第五章 激光测量.doc

现代测量技术第五章 激光测量激光 Leaser 这英文名词是由几个单词缩写而成，其意思是激发辐射光放大。激光是一种能量密度高、方向性强、单色性好的相干光。激光工作原理是，当激光工作物质，也称可激活物质( 如红宝石、钕玻璃氦氖气体等具有亚稳态能级结构的物质)受到光泵( 脉冲激励光源 )的激发后 , 便产生受激辐射跃迁 , 形成光放大 , 再经过由全反射镜和部分反射镜组成的谐振腔产生振荡后 , 成为单向平行光束 , 由腔的一端输出激光束。5. 1激光干涉仪测量长度由于激光具有良好的方向性、单色性和相干性等优点，采用激光器作为光源，以激光稳定的波长作基准，利用光波干涉原理实现大尺寸的精密测量是目前大尺寸测量中比较理想的方法。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.工具激光干涉仪有单频的和双频的两种。1用单频激光干涉仪测量单频激光干涉仪是将同一激光器发出的光束，经分光镜后分成相同频率的参考光束和测量光束，它们分别经固定棱镜和随被测件移动的可动棱镜(如图5-1)反射，而在分光面上重新汇合而产生干涉，相应的被测长度，对应于干涉场的干涉条纹信号变化的次数，通过光电接收、转换和电路处理，求出相应被测长度的数值。图51 单频激光干涉仪原理为了减少激光光源热辐射、振动等有害因素对其他部分的影响和满足大尺寸测量的客观需要，仪器的设计采用分开式结构。如图5-1所示， l为激光器，包括激光管光源、光电转换系统和放大器系统；2为干涉装置，主要由分光学部件和固定棱镜部件组成；3为反射靶系统，包括移动棱镜以及和它同时运动的测量装置系统。单频激光干涉仪一般没有专门的空气折射率测量装置，在进行大尺寸测量时，温度误差对测量结果将有较大的影响，故对测量环境应有一定的要求，必要时应对上述影响进行修正。2双频激光干涉测量（1）多普勒效应实验证明，当光波接收装置相对光源作相对运动时，单位时间内接收装置所接收到的光波数(即频率f)，将与光源实际发出的光波数量(频率f0)有所不同。这种现象称为光的多普勒效应。设光源固定不动，接收装置以速度v趋向于光源，即接收装置迎着光波的传播方向移动，则相当于光波以 c + v射向接收装置,c为光波的传播速度。因此，单位时间内到达接收装置的光波数(即频率f)等于：因为 1/T = f0所以 即接收装置的频率等于光源频率的倍。当接收装置以同样的速度远离光源时，运动的速度v规定为负，上式关系仍然成立。 （2）双频激光干涉测长仪的工作原理图5-2为双频激光干涉仪的光学系统。将氦氖激光器 l置于一轴向磁场之中，由于塞曼效应的作用，使激光谱线分为两个幅值相同、方向相反的左、右旋圆偏振光。又由于频率牵引的作用，使这两支光的频率f1和f2相差不大，一般为1.5 MHz左右，处在激光的可“拍”频差之内。良好的干涉性能是激光优于普通光源的特点之一，对于激光而言，即使是两支频率有差异的光束也能较好地产生干涉，通常我们把这种激光独有的特殊干涉现象称之为“拍”。这两支频率分别为f1 、f2的圆偏振光，通过 4波片2之后，形成两个振动方向互相垂直的线偏振光(设f1平行于纸面，f2垂直于纸面)。它们经准直系统3扩束后，在分光镜4上被分为两部分：一小部分作为参考光束被反射，经45放置的检偏器产生拍频为(f1f2)的“拍”。该信号由光电管6接收并转换为电信号，进入前置放大器7后送计算机处理。另一大部分光透过分光镜4，沿原方向射向偏振分光镜8。互相垂直的频率为f1和 f2的偏振光，在分光面上分别被反射和透射至参考镜9和测量镜10，然后再返射回并在分光面处汇合。其中，由测量镜返回的偏振光由于多普勒效应，频率变为f = f1十 f，其中f =，v为测量镜移动速度。这两支光汇合后，经棱镜11反射到45放置的检偏器12产生“拍”，信号由光电管接收，经前置放大器14后，送计算机处理。图5-2 双频激光干涉测长仪光路计算机将两路信号进行同步相减，得出多普勒频差f。在时间 t内与被测长度对应的多普勒频差为 由于 、则 故被测长度L为 双频激光干涉仪以交变信号作为参考信号，可避免零点漂移，有较强的抗干扰能力，可在现场使用。测量长度可达60m左右。此外，如配以简单的附件，还可对角度、直线度等进行测量。双频激光干涉仪的最小分辨率为0.08mm，最大位移速度为300mms，其测量精度已达到110-7L (L为被测量的长度)。 5. 