计量时代的测量担当——激光干涉仪,你用对了吗?

国际金属加工网 2018年01月26日

20世纪60年代初激光的出现,几何量计量技术的发展步入了崭新的时期。激光干涉仪在此时脱颖而出,作为现代精密测量仪器的代表,激光干涉仪在精密制造、计量等各个行业领域中得到了广泛的应用,在精密位移、直线度、垂直度等测量领域发挥着重要的作用。

激光干涉仪简介

激光干涉仪是以激光波长为已知长度、利用迈克耳逊干涉系统丈量位移的通用长度丈量工具,是校准数控机床坐标测量机、测长机、电动滑台、线性模组及其它定位装置精度及线性指标最常用的标准仪器,具有测量精度高、测量速度快、测量范围大、最高测速下分辨率高等特点,其光波波长可直接对米进行定义并溯源至国家标准。

激光干涉仪结合不同的光学镜组,可实现线性测长、角度、直线度、垂直度、平行度、平面度等几何参量的高精度测量。

在动态测量软件的配合下,激光干涉仪可实现线性位移、角度和直线度的动态测量与性能检测,以及进行位移、速度、加速度、振幅与频率的动态分析。

因此,激光干涉仪广泛应用于数控机床、PCB钻孔机、坐标测量机、位移传感器等精密仪器的质量控制与校准以及科研开发、高端设备制造等领域。

激光干涉仪的工作原理 

激光器射出单一频率波,当此光束抵达偏振分光镜时,会被分为两道光束(一道反射光束和一道投射光束),在这两道光射向其反光镜,然后透过分光镜反射回去,在激光头内的探测器形成一道干涉光束,若光程差没有任何变化,探测器会在每一次光程改变时,在相长性和相消性干涉的两极找到变动的信号,计算处理系统可以通过此变化来测量两光程间差异变化。

激光输出可视为一束正弦波,如下图:

当高压连接在阳极和阴极之间时,混合气体被激发,形成激光光束,通过放大激光光强使一些光透射出来成为输出激光光束。其中,为实现平衡状态,通过加热器控制激光管长度让激光稳频的精度保持在±0.05ppm以内,此时稳定输出后,激光器即可进行干涉测量。如今大多数现代位移干涉仪都使用氦氖(HeNe)激光管,这些激光管具有633纳米的波长输出。

激光干涉仪的测量精度与哪些因素有关?

激光干涉仪在实际使用中,需要确认其在各个测量应用中能够达到的真实精度水平以确保测量数据准确可靠。激光干涉仪的测量读数最终均与激光波长有关,因此激光器频率的准确性和稳定性是激光干涉仪测量精度的保障。此外,激光干涉仪的环境条件补偿系统(压力、温湿度传感器)的读数准确性对最终的测量精度有着重要的影响。

总结起来,影响激光干涉仪测量精度的因素包括:

环境因素的影响

下面所列任何一种环境参数的变化都会导致大约1μm的误差:

(1)空气温度:1℃

(2)空气压力:0.3kPa

(3)相对湿度:30%

特别是振动对测量的影响是非常大的,振动可能导致测量数据的分散,明显影响重复性的测量。甚至可能使测量无法正常进行下去。

机器表面温度的影响

机器温度偏离20℃时,由于使用的材料温度传感器的测量准确度及输入机器热膨胀系数不正确的影响,对测量准确度也会产生影响。当材料温度传感器的准确度为±0.1℃,热膨胀系数为10μm/℃时,产生的测量误差为±1.0μm;若输入不正确的机器热膨胀系数会使准确度变化为10μm,甚至更多。

死程误差的影响

死程是在使用EC10自动补偿的方式进行位置准确度测量中随环境参数的变化而产生的一种误差。由于在定“零点”时,固定光学镜和移动光学镜之间存在一段距离,EC10无法对“零点”和固定光学镜之间的距离进行补偿而产生误差。

余弦误差的影响

激光光束同运动坐标轴的调准误差会导致测量的距离和实际运动距离之间的误差,该误差与(1-cosθ)成正比,θ为激光光束同运动坐标轴线之间的误差夹角。

当激光测量系统的光路调整得与运动坐标轴不同轴时,该余弦误差会导致测量距离比实际运动距离短,用激光测量系统测量的实际距离为Ls,而实际运动距离为Lm。如θ角为0.167°,则引起的余弦误差为5μm/m。

阿贝偏置误差的影响

若激光光束调整得与指定的坐标轴为平行偏置时,在这种情况下进行测量,光学元件偏置安装引起的角度运动会导致阿贝偏置测量误差。该误差与LΦ成正比,其中,L为偏置距离,Φ为偏置角度。如Φ为0.0028°、L为100mm,所引起的阿贝偏置误差为5μm。

光学元件的影响

光学器件表面不干净会导致信号强度减弱,使精密测量变得困难,尤其是在测量较长距离的场合。

他们家的激光干涉仪,值得信赖

2018SIMM深圳机械展暨Quality China 品质中国系列活动及主题展区,聚集了蔡司海克斯康雷尼绍、三丰力丰、中图仪器、南京多特、新则兴、纳诺等国内外测量领军品牌,带来了应用与各行业的测量设备及解决方案。下面小编带你来看看,这些行业巨头都带来的激光干涉仪都有哪些看点。

雷尼绍

雷尼绍是世界测量和光谱分析仪器领域的领导者,始于英国,它的产品可广泛应用于机床自动化、坐标测量、增材制造、比对测量、拉曼光谱分析、机器校准、位置反馈、口腔CAD/CAM、形状记忆合金、大尺寸范围测绘、立体定向神经外科和医学诊断等领域。


XL-80激光干涉仪为坐标测量机和机床等运动系统提供高性能测量和校准,广泛应用于机器振动、频谱分析、运动速度、角速度测量分析等场合;TONiC™是雷尼绍推出的超小型非接触式增量式光栅系统,速度可达10 m/s。

中图仪器

深圳市中图仪器股份有限公司致力于精密计量、检测仪器设备的研发、生产和销售,目前拥有数十种自主开发的新技术产品,广泛应用于政府计量质量检测机构、军工、汽车航空航天、机械、冶金、电力、石化等行业。

SJ6000激光干涉仪是以光波为载体,以光波波长为单位的一种计量测试方法,是公认的高精度、高灵敏度的检测手段,在高端制造领域应用广泛。

SJ6000激光干涉仪采用美国进口高稳定氦氖激光器、激光双纵模热稳频技术,实现快速(约6分钟)、高精度(0.05ppm)、抗干扰能力强、长期稳定性好的激光输出;采用高精度环境补偿模块、高精度激光干涉信号处理系统、高性能计算机控制系统技术,结合线性镜组能实现0.5ppm精度的线性测量;结合相应镜组还能实现角度、直线度(平行度)、平面度、垂直度、回转轴等参数的测量,并进行动态分析。

镭测科技

北京镭测科技有限公司,是一家源于清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,拥有双频激光干涉仪、激光回馈干涉仪、相位延迟测量仪、激光教学仪及激光纳米测尺等多个产品系列,全面满足机械加工、微电子、光学加工、科研教育等行业的高精度测量要求。


镭测科技推出的LH2000型双频激光干涉仪,基于清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室多年研发的核心技术,拥有自主知识产权,技术指标达到或优于国外产品同等水平,频差高达7MHz±1MHz,性能更可靠,同时可自动环境补偿,保证测量高精度。


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