术。它比传统用自准直仪和多面体的方法不仅节约了大量的测量时间，而且还得到完整的回转轴精度曲线，知晓其精度的每一细节，并给出按相关标准处理的统计结果。4、双轴定位精度的检测及其自动补偿雷尼绍双激光干涉仪系统可同步测量大型龙门移动式数控机床，由双伺服驱动某一轴向运动的定位精度，而且还能通过RS232接口，自动对两轴线性误差分别进行补偿。5、数控机床动态性能检测利用RENISHAW动态特性测量与评估软件，可用激光干涉仪进行机床振动测试与分析（FFT），滚珠丝杠的动态特性分析，伺服驱动系统的响应特性分析，导轨的动态特性（低速爬行）分析等。五、激光干涉传感器的功能特点1、激光干涉仪可以同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)、偏摆角、俯仰角和滚动角等，以及测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性等。2、激光干涉仪的光源——激光，具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。3、激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来使用。4、仪器应放置在干燥、清洁以及无振动的环境中应用。5、在移动仪器时，为防止导轨变形，应托住底座再进行移动。6、仪器的光学零件在不用时，应在清洁干燥的器皿中进行存放，以防止发霉。7、尽量不要去擦拭仪器的反光镜、分光镜等，如必须擦拭则应当小心擦拭，利用科学的方法进行清洁。8、导轨、丝杆、螺母与轴孔部分等传动部件，应当保持良好的润滑。因此必要时要使用精密仪表油润滑。9、在使用时应避免强旋、硬扳等情况，合理恰当的调整部件。10、避免划伤或腐蚀导轨面丝杆，保持其不失油。六、参考文献[1]Renishaw公司.激光干涉仪原理及应用概述[2][3][4]薛实福,李庆祥,王伯雄,徐毓娴,于水.新型单频激光干涉技术[J].清华大学学报(自然科学版),1993,02:39-45.[5]田清政.激光干涉技术在测速中的应用[J].火炸药,1980,04:12-22.[6]茅振华,孙鲁涌,慎励进.数控机床精度的激光干涉法测试与补偿[J].机电工程,1999,04:52-53.[7]刘合伟,钱梦騄.激光干涉法测量微小振动[J].声学技术,2001,02:75-77.