2 雷尼绍激光干涉仪ML10 Gold雷尼绍激光干涉仪ML10 Gold可提供线性测量精度为 0 . 7 m / m 和分辨率为 0 . 001 m 的超精度测量和校准能力。 ML10 Gold测量质量、性能稳定并适用于多种环境。雷尼绍采用激光干涉原理，包括线性、角度和直线度的测量。因此ML10 Gold使用干涉原理所提供的测量采用国际上光线的波长为长度标准。 ML10 Gold使用分离的干涉镜，而不与激光头安装在一起通过提高激光源的稳定性和环境误差补偿。ML10 Gold提高测量精度和稳定性，并克服了与标准条件不同的多变环境（气温、气压、湿度）这些变化可引起的不确定度。ML10 Gold的激光稳频精度达到0 . 05 m / m同时使用非常精确的环境补偿传感器来采集数据，通过EC10环境补偿单元对“原始”测量结果进行修正。英国雷尼绍RENISHAW公司激光干涉仪的主要技术指标是：直线位移：（范围），准确度.直线速度：范围./，准确度.（ ）激光干涉仪检测系统，为机械制造业提供测量检测系统，用于机床及三坐标测量机的精度检测.该系统0.7ppm(百万分之一)精度提供了其它系统不可比拟的,并符合国际标准的工作性能追溯能力。在线性测量系统中，可以测量工作台的定位精度，重复定位精度。还可以测量直线度、平面度、垂直度等形状、位置精度。5.2.1 ML10 激光器图5.3 - ML10 Gold Standard 激光器ML10 激光器构成了 Renishaw 激光校准系统的基础。ML10 是一种单频 HeNe 激光器，内含对输出激光束稳频的电子线路及对由测量光学镜产生的干涉条纹进行细分和计数处理。 有关 ML10 激光器如何工作的详细说明，请参阅干涉镜原理部分。激光器的II 级功率等级表明使用时无需特殊的安全装置。ML10 激光器可通过数据联结电缆连接具有PC10 接口卡的台式计算机，或是具有PCM20 接口卡的笔记本计算机。前面板有一个激光器状态灯及光闸。激光器状态灯可表示激光器是否已达到稳定的状态。可将光闸转四个位置，以满足以下功能： a.切断光束。 （建议搬运时采用此位置以保护内部镜组，或在设置系统前采用此位置以减少光束意外射入双眼的可能。） 缩小光束与光靶 最大光束与光靶 正常测量位置（即最大光束与光孔） 系统设置期间使用位置 b 和 c。 利用目标来准直回射光束，使它在当光闸被转到正常测量位置 d 时，直接落在探测器端口上。 缩小光束容许您在准直过程中做更精细的调整。图 5.4 后面板细节注： 直线度测量时使用的激光器装有一个直线度光闸机制。值得注意的是：激光安全，切勿凝视光束。根据 EN60825-1 以及美国标准ANSI 2136，Renishaw ML10 激光器属 II 级激光，因而不需要佩戴护目镜（正常条件下人会自然地眨动眼睛并转移目光以避免伤害）。 切勿直接凝视光束或照射他人的眼睛。 注视漫射光束不会造成伤害。1、ML10 后面板控制及指示灯 图5.5 角度俯仰调整指形轮ML10 的后面板包括一个激光器状态灯、ON/OFF 电源开关、电源连接、数据联结插座、以及角度俯仰调整。激光器状态灯可表示激光器是否已达到稳定的状态。ON/OFF 开关控制 ML10 激光器的电源输入。 电源插座就在此开关旁边，可插入提供的电源导线上压模的标准 IEC 接头。可使用准平指形轮来做精密的倾斜度（俯仰）调整。2、安装组合ML10 激光器底座有一个三点式的安装组合。 激光器前端由两点支撑，后端则由一点支撑。ML10 激光器可用 ML10 安装云台装在一个三脚架上。3、ML10 激光器角度俯仰调整可用 ML10 后面板的指形轮组来调整激光头的角度俯仰，如上图所示。4、激光器稳定性 开启激光器的电源后，必须经过预热周期才能稳定下来。 一旦稳定后，须控制通过机架内加热器的电流，将内部激光管保持在一定的温度范围内。最初开启 ML10 激光器电源时，前后面板上的指示灯 LED 会持续亮红灯。 （若光闸机制不在“切断”(shut-off) 位置，可能也会看到激光束。） 大约间隔 30 秒之后，指示灯开始每隔一秒钟闪烁红灯，表示加热器正在预热激光器管。 这时，若光闸打开，激光束也会强弱闪烁。 这会持续大约 10 到 15 分钟（一般来说），之后指示灯变成稳定的琥珀色，表示激光器开始达到稳定状态。 再等一分钟左右，指示灯会变成稳定的绿灯，表示激光器现在已达到稳定，可以用来进行测量。注： 在预热的过程中，激光束不断闪烁 ?这是正常稳定过程的一部分，不必担心。