第五章 激光測量

1、第五章 激光測量激光 Leaser 這英文名詞是由幾個單詞縮寫而成，其意思是激發(fā)輻射光放大。激光是一種能量密度高、方向性強、單色性好的相干光。激光工作原理是，當(dāng)激光工作物質(zhì)，也稱可激活物質(zhì)( 如紅寶石、釹玻璃氦氖氣體等具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì))受到光泵( 脈沖激勵光源 )的激發(fā)后 , 便產(chǎn)生受激輻射躍遷 , 形成光放大 , 再經(jīng)過由全反射鏡和部分反射鏡組成的諧振腔產(chǎn)生振蕩后 , 成為單向平行光束 , 由腔的一端輸出激光束。5. 1激光干涉儀測量長度由于激光具有良好的方向性、單色性和相干性等優(yōu)點，采用激光器作為光源，以激光穩(wěn)定的波長作基準，利用光波干涉原理實現(xiàn)大尺寸的精密測量是目前大尺寸測量中比

2、較理想的方法。以激光波長為已知長度利用邁克耳遜干涉系統(tǒng)測量位移的通用長度測量.工具激光干涉儀有單頻的和雙頻的兩種。1用單頻激光干涉儀測量單頻激光干涉儀是將同一激光器發(fā)出的光束，經(jīng)分光鏡后分成相同頻率的參考光束和測量光束，它們分別經(jīng)固定棱鏡和隨被測件移動的可動棱鏡(如圖5-1)反射，而在分光面上重新匯合而產(chǎn)生干涉，相應(yīng)的被測長度，對應(yīng)于干涉場的干涉條紋信號變化的次數(shù)，通過光電接收、轉(zhuǎn)換和電路處理，求出相應(yīng)被測長度的數(shù)值。圖51 單頻激光干涉儀原理為了減少激光光源熱輻射、振動等有害因素對其他部分的影響和滿足大尺寸測量的客觀需要，儀器的設(shè)計采用分開式結(jié)構(gòu)。如圖5-1所示， l為激光器，包括激光管光源

3、、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和放大器系統(tǒng)；2為干涉裝置，主要由分光學(xué)部件和固定棱鏡部件組成；3為反射靶系統(tǒng)，包括移動棱鏡以及和它同時運動的測量裝置系統(tǒng)。單頻激光干涉儀一般沒有專門的空氣折射率測量裝置，在進行大尺寸測量時，溫度誤差對測量結(jié)果將有較大的影響，故對測量環(huán)境應(yīng)有一定的要求，必要時應(yīng)對上述影響進行修正。2雙頻激光干涉測量（1）多普勒效應(yīng)實驗證明，當(dāng)光波接收裝置相對光源作相對運動時，單位時間內(nèi)接收裝置所接收到的光波數(shù)(即頻率f)，將與光源實際發(fā)出的光波數(shù)量(頻率f0)有所不同。這種現(xiàn)象稱為光的多普勒效應(yīng)。設(shè)光源固定不動，接收裝置以速度v趨向于光源，即接收裝置迎著光波的傳播方向移動，則相當(dāng)于光波以 c +

4、 v射向接收裝置,c為光波的傳播速度。因此，單位時間內(nèi)到達接收裝置的光波數(shù)(即頻率f)等于：因為 1/T = f0所以 即接收裝置的頻率等于光源頻率的倍。當(dāng)接收裝置以同樣的速度遠離光源時，運動的速度v規(guī)定為負，上式關(guān)系仍然成立。 （2）雙頻激光干涉測長儀的工作原理圖5-2為雙頻激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)。將氦氖激光器 l置于一軸向磁場之中，由于塞曼效應(yīng)的作用，使激光譜線分為兩個幅值相同、方向相反的左、右旋圓偏振光。又由于頻率牽引的作用，使這兩支光的頻率f1和f2相差不大，一般為1.5 MHz左右，處在激光的可“拍”頻差之內(nèi)。良好的干涉性能是激光優(yōu)于普通光源的特點之一，對于激光而言，即使是兩支頻率有差

5、異的光束也能較好地產(chǎn)生干涉，通常我們把這種激光獨有的特殊干涉現(xiàn)象稱之為“拍”。這兩支頻率分別為f1 、f2的圓偏振光，通過 4波片2之后，形成兩個振動方向互相垂直的線偏振光(設(shè)f1平行于紙面，f2垂直于紙面)。它們經(jīng)準直系統(tǒng)3擴束后，在分光鏡4上被分為兩部分：一小部分作為參考光束被反射，經(jīng)45放置的檢偏器產(chǎn)生拍頻為(f1f2)的“拍”。該信號由光電管6接收并轉(zhuǎn)換為電信號，進入前置放大器7后送計算機處理。另一大部分光透過分光鏡4，沿原方向射向偏振分光鏡8?；ハ啻怪钡念l率為f1和 f2的偏振光，在分光面上分別被反射和透射至參考鏡9和測量鏡10，然后再返射回并在分光面處匯合。其中，由測量鏡返回的偏振

