激光干涉测量

激光干涉位移测量技术

张欣（2015110034）

摘 要：为了实现纳米级以上分辨力位移的测量研究，利用激光干涉位移测量技术可以达到纳米级分辨力，其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等特点，是目前位移测量领域的主流技术。本文对目前主要的激光干涉位移测量技术进行了分类介绍，并对各种干涉仪的特点进行了分析，最后介绍了激光干涉位移测量技术的国内外发展现状和趋势。

关键词：纳米级；激光干涉；位移测量；

1 引言

干涉测量技术( interferometry ) 是基于电磁波干涉理论，通过检测相干电磁波的图样，频率、振幅、相位等属性，将其应用于各种相关的测量技术的统称。用于实现干涉测量技术的仪器被称为干涉仪。在当今多个科研领域，干涉测量技术都发挥着重要的作用，包括天文学，光纤光学，以及各种工程测量学。其中由于上个世纪60年代激光的研制成功，使得激光干涉测量技术在各种精密工程领域得到了广泛的应用。它的基本功能是将机械位移信息变成干涉条纹的电信号，再对干涉条纹进行调理和细分，进而获得所需要的测量信息。整个激光干涉测量系统中主要的组成部分有光电转换、信号调理、信号细分处理。 1.1激光干涉仪分类

激光干涉仪是以干涉测量为原理，利用激光作为长度基准，对数控设备

电子散斑

一、实验内容：

1．了解电子散斑干涉原理； 2．掌握干涉光路及图像处理软件； 3．学会使用本系统来测量三维离面位移。

二、实验仪器：

成像透镜

被测物体 平面镜

氦氖激光器

CCD摄像头

分光镜

扩束镜

图一 XGS-1 电子散斑干涉(ESPI)实验系统

三、实验原理：

电子散斑干涉法是用激光光束直接照射到测试表面，再用电子摄像机采集其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹，以测定其离面位移的一种新型、先进的测试技术，其光路如下图所示，图二为测量离面位移（即前后沿Z轴方向的位移W）的光路，由激光器1发出的激光束，经扩束镜2及准直镜3形成光斑放大了的准直光，再经分光镜4分成两束，一束照射到反射镜5再返回，另一束照射到被测物6的表面再返回，两束返回的光束干涉形成干涉条纹，也就是一系列等位移线N，则离面位移为

W=λN/2

式中λ为测试光的波长，N为条纹的级数。

图二 光路图

四、实验步骤：

1、把平台摆放好，并调平。

2、各个实验仪器的位置参看图一，先把各个仪器的中心高度调至共轴。

3、使激光器发出的光束平行于工作平台的工作面。分别放入扩束镜和准直镜，调节准直镜，使通过它的被扩束的激光变成平行光，平行光束应通过放入光路中（分光镜、

机械工程综合实

践 实验报告

课程名称 机械工程综合实践 专 业 精密工程 指导教师 彭小强 小组成员 刘强 14033006

谌贵阳 吴志明 实验日期 2012.4.2—2011.6.25

国防科学技术大学机电工程与自动化学院

目 录

1激光干涉仪 1.1激光干涉仪介绍 1.2激光干涉仪原理

2 激光干涉仪测量机床的直线度 2.1实验器材以及平台的搭建 2.2激光干涉仪的调试 2.3直线度的测量

3 激光干涉仪测量机床的重复定位精度 3.1实验器材以及平台的搭建 3.2激光干涉仪的调试 3.3重复定位精度的测量 4 实验分析与总结

目录

一、实验目的与任务 .......................................... 4 二、实验内容与要求 .......................................... 4 三、实验条件与设备 ....................................

第一章、前言

一、本次我们主要研究：如何检测机床的螺距误差。因此我们主要的任务在于：

1. 应该使用什么仪器进行测量 2. 怎么使用测量仪器 3. 怎么进行数据分析

4. 怎么将测量所得的数据输入对应的数控系统 二、根据第一点的要求，我们选择的仪器为：Renishaw 激光器测量系统，此仪器检测的范围包括：

1. 线性测量 2. 角度测量 3. 平面度测量 4. 直线度测量 5. 垂直度测量 6. 平行度测量

线性测量：是激光器最常见的一种测量。 激光器系统会比较轴位置数显上的读数位置与激光器系统测量的实际位置，以测量线性定位精度及重复性。

三、根据第二点的解释，线性测量正符合我们检测螺距误差的要求。因此，我们此次使用的检测方法——线性测量。

总结以上我们的核心在于：如何操作Renishaw 激光器测量系统结合线性测量的方法进行检测，之后将

- 1 -

检测得到的数据进行分析，最后将分析得到的数据存放到数控系统中。这样做的目的在于——提高机床的精度。

- 2 -

第二章、 基础知识

2.1 什么是螺距误差？

开环和半闭环数控机床的定位精度主要取决于高精度的

滚珠丝杠。但丝杠总有一定螺距误差，因此在加工过程中会造成零件

XL-30 激光干涉仪基本操作说明

1、安装环境补偿单元：

（1）取出补偿单元，将材料温度传感器和环境温度传感器连接到补偿单元；

（2）将材料温度传感器放置到被测机床的工作台或导轨上，注意远离电机、排风扇等部位，将环境温度传感器放置到被测机床工作台或激光光路附近，利用安装磁力吸板，将环境补偿单元放置到激光光路附近。 2、安装激光头：

（1）取出三脚架，根据被测机床的高度，将三脚架调至适当的高度；

（2）将激光头安装到三脚架上，将水平调节、俯仰、扭摆等调节旋钮调至中间位置； （3）将激光头调节与被测机床基本垂直或平行，用水平泡调整激光头至水平； （4）连接匹配的电源至激光头；

