（测试计量技术及仪器专业论文）双光路激光干涉测长仪及其在三坐标机上的使用.pdf

揍要 迩零 礤稔熏产鑫令领壤，疆蓑薅糖魔 誊足专渊嚣强及应蔻杰黍蠖定霆凝窳罴 娩警备耱瓣黉鼷，激蠢子涉搜嚣淹其突戡黪缝憝黎蝣患，已经在越塞越多黝鞭蠛 r 一泛佼舔。 本文在臧艳芬、刘海宁博士工作的整础上，对麟罂的双光路激光予涉测长仪 进行了研究，着力于使其产品化，慰便于实际应j 【= j 。 论= ：定熬主粪工箨包括： 1 论述了这耱薪鍪激光予涉溯长议懿王俸激灌及跨蠢。在援爨巾溅头 躲瓿互臀戆端移囊勇一溃露举善党；毙鼹土黪箨镶露涎关系统发生溪赫甏逡黢 蕊黼焚谈藏。 2 。 浚诗露终了嚣毒嚣要鹣浅誉器终，势磷巍7 这些究擎器黎嚣躲王鼹 装配上憨谈麓给灏量结暴豢来静嚣癞，以疑璇试上黥凄囊夔垂港。 3 设计加工出一整套寂装光学器件的枫械装置，它具有结构简翠w 熊， 对鬻调熬的光学器件各有其独立晌微调缡构，能够方便地对光学器件的三个角囱 摩覆皴磁榭藏戆调整。当调试究感髅，缀装为一体，戳惹测量时只霈熬体谰熬 麟霹馕臻，蚕癜嚣葵蠹霉蟾是学潞僚徽攀皴魏诵熬。熬个懿穰缝穆足寸，j 、，溅爨 轻。皴发溅头袋溪接簸式燕发，遴瓣平行泞髭拣蹬测抒、嚣球爱嚣羹麓，捷露逊 溺滚位移髂懑器稔取溅头艇笈蕊鼍。 碡。麓筵这穆激竞予涉溺长仪鼹穷蠖濑蹙麓予三垒蠢壤，淫诗一囊麓裳 辩楚淄熬憋蕊亳鼹，鸷褒当三整搽魏遮行辩，溅美缓熬工辞对发遗戆臻罨，皴黢 激毙! f 渗纹瀵敬越发靖懿嚣号舅记添鼗箨，势虽忿皴发痿号还戆嫠三璧舔辍髂 槐，以避怒兰坐标机的继续运行丽损坏测凝蠛互佟。确定了电涡流位移悔感嚣酶 技讯值，窝观微测量接触力发讯，以撼小测球及测杆在力的作用下接触黛膨和谢 曲变形。 5 农三燮蠡嚣量瓿主宠溅了激光哥：渗测长役懿瞧襞实验。在三擞襁渊 黛钒逶嚣审，褥滋盎予渗溅长仪的灏爨数爨与三燮撼器篷壤透露逡霹，劳遴避澜 餮8 m m 石茭耩准具，遴行了魄对，分褥了溯羹麴不礴定度。 6 。 瓣霹能密瑷酶误蓑徽了定性熬分耩。密出了误差澡存在靛方式，并 提爨了改遴魏意冕。 关键调： 激光干涉仪 双光膝干涉测长仪机械结构触发电路 a b s t r a c t i ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a l o n gw i t ht h en e e do fh i g ha c c u r a t e d i m e n s i o nm e a s u r e m e n ta n dp r e c i s ep o s i t i o n i n ga n dt r a c k i n g , l a s e ri n t e r f e r o m e t e ri sw i d e l yu s e d i nm o r ea n dm o l ed o m a i n sb e c a u s eo f i t sp r o m i n e n tp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c s t h i st h e s i ss t u d i e san e wd o u b l ep a t hl a s e ri n t e r f e r n m e t r i cl e n g t h - m e a s u r i n gl n s t r u m e n t b a s e do nt h ew o r ko fd r - z a n gy a n f e na n dl i uh a l n i n g 。i ta i m sa ti t sp r o d u c td e v e l o p m e n ta n d m a k i n g tm o r ec o n v e n i e n ti np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ， t h er e s e a r c hw o r kc o v e r e db yt h i st h e s i si n c l u d e s 1 + t h ep r j n c i p t ea n dc h a r a c t a r i s t i e so ft h ei n t e r f e r o m e t r i cl a n g t h - m e a s u r i n gi n s t r u m e n ta r e a n a l y z e d 。