第2章 -激光干涉测量技术-2.

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1、1上一节理论课：上一节理论课：课程内容简介课程内容简介-激激光干涉测量长度和位移光干涉测量长度和位移v激光激光干涉干涉测长原理：测长原理：L=KL=K/2/2。v激光干涉仪组成：激光干涉仪组成：激光干涉仪光路系统、干涉条纹计数和处理测量激光干涉仪光路系统、干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统及结果的电子系统及机械系统。机械系统。v激光干涉仪激光干涉仪光路光路系统：系统：主要包括光源、分束器和反射器主要包括光源、分束器和反射器。v干涉条纹干涉条纹计数和处理测量结果的电子计数和处理测量结果的电子系统：系统：移相器、干涉条纹计移相器、干涉条纹计数及判向数及判向原理原理。v干涉仪干涉仪应用应用：激光比

2、长仪、激光跟踪干涉仪激光比长仪、激光跟踪干涉仪、激光小角度干涉仪、激光小角度干涉仪今天主讲内容：今天主讲内容：激光外差、移相、散斑、光纤干涉测量技术激光外差、移相、散斑、光纤干涉测量技术回顾回顾2激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用1、激光比长仪激光比长仪采用激光器作光源，通过光波干涉比长的方法来检定基准米尺，即通过激光干涉仪实现基准米尺和光波波长比较。由于激光波长具有高度的稳定性，其复现精度可达5x10-8以上，所以可用激光波长作长度基准。同时，激光干涉仪的输出信号易于实现光电转换，这样就提供了实现动态自动测量的可能性，从根本上解决了检定基准米尺的

3、精度与效率的问题。激光比长仪工作原理如下图所示。3激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用1、激光比长仪He-Ne激光器1发出的激光束经平行光管2后将光束变为光斑直径达50mm的平行光。4激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用1、激光比长仪经反射镜3和分光镜4后将光束分为两路。一路光透过分光镜经反射镜5射入固定角锥棱镜6，另一路光由反射器反射至可动角锥棱镜7。5激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移分光镜4至固定角锥棱镜6为一固定的光程，分光器4至可动角锥棱镜7为一随工作台11移动而改变的光程，两者的光程差

4、为激光半波长偶数倍时出现亮条纹，奇数时出现暗条纹。所以工作台11连续移动时就会产生亮暗交替变化的条纹。6激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移移相板8将干涉条纹分成两组，此两组干涉条纹的位相差为90。分像棱镜组9将两组相位为90的干涉条纹分别引入两个光电探测器12，光电探测器将亮暗交替变化的光信号变为两路相差为90的电信号，经过调理电路13实现倍频处理传递给计算机14。7激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜10作瞄准被检测尺上的刻线用。当工作台11运动，即基准尺的刻线通过光电显微镜的两个狭缝时，刻线影像被光电探测器15接收，转换成电脉冲，作计算

5、机开始计数和终止计数的指令信号。计算机的计算结果送入显示器和打印机。8激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用1、激光跟踪干涉仪激光比长仪工作原理叙述如下：He-Ne激光器1发出的激光束经平行光管2后将光束变为光斑直径达50mm的平行光，经反射镜3和分光镜4后将光束分为两路。一路光透过分光镜经反射镜5射入固定角锥棱镜6，另一路光由反射器反射至可动角锥棱镜7。分光镜4至固定角锥棱镜6为一固定的光程，分光器4至可动角锥棱镜7为一随工作台11移动而改变的光程，两者的光程差为激光半波长偶数倍时出现亮条纹，奇数时出现暗条纹。所以工作台11连续移动时就会产生亮暗交替

6、变化的条纹。移相板8将干涉条纹分成两组，此两组干涉条纹的位相差为90。分像棱镜组9将两组相位为90的干涉条纹分别引入两个光电探测器12，光电探测器将亮暗交替变化的光信号变为两路相差为90的电信号，经过调理电路13实现倍频处理传递给计算机14。装在横梁上的双管差动式动态光电显微镜10作瞄准被检测尺上的刻线用。当工作台11运动，即基准尺的刻线通过光电显微镜的两个狭缝时，刻线影像被光电探测器15接收，转换成电脉冲。空气折射率由折射率干涉仪测出，温度由铂电阻测出。9激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用2、激光跟踪干涉仪左图所示为API公司生产的激光跟踪干涉仪