（5）打开激光头电源开关，激光头预热。 3、安装测量镜组：

（1）根据需要测量的项目，用相应的镜组；

（2）根据需要测量的轴线，如X、Y、Z等，将安装组件和镜组进行相应的联结；

（3）根据测量内容，将镜组安装到被测机床上，安装镜组的位置要特别注意，移动镜组必须要安装到被测机床被测轴线的行程的极限位置，以保证即使在被测机床被测轴线全行程范围内移动时，镜组之间、镜组于被测机床不会产生碰撞，保护镜组的安全。 4、调光：

（1）口诀：近调镜组，远调激光；

（2）上述步骤完成后，测

DJJ-8数字化激光接触网检测仪

欢迎使用DJJ-8数字化激光接触网检测仪。本仪器是济南蓝动激光技术有限公司推出的处于行业领先地位的高新技术产品。 1．结构稳定、精度高、重复性好

DJJ-8引进国际尖端精密仪器的机械设计结构，并采用了高精度传感器，能够保证仪器在使用中较高的测量精度，从而达到测量数据准确、重复性好、测量速度更快的目的；秉承了DJJ系列人性化设计、操作简单的优点，更受使用人员欢迎。 2．使用视频瞄准、TFT彩色液晶，操作方便

DJJ-8瞄准采用光学摄像系统，可将图像直接在液晶显示屏上显示，彻底改变了以往望远镜瞄准系统不易观察、瞄准费时费力的缺点，大大地缩短了每个参数的测量时间。

由于采用了摄像瞄准和液晶显示，使仪器具有了视场角大、正像观察直观等优点，并且多项测量数据可同屏显示，信息量大，便于观察和分析测量结果。 3．瞄准与测量同轴设计

DJJ-8瞄准轴与激光测量轴采用济南蓝动光学同轴专利技术。在所有参数测量中，任何范围内，

瞄准即为激光测量点。

4．B/S架构软件，真正实现网络化、信息化

DJJ-8配套的计算机系统软件设计应用B/S架构及大型数据库，任何局域网内的用户仅通过windows集成的IE浏览器即可进行各项

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光电测试技术课件,哈工大,使用教材《光电测试技术》电子工业出版(2008)

光电测试技术第5章 激光干涉测试技术哈尔滨工业大学

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§5-5 激光外差干涉测试技术

光电测试技术课件,哈工大,使用教材《光电测试技术》电子工业出版(2008)

第5章 激光干涉测试技术

§5-5 激光外差干涉测试技术引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出 引言： 的电信号都是直流量， 的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重 要原因，信号处理及细分都比较困难。 要原因，信号处理及细分都比较困难。 为了提高光学干涉测量的准确度， 为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电 通讯的外差技术移植到光干涉测量领域， 通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新 型的光外差干涉技术。 型的光外差干涉技术。 概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一 概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一 个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描， 个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经 光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号， 光电探测器将干涉场中的光

激光双光栅法测量微小位移

一、实验目的

1. 熟悉一种利用光的多普勒频移形成光拍的原理，精确测量微弱振动位移的方法。

2. 作出外力驱动音叉时的谐振曲线。 二、实验仪器

示波器,双光栅微弱振动测量仪。 三、实验原理

当移动光栅相对静止光栅运动时，若有一激光束通过这样的双光栅，便能产生光的多普勒效应。由于光频率甚高，因此必须采用“拍”的方法进行测量，即把频移和非频移的两束光互相平行叠加使之形成光拍，再通过光电检测器检测，取出差频讯号，就可以精确测定微弱振动的位移。 1.位相光栅的多普勒频移：

所谓位相物体就是指那些只有空间的相位结构，而透明度是一样的透

明体。位相物体只能改变入射光的相位，而不影响其振幅。当激光平面波垂直入射到位相光栅时，由于位相光栅上不同的光密和光疏媒质部分对光波的位相延迟作用，使入射的平面波变成出射时的摺曲波阵面，如图4- -1所示，由于衍射干涉作用，在远场，我们可以用大家熟知的光栅方程即（4--1）式来表示：

dsin??n? （4- -1） 式中d为光栅常数，?为衍射角，?为光波波

·

“实验：用双缝干涉测量光的波长”典型教学设计研究

【课程分析】继续深入研究光的干涉，为光的干涉提供实验的支持，也为后面薄膜干涉、照相机、望远镜表面增透膜的学习奠定基础。教学重点是双缝干涉测量光的

波长的实验原理及实验设计。教学难点：原理及?x、L、d、λ的准确测量。所以本节课关键点学生自主分析原理，并进行波长测定的实验设计。

【学情分析】

1、学生前概念的特点：学生在前一节课已经学习可光的干涉知识。

2、我所带的班级的学生，学习热情比较高，有强烈的求知欲和好奇心，、而且在的学习中有意识的进行课堂设计、培养和训练。经过一段时间四人小组成员有了一定合作、共同探讨的意识。再加上融洽的师生关系，许多同学都会主动参与，积极思考。 【设计思路】

“诱思教学思想理论”指出处理好教与学的关系是教学的关键：“探究教学过程论”强调要在实现认知子过程“三个层次要素”的同时，落实好“三个贯穿要素”：“三维教学目标论”，要在知识形成的过程中发展能力、培育品德：倡导“教贵善诱，学贵善思，以诱达思，启智悟道。”的启发式教学。教是为了使学生在教师导向性信息诱导下通过探究式学习方式实现真正的学，使学生通过能动的探究性学习活动实现主动性发展。