5.2.2 EC10 环境补偿装置EC10 环境补偿装置可以补偿激光器光束波长在气温、气压及相对湿度影响之下的变化。波长补偿：EC10 最多也能够接受来自三个测量机床温度的材料传感器输入。 若已将适当的材料热膨胀系数输入 Laser10 软件，则能使测量可按照 20 C (68 F) 条件下机床（材料）温度取准。图 5.6 EC10 环境补偿装置材料热膨胀补偿：只有在执行线性测量时需要 EC10。 线性测量时若不使用 EC10，空气折射率的变化可能导致严重的测量误差。 若使用 EC10 环境补偿装置，便可使线性位移测量的结果符合线性测量的系统精度范围。有三种执行环境补偿的方法：（1）EC10 自动环境补偿（2）EC10 手动环境补偿（3）使用手动方式输入数据的补偿6. 环境温度传感器下图 5.7 所示的气温及材料温度传感器是不同的装置，随附在压模导线内并与接头端连接。这些接头可插入位于 EC10 机架后部的插座。 请小心将气温传感器插入正确的插座；插座有清楚的标示，如下图 5.88 所示：图 5.8 EC10 后视图图 5.7气温及材料温度传感器注意事项应先连接 EC10 的气温及材料温度传感器电源，再开启 EC10 电源。 一旦 EC10 检测到其中一个传感器通道尚未接通，将不会再度探测该通道。 当使用少于三个材料温度传感器时，需按照从下到上的顺序使用插座。气压及相对湿度传感器则位于 EC10 机架前端的两个端口后，如下图 5.9所示：图 5.9 湿度及气压传感器干涉镜原理1. Michelson 干涉镜使用光学干涉原理作为测量工具可以回溯至十九世纪八十年代，当时 Albert Michelson 研制出一种干涉镜。 Michelson 干涉镜包括一个单一波长（单色）的光源，一个半银色透镜，以及两个反射镜，如下图5.10 所示：图 5.10 基本 Michelson 干涉镜光源在半银色透镜表面分开，一半的光呈 90反射至一个固定距离透镜，剩余的一半则透过一个可移动的透镜。 两个透镜互相准直，以使从透镜反射的还原光束互相平行，并一同向观察者反射回去。 若每一个透镜与半透镜的距离完全相同，则光束会同步到达观察者处，并发生相长性干涉，使光更为明亮。 若可移透镜放得再远一点，使其位置偏移大约四分之一个波长，则光束会以 180的相位差向观察者异步射回，并发生相消性干涉，而产生较暗淡的光。 因此，观察者可以计算透镜移动时的闪光次数来测量可移透镜所移动的距离。2. 相长性干涉当两个波长相同的光束波形同步射出时，其波峰位置会如下图5.11 一般重合，固称为“相长性干涉”。 在相长性干涉的情况下，输出波的振幅等于两个输入波的振幅之和。图 5.11相长性干涉3. 相消性干涉当两个相干光束波形以 180的相位差异步射出时，一个输入光束的波峰位置会如下图 5.12 一般与另一个输入光束的波谷重合，固称为“相消性干涉”。 在相消性干涉的情况下，两个输入波会互相抵消而产生暗淡的光。图5.12 相消性干涉5.2.3 nishaw ML10 激光器系统虽然现代干涉镜已经较为复杂精密，测量距离的精度高达 1 ppm 或更高，但它们的根据仍然和上述的基本原理相同。下图5.13 显示使用 Renishaw ML10 激光器系统测量线性距离的设置。 图5.13 ML10 激光器系统将一个反光镜牢固地接上分光镜，形成一个固定长度的基准臂。 而另一个反光镜可以相对于分光镜移动，形成可变长度的测量臂。从 ML10 射出的激光束 (1) 有单一频率，其标称波长为 0.633 m，且其长期波长稳定性（真空状态）要高于 0.1ppm。 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 (2) 和一道透射光 (3)。 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，探测器会在相长性和相消性干涉的两极间找到稳定的信号。若光程差确实有变化，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间找到变动的信号。 这些变化（栅格）会被计算并用来测量两个光程间的差异变化。 测量的光程就是栅格数乘以光束大约一半的波长。值得注意的是，激光束的波长取决于其所通过的空气折射率。 由于空气折射率会随着温度、压力和相对湿度而变化，用来计算测量值的波长值可能需要加以补偿，以配合这些环境参数的改变。 