i nm e a s u r e m e n t ，t h ep r o b ec a nm o v ef r o mo n ee n do f t h em e a s u r a n dt oa n o t h e re n d w i t h o u tl o s i n gc o u n t c o m p e n s a t i o nf o rt h ea b b ae r r o rc a u s e db yp i t c ho ft h ep r o b ei s i n t r o d u c e di nt h eo p t i c a ld i a g r a m ， 2 ，a l lo p t i c a lc o m p o n e n t sh a v eb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h ed i f f i c u l t i e si ns y s t e m a d j u s t m e n ta n dt h e i ri n f l u e n c e so nm e a s u r e dr e s u l t sa r ed i s c u s s e da n ds t u d i e d 、 3 摹氇em e c h a n i s m 秘i n s t a l l i n g 舔lt h eo p f i e a tc o m p o n e n t si sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 。t b s m e c h a n i s mh a sa 嘲i a b l ea n dc o n c i s es t r u c t u r e 。i nt h i ss t r u c t u r e , e a c ho p f i c 鑫：lc o m p o n e n tt h a t m u s tb ea d j u s t e dh a si t si n d e p e n d e n tt r i m m i n gs y s t e m 。i tf a c i l i t a t e st h r e e - d e g r e ef r e e d o m a n g l ea d j u s t m e n to ft h ec o r r e s p o n d i n go p t i c a lc o m p o n e n t ，a f t e ra l lt h ec o m p o n e n t sa r e a l i g n e d ，t h e ya r ea s s e m b l e dt o g e t h e ra sab o d y o n l yw h o l ea d j u s t m e n ti sn e e d e di nt h el a t e r u s a g eo ft h ep r o b e ，a n dn oi n d i v i d u a la d j u s t m e n tf o re a c hi n t e r n a lo p t i c a lc o m p o n e n ti s n e e d e d + 髓ee n t i r em e c h a n i s m ss i n a i a n dl i g h t 。t h ep r o b et r i g g e r sw h e ni tc o m e si n o c o n t a c tw i t ht h ep i e c e 两em e a s u r i n gs t y l u s 、b a l lt i pa n dm e a s u r i n gm i r r o r 娜s u s p e n d e db y p a r a l l e ls p r i n g s a ne d d yc u r r e n ts e n s o ri su s e dt ot r i g g e rt h es i g n a l + 4 ，髓ea p p l i c a t i o no ft h el a s e ri n t e r f e r o m e t r i el e n g t h - m e a s u r i n gi n s l r u m e n ti n3 dc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e si ss t u d i e & as p e c i a lt r i g g e r i n gc i r c u i t 瓠d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt o d e t e c tt h ec o n t a c tb e t w e e nt h ep r o b ea n dt h ew o r kp i e c ew h i l et h e3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n ei sr u n n i n g o n c et h ec o n t a c ts i g n a li sd e t e c t e d , t h i sc i r c u i ts a m p l e st h er e a d i n go f t h e l 袅s e i n t e x f e r n m e t e rt or e c o r dt h ed i s 蛾a c e m e n ta n ds t o p st h e3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n et oa v o i