7、的光路图。使用He-Ne激光器作光源，采用迈克尔逊干涉仪结构。干涉仪中的测量光束经扫描反射镜射向目标镜，然后沿原路返回，经扫描反射镜后，用一分光镜把它分成两部分，一部分直接进入干涉仪，和干涉仪中的参考光束干涉，用于测量目标镜的移动位移。另一束光用二维位置探测器PSD来接收，PSD的输出信号反馈到扫描镜控制系统中，控制扫描镜的转动方向，当目标镜在空间任意位置移动时，使测量光束始终对准目标镜，达到跟踪测量位移的目的。此干涉仪的水平位移测量半径为25m,测量倾斜角为45，目标镜最大移动速度为2m/s，测量分辨力为0.1m。10激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长

8、的应用3、激光小角度干涉仪激光小角度干涉仪是利用激光干涉测位移和三角正弦原理来测量角度的仪器。左图是激光小角度干涉仪测角原理图。激光器1发出的激光光束经分光镜3分成两路，一路沿光路a射向测量棱镜2，一路沿光路b射向参考镜4。当棱镜在位置I时，沿光路a前进的光束经角锥棱镜反向后，沿光路c射向反射镜5，并沿原路返回至分光镜，与从b路返回的参考光束会和而产生干涉。当棱镜移动到位置II后，沿光路a前进的光束由于棱镜II及平面反射镜的作用，使它们仍按原路返回，不产生光点移动，从而干涉图形相对接收元件的位置保持不变。根据干涉测位移原理可以测出角锥棱镜在位置I和位置II的位移H，若已知棱镜转动半径R，便可根

9、据三角正弦关系求出被测角。位移为：H=K/4，=arcsinH/R，式中，R为棱镜转动半径。11激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光干涉测长的应用激光干涉测长的应用3、激光小角度干涉仪在实际应用中为消除偏心和轴系晃动等误差，并提高灵敏度，可以在对称直径位置上布置两个角锥棱镜，干涉仪测角原理如左图所示，在这种情况下，干涉仪经过两次光倍频，使得每一条干涉条纹相应的光程差为/8。若可逆计数器采用四倍频，则每计一个数对应的长度为/32，则H=K /32。再根据上述公式计算得出角。12激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光器1发出的光束经反射镜12转折90；经平行光管11扩束成直径

10、约5mm的平行光；再经反射镜10射向分光移相镜9分成两束；一路反射，射向棱镜6；另一路经反射镜2反射，射向直角棱镜4；直角棱镜6和4与正弦臂7绕轴5同步旋转；两路光束经直角棱镜6和4反射后又射向直角棱镜8和3。13激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移直角棱镜8和3分别将两路光等距离向上平移约10mm后反射回来，返回光束在分光移相镜9上汇合产生干涉条纹。光电探测器13、14将正弦臂7旋转引起的干涉条纹信号转换成电信号，两路信号因分光移相镜的移相作用而位相相差90。信号经整形放大后，送入可逆计数器。仪器的测量范围：5，在1内仪器的最大测量误差为0.05。14第第2章章 激光干涉测量技术激光

11、干涉测量技术概要概要激光干涉测量长度和位移激光干涉测量长度和位移激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术激光移相干涉测量技术激光移相干涉测量技术激光散斑干涉测量技术激光散斑干涉测量技术激光光纤干涉测量技术激光光纤干涉测量技术激光多波长干涉测量技术激光多波长干涉测量技术15激光外差干涉测量技术激光外差干涉测量技术为什么要用激光外差干涉？为什么要用激光外差干涉？一般单频激光干涉仪精度较高，但在测量时对环境有较高要求，不允许干涉仪两臂的光强有较大变化，干涉条纹光强的变化总要以计数器平均触发电平为中心对等分布，如图（a）所示。如果光强由于外界环境干扰（如在车间测量）引起变动，则干涉信号强度就可能落于触