实际上，就规格部分提到的测量精度来说，此类补偿只有在进行线性位移（定位精度）测量，当两道光束的光程差变化很大时才需要。1. 线性和角度组合镜组图5.34 线性和角度组合镜组对于只要执行线性及角度测量的用户，线性和角度组合镜组是一种高性能价格比的选择。 它可使用相同的镜组来执行线性测量或角度测量。组件包括： 线性反射镜及安装螺钉 角度反射镜 角度干涉镜 图 5.15 使用线性及角度组合镜组执行线性测量两个光靶 图 5.15 显示如何配置镜组以执行线性测量。 线性测量原理与线性镜组原理相同。 连接角度干涉镜的线性反射镜会将参考光束射回 ML10 探测器光孔。 角度反射镜会将测量光束通过角度干涉镜射回 ML10。2. 系统设置(1) 安装软件和接口使用激光校准系统之前，必须先在计算机上安装 Laser10 软件。(2) 系统部件要测量线性轴的定位精度，需要 Renishaw 激光测量系统的ML10 激光器、三脚架、EC10 环境补偿装置、线性测量镜组等部件。图 5.16显示测量线性轴定位精度的典型设置。首先将线性镜组安装图5.16 测量位置的典型系统设置到要校准的机床上，在三角架上安装 ML10 激光头，将 ML10 以及 EC10 连接到接口卡上。 将数据连接电缆的一端插到 PC10/PCM20 接口卡接头上的 5 针插座中，另一端插到 ML10 激光器后部的插座中。 同样再将 EC10 连接到接口卡接头上的另一个5 针插座上。 PC10/PCM20 接口卡上的两个 5 针的插座是通用的，因此 ML10 或 EC10 连接到哪个插座无关紧要。将环境传感器连接到 EC10 上。EC10 的空气传感器放在机床机床上或附近的适当位置，材料温度传感器放在机床上的适当位置。为了安全起见，ML10 激光器的光闸最初应旋转到它的闭合位置，打开 ML10 激光器和 EC10 以及 PC 机的系统电源。 打开电源的顺序无关紧要。 然后等待 ML10 稳定下来。 这将大约需要 10 到 15 分钟。值得注意的是：（1）为避免伤害眼睛，请不要直视射出光束（2）不要让光束直射或者通过光学元件或任何其它反射面反射到您的眼睛或任何其它人的眼睛。3. 启动软件(1) 运行软件 从 Windows 任务栏上，单击开始按钮，然后从开始菜单内选择Renishaw Laser10。 当出现资源管理器窗口时，双击线性测量图标，软件开始运行，并且在几秒钟后显示数据采集主窗口。图5.17资源管理器窗口 (2) 信号强度表 包含一个仪表，用于显示光束返回 ML10 激光器后的激光信号的强度。 因此该仪表读数能够说明 ML10 激光器与镜组之间准直的准确度 仪表读数越大，准直准确度越高。(3) 状态灯 状态灯窗口包含各个指示器，能够提供有关激光器及软件设定的信息。(4) 环境 环境窗口 显示由 EC10 环境补偿装置所监控的环境数值。 这些参数包括气压、气温、相对湿度以及材质温度。 该窗口同时显示所用的膨胀系数设定值和环境计算因子。 应确保将膨胀系数设为所校准机器机床的正确数值。(5) 菜单和工具栏 通常是用鼠标来选择和执行一个菜单选项，但您也可以使用键盘。 要显示一个菜单的选项，只需按 Alt 键以及该菜单的下划线字母即可。 例如，键入 Alt 加上 F 可显示文件菜单。 当显示菜单选项列表时，键入某个选项的下划线字母就能够执行该选项。 例如，键入文件菜单的 O 可显示选择文件对话框，让您在其中选择并打开文件。5.2.4 测量举例以激光干涉仪线性测量为例，图5.18为数据采集主窗口图5.18 数据采集主窗口图5.19 定义目标1. 定义目标若先前已经定义目标,则会出现下面图5.19提示。选择A将会显示目标生成对话框以及先前输入的(老的)数值。选择N将会显示目标生成对话框,但没有任何数值,要求您输入(新的)数值。图5.20显示的就是目标设置对话框:图5.20 目标设定图5.21 采集数据启动图5.22 标题信息2. 数据采集初始化当出现采集初始化对话框时，确保将定位方式设为线性，输入 1 作为所需的测量次数，并确保将选择方向设置为单向,误差允许范围10mm（如图5.21）。单击标题信息按钮以显示图5.22数据标题对话框。在数据标题对话框内，输入机床标题信息，说明所测试的轴/机床。单击确定关闭数据标题对话框，然后再一次单击确定关闭采集初始化对话框，会显示图5.24自动数据采集设置对话框。 注意，本快速浏览不使用自动数据采集，因此对话框顶端的自动采集列表框设置应