dd a m a g e so f p r o b eo rw o r k p i e c eb yc o l l i s i o n + b yu s i n gt h ee d d yc n l t e n ts e n s o rm i n i m u m c o n t a c tf o r c e si nm e a s u r e m e n ti sr e a l i z e d a n d 溆 t u r nt h ed e f o r m a t i o n so f m e a s u r i n gb a l la n dm e a s u r i n gs t y l u sa r em i n i m i z e d ， 5 s o m ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t so na3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n ew e r ec o n d u c t e d 。r h e l a s e ri n t e r f e r o m e t r i cl e n g t h - m e a s u r i n gi n s t r u m e n tw a sm o u r n e do i la3 dc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n ea n dar e f e r e n c e8 - r a mq u a r t zb l o c kw a sm e a s u r e d 。t h eu n c e r t a i n t yo fm e a s u r e m e n t w a sl e s t e d 。 6 。t h ep o s s i b l ee t o t si nm e a s u r e m e n ta r ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l y s o m es u g g e s t i o n sf o r m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo f t h ep r o b ea r eg i v e n k e y w o r d s ： l a s e ri n t e r f e r o m e t e r d o u b l ep a s si n t e r f e r o m e l r i cl e n g t hm e a s u r i n gi n s t r u m e n t m e c h a n i c a ls t r u c t u r et r i g g e r i n gc i r c i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在浮师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发袭 成撰写过的研究成果，也不包含为获得熬整太鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文终卷签名： 享g 皇 签字强矮；毒口譬，年孕其2 2 疆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅态璺肖关保留、使用学位论文的规定。 特授权基洼盘兰可以将学位论文的全部城部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩窜或扫描等复制手段绦襻、汇编以供查阕和借阕。同意学校 囱匿豢骞关部门或极兹送交论文魏复繇磐露磁爨。 ( 绦密懿学整谂文在薅密嚣适霆零授投滋甓) 学位论文作者签名：割孚 憝字日期：2 0 叮年年月2 z 臼 铷妣诌躐 憝字f i 期：z 0 0 3 - 年牟月站曰 天津人学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 予涉灞萤技术是隘老渡予渗藩瑾为熬稻送行灏董懿一门技术。 在现代精密测量中广泛采臻了激光佟为光源的干涉溅量方法。现代激光干涉 仪应用了光学和电子的最新成就，县肖髓程大、分辨力高、抗干扰能力强、测爨 糟度离、操作方便等优点。激光干涉仪可用来测量工件的形状误差、运动位移、 速度，可测量大气折射率，以及组成定位跟踪系统等等，已经在各行各业中得到 了广泛的应用。 尺寸测量( 主要撸长度或位移测擞) 遐测量实践中最经常做的事。采用的测 缀工具在一般精度下有直尺、卡尺、干分尺、测长机等，随着航空、航天、精密 仪器、精密规械等尖端领域要求零传其有戮蠢的尺寸精度( p m 以下) ，也就需袋 有麓露嚣溺量工其，激光于涉仪溅鼙系统可以缀姆速瀵是我稻豹精凌要求，毽怒 一毅激竞干涉纹溺量系统哭链溺量袋移，舔不戆壹接溺量长度、壹羟等，这藏怒 本文濡要研究秘，魏褥使它同襻麓用予长度、直径等尺寸测量。 1 1 激光干涉测量的基本原理 1 1 1 光的多普勒效应 这里主要叙述双频激光干涉仪，它怒一种外差式干涉仪，测量的基本原理是 多酱勒频移原理。 当毙波源襄或察考( 或搽溅爨) 麴黠予分矮( 或教辩蕊、反射器) 运动辩， 躐察者囊接浚囊懿蠢滚频率不霹予毙波滚瓣频率，嚣者镀蘧接近露菠接毂到懿频 率变嵩，焉当波源和蕊察者铵忿运离瓣掰接收到的频率变低，这静瑗象称为光魏 多蟹勒效应，由于多普勒效应而弓l 超的频率变化数值称为多普勒频移。 设观察者、波源与介质( 或散射体、反射器等) 之间相对运动的方向在同二 蠢线上，当观察者以速度v 相对于介质运动而接近或远离波源时( v c ) ，在忽 略简阶影响的情况下观察者接收到的频率可以表示为 = 五( 1 兰) c 式中厂为观察者测褥的频率，厂0 为波源朔观察者相对静止时测得的频率，c 为光 在囊空中躲速度，v 为援对运动速度。歪号袭示波滚帮鼹察者彼此接近，负号波 嚣波滚帮溪察者霰藏远离。当鼷察尝羚壹不动，波滚瞳邃疫v 稳对于夯矮运韵疆 天津人学硕士学位论文第一章绪论 接遥或远离蕊察者时，接收到静频率为 南 当波源与观察者( 或探测器) 同时相列于某种介质( 如反射器等) 运动，飘 相对速度相同时，则探测器接收到的光的频率经历了两次多普勒频移，略去高次 颂，则接收到的_ 厂为 f = f o + 垒 c 饕波源载鼹察者豹运动方淘与它嬲之阗戆逶线霄一夹受筘，霜要取速疫在连线方 淘戆投影分量v c o s p ，筵霹接狡到豹频率爻 ，。五1 _ vc o s f l ) c 1 1 2 基于多普勒效应的激光位移测嫩平涉仪 心降( 1 + 书 ，= ，一矗= 警厶= 袁 因为v ：d x ，位移量 d t x = j ：v 巩= j ：害a ，出= 害莓t 式中末箩为诗数器测得的赫渖数a 一一 书一书，、 灭滓走学预学位论文第一露缀论 扶上式者，位移量的德与荤鬏激光干涉仪溅长得如的结栗裙同，因此它也可 羽参考党窳与测量光束之闯翡光程差来謦效凌示。 1 2a g i l e n t5 5 2 9 a 激光动态干涉仪溯激靛移的鳆璎 溯鼙采蠲a g i l e n t5 5 2 9 a 激淹凌态予涉仪 7 1 作为测量_ i 其，它添瘸 羚n e 激 光器作为它的光源，具有意殿商、方向性好、单色性及相干性好等姆点。它怒一 种外蔑式的攫曼( z e e m a n ) 双频激光干涉仪。单频激光干涉仪的输出信号为赢 漉信号，霈采建直流放大嚣，对耶境簧墩鞍离，抗外器于挽因素韵髓力麓。双频 激毙予渗仪袋髑舞差蔹术，鬻譬| 入载滚袋传遴被测信号，这撵霹突瑷交浚放大， 隔绝由于外弊环境干扰引黧的淹流暗平漂移，因丽大大提高了挽于摭熊力。激光 囊空波长为6 3 2 。9 9 1 3 5 4 n m ，频率的长期稳迩度可达2 1 0 - 8 ，短期稳定度可达2 1 0 - 9 。 从激光谐振腔发出靛 r 求e 荤频激光寐，褥焚鼗于辘囱磁场中，盘予塞爨 ( z e e m a n ) 效应，使激光的谱线在磁场中分裂成两个旋转方向相反的燧德搬巍， 获纛餐鞠秘秘频率蕤激光。设它瘿翁掇藤鞠霆为么，簇率分襄为 、五，稳纛豹 榴相位角为妒1 、p 2 ，则振动方程为 耳( ，) = a s i n ( 2 玎_ f + 仍) y j ( f ) = a c o s ( 2 7 r f i f + 妒1 ) 嚣2 ) = a s i n ( 2 z f 2 t + 镪) y 2 ( ) 一a e o s ( 2 z 磊f + 热) 邋兔激必豹时麓捐予糕釉蹙润稳予缝裙缀好，瓣藏穗耱波长稍有麓异酌激光 畿熊穗干涉。若弧光波在熏囊方怒台斌，拔整鸯鞋藤溪，蠢上式霹褥会袋摄漤恣 y 口) ；2 4 c o s 0 r a f t 十! 娑) c o s ( 2 z f t 尹) 式中，琴一点一磊，矗妒；妒l 一张，= ( 誓+ 五) 2 ，鲈2 ( 弘+ 纯) 2 e 由1 _ ：式可知，合成振动酶频犟是额率鼻而振幅2 a c o so r a f t + a q d 2 ) 楚随l l 寸闯 f 作缓慢周期性变化，变化频率为v = 一正，称为拍频。 合成掇动的光强可用掇嶙的平方衮示 f ：4 4 2e o s 2 ( 群毳玲+ 是呈) = 2 a 2 1 + c o s ( 2 z c a f t + a o ) z 可知光强是戳拍频a f ；点一磊髂周瀚经变化的，就容易得到频率为 锫频够 静歪弦愈绩号。 灭滓大学硕士学位论文 第一章绪论 从r 式看，位移量的值与单频激光干涉仪测眭得出的结果相例，冈此它也可 用参考光束与测量光束之间的光程差米等效表示。 1 2a g i l e n t5 5 2 9 a 激光动态_ t 涉仪测量位移的原理 测量采用a g i l e n t5 5 2 9 a 激光动态干涉仪口1 作为测量工具，它采用h e n e 激 光器作为它的光源，具有亮度高、 向性好、单色性及相干性好等特点。它足一 种外差式的塞曼( z e e m a n ) 双频激光干涉仪。单频激光干涉仪的输出信号为直 流信号，需采用直流放大器，对环境要求较高，抗外界干扰因素的能力差。双频 激光二r 涉仪采用外差技术，即引入一载波来传递被测信号，这样可实现交流放大， 隔绝由于外界环境干扰引起的直流电平漂移，因而大大提高了抗干扰能力。激光 真窄波长为6 3 2 9 9 1 3 5 4 n m ，频率的长期稳定度可达2 1 0 一，短期稳定度可达2 1 0 一。 从激光谐振腔发出的i e n e 单频激光束，将其置于轴向磁场中，由于塞曼 ( z e e m a n ) 效应，使激光的谱线在磁场中分裂成两个旋转方向相反的圆偏振光， 从而得到两种频率的激光。设它们的振幅相同为，频率分别为厂l 、正，相应的 初相位角为p - 、p z ，则振动方程为 ( f ) = a s i n ( 2 ，r f , t + 竹)l y 1 ( ，) = a c o s ( 2 x f , t + 仍)j x 2 p ) = 一a s i n ( 2 口 t + p 2 ) 儿( ，) = ae o s ( 2 7 r ，2 h 伊2 ) 凼为激光的时刚相干性和空间相干性都很好，因此两种波长稍有差异的激光 也能相干涉。若两光波在垂直方向合成，按叠加原理，由上式可得合成振动为 y ( f ) = 2 ac o s o r 可，+ 兰罢) c o s ( 2 丌f t + 妒) z 式中，a f - j ；五，p 2 9 i 优，f 2 坼 五) 2 ，p 2 ( 1 + p 2 ) 2 。 | = ；h 上式可知，合成振动的频率足频率工而振幅2 a c o s 机掣计a q 2 ) 是随时间 t 作缓慢周期性变化，变化频率为，= 一五，称为拍频。 合成振动的光强可用振幅的平方表示 i = 4 a 2c o s 2 ( 厅疗+ 竺里) = 2 a 2 【l + 。s ( 2 石4 一+ 尹) 】 z 可知光强是以拍频a f = _ ”正作周期性变化的，就容易得到频率为拍频r 的正弦电信号。 的正弦电信号。 天津入学硕士学位论文第一蕈绻论 图i ，l 激黻激鬼干涉仅缀理蓬 l 卜 搏渡片r i ，照角锥棱镜 狲s 偏振努光镜d i ， d 2 一搬撩测器 a t ，a 2 一稔偏器 窳瀑磐整1 1 爨示，激光嚣发爨鹣戮镶投必经k 4 渡冀q 惹变成纛焱鹈东 平方向的正交线偏振毙，其中一部分光经分糍镜反羹孝，检偏蜃在巍藏梭溅元僻 d 2 得到频率为，1 一五的参照信号 “，( r ) = a c o s2 硝【( z 一五) t 另部分光射向偏振分光镜，由偏振分光镜将它们分开，五为参考光束的频率， 是麓测鬃光束熬频率。由予测慧爱辩镜熬运魂遮艘戆多彗勒频移，袁 够：丝；娶 e 最届遮两荣光在偏振分光镜中汇合，经检偏屠鬣汽电检测元件d l 褥剐频帮为 f t ( 6 _ + a a ) 的测量信号 ( ) 耋翩s 2 嚣f ( z 五) 掣盛】 = a c o s 2 硝【( z 五) t 士【盎如d t 】 最艏经过减法器，与倍频器2 的输出相减后只剩下多普勒频移。 移动距离与计数器的计数的关系为 = v ( t ) d t = 导够旃= 害 国一卜遴分辑可知，双菝激光予渗议辕凄瓣憝频率菇撼频a f f l 一点及 f l 一( 乐士盎压) 的交流信号，被测位移役使信号的频率变化，交亿量为盎庇，中心 频率铲1 + 螽) 2 与被测物移动的速度凭关，即葳测量时角锥棱镜不动，磷个光 4 天簿大学磺学位逢文第一窿终论 探测嚣也同样接收到拍频信号 一点，只怒簿路信号的始频差为零，融此域颁激 光予涉搜可掰交流放大毫路，从丽党溅了攀颧激光干涉仪直流敖大攒的零漂。 9 9 ，5 ，这里玛为偏振面平孑亍于纸两的镳壤 巍戆透瓣率，毯为镶搽囊垂妻于纸嚣戆镳辍光戆反嚣率；珏及r e 9 5 。 ( 5 ) 角锥棱镜的规格( 单位m m ) 为巾2 5 4 1 9 ，材料选用光学玻璃b k 7 ， 面激精度x 4 ；波前畸变v 1 0 ；1 8 0 。角度( 转向) 误差2 ”( 角秒) 。 ( 6 ) 9 c 4 波片的规格( 单位m m ) 为咖2 5 4 x2 ，真零级波片；面型精度v 1 0 ； 平行度 1 ”( 角秒) ；波前畸变z 1 0 ；位相延迟精度z 3 0 0 。 参考光束的光路中，光在其经过的光学器件中的总光程约为1 8 6 5 r a m ，而程 测燕光路中，光在其经过的光学器件中的总光程约为2 8 5 。5 m m ，则两路光在熟嚣 疆经道静炎学器 牛中存在的光程差约为9 9 r a m 。 3 。3 光学器箨戆翅工或安装误差绘灏爨鬻豹影瘸 在考察某光学器件的某个误差带泉的影响时，为了方便起见，先假定其它器 件的加工及安装没有误差。 ( 1 ) 大直角棱镜 图3 1大直角棱镜绕y 轴的安装角度误差 程 大点角棱镜用其斜面通过全反射米改变参考光束的传播方向，其角度精度对 光的于涉没有影响。由图3 1 可知，若安袈碉试大壹角棱镜对存在一个绕y 轴的 髓镯角误差拉，著不改变参考光柬最蜃邋强激光器的方向，只是毖没有角度谖差 瓣光寨有繇镶移；羁样可以证明蓉大纛建棱镜对石麓或对z 辜垂买有安装上熬强 天津大学硕士学位论文 第二章光学器件的设计 发德蕊，罄不会建成运圈毙泰镳转，凳跫都会产生馕移；另一方嚣电予这令镑凄 误差会造成参考光束对盖辅方向有2 氆偏转，肖测爨时窿直角棱镜移动鼹离( 郄 测量长度) 厝，则参考光束的光獠熬变化即产生的误差为4 l f l 一1 ；，藩当吐 、c o s 2 a， = s o ”，点一1 0 0 0 m m 靖，产生懿光羧谈差为0 。1 7 ；a m 。 结沦蹙当光两次逶过大纛煮棱键德遨露，只鼷在其麓够全反射豁麓发之逡， 则不会改变光的传回方向；糟南微小的安装角度误差，会造成光轴产生微小偏移， 同时这个角度误差会造成微小的测蹙误差。如果大筒角棱镜可以调整，则上述误 麓可以基本消除。 ( 2 ) ，l 、蕊囊棱镜 参考光荣及瓣量光寨器逶遭夺藏麓棱镜次，只蹩各宣改交竞懿砖撬方两， 但它们的传播方向正好括反。 a )安装误差 小赢角棱镜 入射光柬 大直角棱镜 长盥角 返回参考毙寒 y 参考光束 l 一x 运豳测量毙寨m 4 波片 ( b ) 测量光藤 强3 2小童角棱镜绕z 辍熬安装误差 幽图3 2 可知，若小赢角棱镜肖绕z 轴的安装角度误差a ，则参考光荣放测 量光束的返回光束都存在绕z 轴的2 a 角度误麓，且方向相同，但偏移鬣不同； 糟测掇路度为互时，这个角度误麓对参考光束光程的变化为2 ( 磊b 一1 ，对 溺鬣蠢寒光翟酶交囊二为毒三( 磊击一1 ) ，楚最终产生2 ( 上c o s 2 掰一1 ) 豹必程谟 差。 天津大学颈土学位论文第三章光学瓣 牛的设计 b ) 小赢角棱镜的壹角加工谖麓 图3 3小畿角棱镜加工误差的影响 如图3 3 ，若奎壹角棱镶蕊麓是本身存在期i ， 二豹角凄误差7 ，粥会淄趣产 生参考竞寨及溺量光束豹绕y 辆瓣勰袁度偏转，耱滚量长度为三露，魏角度会 ，、 产生2 三i 三一一li 的光程误激；同样它也会造成光轴产生微小偏移，假这种偏 lc o s 2 y 移对参考光荣及测量光束是不样的偏移，并随着长崖角棱镜的远近丽变化。另 努小壹热竣辘靛壹角棱边在z 辘方向上下豹位置，凌定了参考光束及测爨巍衷回 至l 激光于渗便的竞接受藐稳健瀵，它 f 】位置穰移鹣大小稽等毽方惫正荮秘反。困 加工角度的误差丽引起的测量误差无法消除。 ( 3 ) 长赢角棱镜 长妻角棱镜是穆为移动溺熬镜镬爝的，它豹上半部分是壹受棱镜，只肖参考 光束在照反= 鸯重；瓣蟊下半部分镀菠射貘 乍袭平面反辩镜，疑有测量光束在越反射。 也可以不镀斜面反射膜而整个斜面都镀增透膜，用全长直角反射，结粜样。 a ) 安装误麓 由强3 4 露知，无论长蠹麓嫒镜在安装上存在绕并秘z 方囱土熬徽小费度 误差，都不会造成参考光束及溺爨光束静偏转，懿会使它餐返强的淹聋蠡产生不两 的偏移。另方谣，若测量的长度为上时，绕y 轴的转动误差d 会带来 4 天津火学硕十学位沦文 第二章光学器件的设计 2 l f 0 一l1 兹竞翟误差。 kc 0 s 2 群 ( a ) 测量毙素 ( b ) 参考毙寒 l 一x 图3 。4长蠢角棱镜绕r 轴的偏转 b 长直角棱镜的直角加工误差，如图3 5 小直角棱镜 大直角棱镜 长直角棱镜的上半部是南角棱镜。凼图3 5 可知，若存在着长直角棱镜的赢 角角度的加工误差1 ，则参考光束经过次长直角棱镜反射造成绕z 轴偏转铆， 两次反射绕z 轴偏转4 7 ，而此偏转无法消除，因而会带来 。南一；) + 互 面1 一，净测量谟戆。 天津人学瑕士学位论文 第三章光学器忭的设计 4 ) 角镶嫒镜 图3 6 精锥棱镜的加工谖差的影响 直角援镳 爨镶凌缝对安装爨耩疫要求不藩，毽辩菸鞠王黥精度要求缀离。热潮3 。6 掰示，装程其疆兔爱光线转向t 8 0 。掰存在8 瓣霜度误差，舞会造藏题瀚测蠢 光束的2 鼠角度误差，并且此角度误差无法消除，在最不利情况下会带来 4 上f l 一11 + 2 f 妥一1 1 的光稷谖麓。 c o s 搿jl c o s 撕， ( 5 )编缀分光镜 翻3 7 艇射光与折射光的偏振 稻懑3 。7 掰示，当互摆囊藏躲光矢篷扶一耱会蒺入瓣蘩雯一套爨袭囊黪，会 产生反瓣光和辑鸯| 光。反射光藕拼辩光的编摄像程凄与入射螽i 有关，设蝴、n 2 是入射光和折射光所在介质空润的辑射率，vo 为当入射角是如时的挢射角，雕 6 天津文学硕士学位论文 蕊三牵光学嚣 譬熬设胡 f 2 1 = 2 糊表示摄射分璜撩聪入射贪旗热辑瓣攀，蜜验表明当i 等于菜特豫蘧 i o ，肖蔽瓣光与叛翦竞垂蠢辩，凝糖光为豢纛入瓣蕊搬动静线编攘党，辑麓竞傻 为部分偏振光，此时，入射惫i o 满足 罢鱼。鍪( 擀瓣定律) s i l l t 毛+ 扎= 詈 s i n 芦。一s i 狂( 三一) = c o s 南 故tani02n l = ”2 强 帮入射角嵇满足t a n 坛= n 2 嚣，= n 2 l 潜，菠辩光为夔纛予天莉面振动的线稿叛党， 这艘律称为毒暴赣特定露。 德缀努光镜就是溢立方棱镜靛瓣麓黉甥开，势在瑟个切瑟主分掰镀多麓奔矮 膜簸又胶合戚的立方棱镜，多屡介艨膜为离拼射率的膜层和低拼射率麴滕聪交 蘩。为了获德凌大静镶掇痰，疵逶警逸撵貘瑟瓣掰瓣蜜，镬光线在携邻貘鬃器蘧 上的入瓣热慧予布儒薪特建，鼯使程姚器蕊上褶艨静茨射毙线帮辑射巍线埝好匿 交 9 妒瓣夹角) ，赠戴对瓣入射角髂必蠢髑凝将角，逡对反射光燕只存农羲焱缀 动的完全线偏振光，而掰辩光为部分偏掇光，平行强麓占优势，戴瞬的编掇傀耧 度最漪，这样可通过多层介质膜来达到折射光也基本上成为平行振动的完全线偏 振光，并搜最嚣通过编掇分巍薅麴邂射与反射浅线成9 0 。的夹角。 籀3 。8 镳簌努燹镜鹣安装误差 走津大学硕士学位论文第三章光学器f ：构设计 翔嚣3 8 掰示，麦子安装鬣镀骥瀚浚蘸，不可耱绦证最后懿透袈与爱麓光线 成绝对9 0 。夹角的关系，僵按照警麓鲍毙路设计，可以证明偏振分光镜形成的透 射与反射9 0 0 夹角的误差及安装谈麓不会对测蘩光束产生偏转误差。蒜镀膜或安 装造成酌姆德振分光镜的分光露顾瓣褥健光愆9 0 。反射角存在豌的角躞谖麓，对 参考巍瓷说这j 氐受度误差会造藏4 l f l l1 党狴误差。 c ：o s， ( 6 ) k 4 波片 要求k 4 波片的晶体光轴与米自偏振分光镳的线偏振光成4 5 。夹角，糟不 为4 5 。且存在楣位延迟偏差，则从九4 波片出射的光藏会成为攘瑟馈拯毙，遮 霾豹光褥次经过躺波篾爱产生了转生分爨，虽繇嚣毙懿艉重会套掰狳餐。 综土考虑，其中为装诿方便，将德振分蠢镶、角锥棱镜、x 4 波片三葶，孛黢合 在起。并要求九4 波片的晶体搬辙与来自偏振分光镜的线偏振光成4 s 。，使 从九4 波片出来的光为圆偏强光，当此圆偏摄光再次通过九4 波片时成为线糖攘 光，德滚馥方囱改变9 0 。；戴黢含 串懑光墨嚣均镀港透簇，增逶膜鹣及辩率小 予0 2 。舅癸傻太妻蹙棱镜、l 、蕊角搂镶及长_ 鬣角棱镜分嗣哥诞。 天津夫学磺圭学谴论文蘩蕊举疆党疆激光子涉溅长饺筑梃槭绪捣 第四章双光路激淞于涉测长仪的机械缩梅 褫槭续擒装置臻来安装光学器静，劳熬肖调试光掌器俦的能力。被光鼹激光 w f 涉仪懿撬摭绥擒分为分光镜缳终及测头缀 拳缮糖装置。 4 1 分光镜缀件 1 ) 光学嚣终翡组成 分光镜缀件包含有谝掭分光镜、镄镶棱镜、x 4 波片( 为安装灞试麓穗，黉 求生产厂家将镛振分光镜、角锥棱镜、4 波片胶会雀一起) ；还有大鲞想棱镜 效枣嶷惫棱镜。 出于大嶷角棱镜与小藏角棱镜麓着改变光传输方尚的作薅，麓也胶合程 越，囊予存在藿热工及驳食谟嫠，粼鸯礤熬会黪灏簸藤豹干涉效暴躐产生较大瓣 测爨浚麓# 在实际使爆中教域黢好瓣置碡波嚣缝够攀独调整。 ( 2 ) 穰壤掺懿缍成 主瑟由偏振分光镜等胶合件的安装圊定架，大赢角棱镜的安装调整架，小点 熊嫒铸翁安装调整絮，以殿熬俸熟糕架等缀戏。 主葵辍械缝枚弼圈4 + 1 、羯4 ，2 掰示。 天津天学硕士学位论交籀潮掌瓤巍鼹激光于涉测长仪斡撬缀始擒 檄瀵蠛熬擞溺蝶黧 图。2 分光镜缀件德视爆 ( 3 ) 主簧浚嚣慈惩 主要设计思想是结构紧凑筒单、重爨轻并置调憋方便。 大盥角棱镜与小直角棱镜备分别具有一个独立的三维角度调整缩构，通过微 调螺熊( 微调螺丝的螺距为0 。3 n u n ) 可对其做出适当的角度调整，调憨的范圈 约l ，5 4 ，爨努夺妻受援镜遮熬鸯个溪拣控爨溪横，这襻在灞整邋稷串珂戳 焱诞熬铺援分巍镜及大直凳棱镜，簸螽孬将，、壹熊棱镜推入塌整，馥褥整个调夔 裰对容易。 菠毫蹈棱鄂不影豌竞黪袋遴，著量考懑戮了经装酝调试对不会影旗绶援臻蚤 光攀袭舔。 设定大赢角棱镜与偏振分光镜之间的激光轴线鼹离为4 0 m m ，它正好怒长蠹 角绞镜长度豹一半，捷褥测头缀转熬上下移动褥不蓉毙熬范围可以这雾g 竣大。 各光学秣伴的安装都可猿立送行，黧捩拆卸方便。 熬个组件的外轮廓尺寸( 单位m m ) 约为1 0 0 1 0 0 x 7 0 ，机械缩构基本上采 用铝台金材料，降低了整体爨掇。 婺个缀搏筑装磐磐握絮矮弼安装在一个三维穗凌可调著有一定的可上下调 节黪裳瘫上，这样，在整个缀 簪内酃备光擎瓣髂镶舞聪，戳磊傻鬟炙要键熬魏衰 纛，髓达蓟干涉效果即可，丽不必雨蘑魏调整分光镜缝件内部的光学器件以节露 调试辩勰。 天津人学硕士学位论文第心章双光路激光干涉测艮汉的机械结构 4 2 测头组件 溺头缍箨中长壹霆棱镶与溺球、羧l 抒荚阉安装在一超，并逶遂乎抒片黄貔玄 稻懋麓在二维角度调整粲下，丽二缀臻凄调整粱与z 辜壶固定，因此当灏球接触工 件后，会使长直角棱镜发生倾斜，利用一个涡流传感器监测长直角棱镜发生盼倾 斜，从而对测量接触力进行控制，并在搬大程度上避免了接触式测头的瞄准误藏， 豳长直角棱镜倾斜带来的阿贝误差，谯光路设计上做了补偿。 ( 1 ) 机械结构件主要有二维角度调熬架、长直角棱镜固定安装架、双平行 懋吊片簧弹性机构、测杆和测球等。 二维角度调整架安装在z 轴上，并通过微调螺丝( 微调螺丝的螺距为0 3 r a m ) 来调整长直角接镜均角度。这样其三个角自照赛都可班调整。 鞭l 耪、溯球及长壹舞棱镜与乎霉亍持簧安装在一起，共同悬昂在二维热瘦调熬 絮之下( 瑟暴装在z 辘上) ，这榉它程魏霹疆片簧戆撰动瑟摆动。 ( 2 ) 光学器件为长直角棱镜。 ( 3 ) 电器件为电涡流位移传感器的测头及其传输导线。 当测球接触到工件后，由于接触力( 即克服平行片簧的弹性力，以及三坐标 机因以某种速度运行时产生的惯性力) 的作用，测球会带动悬吊平行片簧产生一 偏移( 并有一定的偏转) ，这时电涡流俄穆传感器的测头拾取片簧弹性机构的偏 移，其输出电压值随偏移而改变，最厢将此电压值送至比较电路而产生触发，使 激光干涉仅复位或记录下当前工件的稠对像麓俊，并且此信号还需使三坐标枫宓 璃箨税。 预先浚定邀漏淀霞移簧藩器兹霹戆位鬟( 毯藏霆溅头麓发工彳孚之藏逛溪滚霞 移健感繁的测头与导磁往耪瓣之闽鹃鼹离) ，托时电涡流位移健感器应输交一个 初位电压，调好后蔫螺丝将电涡流位移佟感器的测头固定住，使之不会变动。 整个机械结构除测杼、测球、片赞及传感器挡板外，其余大部分都采用锅含 鑫u 牛才料，尽可能地减小整体重量。传感器挡板采用导磁材料。片簧采用铍青铜材 料。主要机械结构如图4 3 所示。 天津太学颈士学经论文纂嚣章硪毙貉激光手涉溅长搜能机械结籀 三坐标帆z 轴 图4 。3 测头组件 溅头缀绺设计其霄玖下黪点。 长蠢受棱锾兹设诗长凄蕊8 0 m m ，壹囊边塞凌受2 0 r a m ，臻葵瓣露煞蠢度为 2 8 m m 。攫l 球中心距长直角棱镜的下边缘为1 0 n u n ，渊头在z 轴方向约海2 0 m m 的移动量。舄外由于小真角棱镜的宽度为1 0 m m ，这样同时在y 轴方向就有 3 5 m m 的移动量，这些移动襁测量过程中不会产生任何不利的影响。邂样测头 裁麸被测对蒙麓侧移裂另侧( 主要是在z 轴方翔靛移动) ，实现在定范圈 痰霹王 孛肉癸只寸蘸涮薰磊不丢光。 参考键与涮量镜做成整体可以减小调整误差# 辩参考瞽和测量鹫的几何设计 可以补偿拧轨运动时角度误麓带来的阿贝误差。 用电涡流位移传感器拾取测缝的触发信号；测头、长直角棱镜与片错结构装 在一起，缀太程度上避免了测头豹蹒准误差。 4 3 双光游激光干涉灏长饺黥光踌键试 ( 1 ) 嶷装好激光器，使激光光束基本上沿三搬标机的x 轴方向。将激光干 天津又学碳土学爱论文鬻汹章双毙鼹激光干涉涮搜麴嚣l 梭雏孛鼋 涉仪窖带嬲靶镜装在三坐标枫上，使激光光束打在鼹靶镜上，采蠲光电猴露技寒， 运孑三警撂凝魏羔辘，霹对调熬激光器，嫒其发懑熬巍与三坐标辍豹菇毒逡乎行。 ( 2 ) 将溅夹缝 聿昂装在三嫩豁羲熬z 麓主，遴遭二经羯度调整絮调整长纛 惫襞缓，锭箕乎嚣反瓣瑶垂蠢激光竞辍，并嫒长焱鳃镀镜豹壹受援边平行予z 霉羹( 蒋激光光点努在长直舞棱镶豹蠹霜穰遮蹙，然后上一f 运行z 骚，霞整个蹇囊 棱边都能将激光返回至激光的缴出孔) 。 ( 3 ) 龄先激光打在长直角棱镜的平耐镜上，使激光光束返职( 即激光光牟陡 与平面镜壁赢) ，然后将安装在可调嵌您上的分光镜组件放置在激光器与测头觌 孛之藏送行溺试，蓄先涌表痊熬逡懿及翅麓嫠溅量党藤戆运毯激竞器靛接受魏， 并汝膏辘方囱运行三坐标瓿，镫掰有遮黼淹漆帮瀚簦l 激麦器戆接受孔。蠲丈纛 热棱镜的微谰枫构调整参考光慕使返潮党慕酃蹬粼激光器静接受魏，同样沿彤 麓方逸送行三垡稼巍，使瑟鸯溪秘毙窳帮瓣翻激宠瓣瓣接受藐 ( 4 ) 将小塞受菝镜藏入，莠承平移动激毙器头( y 辘方蠢) ，调整小囊爨羧 镜蕊褥参考必寒露瓣量竞寨舔缝潮蘩激竞器憝接受魏。 ( 5 ) 如采得到最后总返回姻干涉光的光强能满足测量要求，则光学器件的 蜜裟角度调试完毕，此时将激光干涉仪飘位清零，可以开始测量。 ( 6 ) 墩艏要调如图2 2 所示的a = b ，臀先运行三坐标机z 轴，用岚尺测摄 长悫煮棱镜主鹚走斑中心，馥8 大崴等予b ( 设计土a 一4 0 m m ，毙学器件的安装 角鹱涌辩震篡为窗定蘧) ，谈三嫩椽撬漤x 辘缓漫运行至溺头磷嚣疆l 触别工黉：酶 瑟，髓察越时的于涉纹示德势继续两魏缓溪运行三坐标辊鳕l m m ，在此过程 皆溪辩劐簸我_ 于涉蔹懿示蘧蠢置交纯，蕊予涉 殳弱暴潼变强大于0 。l g m 游，三 嫩檬狡遥黧簇麓工箨蘸懿经鬟，褥运费三塑嚣稳漤z 麓藏羧羹诿整，然惹漤x 辘继续去接徽工箨，重复上述步獠簸舞霞磐激毙予涉佼蕊示基交铯枣予0 。l i m a ， 越薛参羹零上矿b 0 t m m ( 鬣蠢角疆麓簇瓤零予3 0 9 ) 。 天津太学鞭士学霞论支 第五誊渊羹簸袋避黪 第氮章溅量触发魄路 爝激光路激光于涉潮路淡粼懿工 掌瓣尺寸，漾阂接触式溅量，它需要瑙测头 塞囊缓接触工件，以取褥工件袭鞭点翁实际使鬣，因此就需要商一触发装鬟，来 感寰霹溅头_ 蓬瑶接麓了工佟，这麓浚诗了令舷发邀繇实瑶遮一麓缝。慕鬻淹溺 流位移传感器去拾取测头接触工件届产生的位移，并将输出送给触发电路，使激 光干涉测长仪读到触发时的数据。 5 。1 激光干涉役的触发穷浅 a g i l e n t5 5 2 9 a 7 1 激竞旗态予涉纹般哭蹩逛计算橇键盘输入掰癸溅爨懿瓣 躐佼器，或确定时问闻隔谶荦亍测薰。簧想获祷“强意移动”鹃触发方式，只能邋 过其遂示瓣上麓“记录”按镪或遥控器上拣溅装较镪必记录测薰，缳这绥然蹙手 韵方式。因髓对于外部触发，嚣装通过箕外部接鞠获褥。于涉谈虢遥控控制璇鲻 竣a q u a d b 端1 3 都具有姨外辫实域缀发的劝缝，骥北可剩甩这些溺翳来实觋触 发溅鬣。 遥控控制端口在a g i l e n t1 0 8 8 7 a 计算机控制板上。如图5 1 所示。 l 撼魏姆信号盘豫 1 j 魍g r o u n d 2 复毽2 2 r e s e t 3 记录r e c o r d 圈5 1 予涉铰遥控溃蕊幂懑蕊 在平常状态下( 来触发辩) ，簸经瓣( r e s e t ) 帮记录舞( r e c o r d ) 帮爨霄终 + s v 的高电平，只要复位脚或记录脚的其中之接地域给予一个t t l 的低电平， 就可实现一次触发，但不能两个同时触发。笈位触发时，激光干涉仪的读数消零 并嚣戆瓣数；记录麓菱霹，予渗致记凝下嚣骥皴黢时溪到懿数鬃。 器。2 三黛撅溅塞壤嚣融缎鸯茂 浆蹦手动操作运行三黛标潮鬣桃转】鳅，当测头接触到工件并发感触蕊信号 2 4 天津夫学颈士学僚论文 第五章测曩魅发泡潞 后，必须马t 簿| 上运行三坐标撬，嚣她三三搬标褫继续运行会撞坏溅