6、光由于多普勒效應(yīng)，頻率變?yōu)閒 = f1十 f，其中f =，v為測量鏡移動速度。這兩支光匯合后，經(jīng)棱鏡11反射到45放置的檢偏器12產(chǎn)生“拍”，信號由光電管接收，經(jīng)前置放大器14后，送計算機處理。圖5-2 雙頻激光干涉測長儀光路計算機將兩路信號進行同步相減，得出多普勒頻差f。在時間 t內(nèi)與被測長度對應(yīng)的多普勒頻差為 由于 、則 故被測長度L為 雙頻激光干涉儀以交變信號作為參考信號，可避免零點漂移，有較強的抗干擾能力，可在現(xiàn)場使用。測量長度可達60m左右。此外，如配以簡單的附件，還可對角度、直線度等進行測量。雙頻激光干涉儀的最小分辨率為0.08mm，最大位移速度為300mms，其測量精度已達到11

7、0-7L (L為被測量的長度)。 5. 2 雷尼紹激光干涉儀ML10 Gold雷尼紹激光干涉儀ML10 Gold可提供線性測量精度為 0 . 7 m / m 和分辨率為 0 . 001 m 的超精度測量和校準能力。 ML10 Gold測量質(zhì)量、性能穩(wěn)定并適用于多種環(huán)境。雷尼紹采用激光干涉原理，包括線性、角度和直線度的測量。因此ML10 Gold使用干涉原理所提供的測量采用國際上光線的波長為長度標(biāo)準。 ML10 Gold使用分離的干涉鏡，而不與激光頭安裝在一起通過提高激光源的穩(wěn)定性和環(huán)境誤差補償。ML10 Gold提高測量精度和穩(wěn)定性，并克服了與標(biāo)準條件不同的多變環(huán)境（氣溫、氣壓、濕度）這些變化

8、可引起的不確定度。ML10 Gold的激光穩(wěn)頻精度達到0 . 05 m / m同時使用非常精確的環(huán)境補償傳感器來采集數(shù)據(jù)，通過EC10環(huán)境補償單元對“原始”測量結(jié)果進行修正。英國雷尼紹RENISHAW公司激光干涉儀的主要技術(shù)指標(biāo)是：直線位移：（范圍），準確度.直線速度：范圍./，準確度.（ ）激光干涉儀檢測系統(tǒng)，為機械制造業(yè)提供測量檢測系統(tǒng)，用于機床及三坐標(biāo)測量機的精度檢測.該系統(tǒng)0.7ppm(百萬分之一)精度提供了其它系統(tǒng)不可比擬的,并符合國際標(biāo)準的工作性能追溯能力。在線性測量系統(tǒng)中，可以測量工作臺的定位精度，重復(fù)定位精度。還可以測量直線度、平面度、垂直度等形狀、位置精度。5.2.1 ML1

9、0 激光器圖5.3 - ML10 Gold Standard 激光器ML10 激光器構(gòu)成了 Renishaw 激光校準系統(tǒng)的基礎(chǔ)。ML10 是一種單頻 HeNe 激光器，內(nèi)含對輸出激光束穩(wěn)頻的電子線路及對由測量光學(xué)鏡產(chǎn)生的干涉條紋進行細分和計數(shù)處理。 有關(guān) ML10 激光器如何工作的詳細說明，請參閱干涉鏡原理部分。激光器的II 級功率等級表明使用時無需特殊的安全裝置。ML10 激光器可通過數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)電纜連接具有PC10 接口卡的臺式計算機，或是具有PCM20 接口卡的筆記本計算機。前面板有一個激光器狀態(tài)燈及光閘。激光器狀態(tài)燈可表示激光器是否已達到穩(wěn)定的狀態(tài)。可將光閘轉(zhuǎn)四個位置，以滿足以下功能：

10、a.切斷光束。 （建議搬運時采用此位置以保護內(nèi)部鏡組，或在設(shè)置系統(tǒng)前采用此位置以減少光束意外射入雙眼的可能。） 縮小光束與光靶 最大光束與光靶 正常測量位置（即最大光束與光孔） 系統(tǒng)設(shè)置期間使用位置 b 和 c。 利用目標(biāo)來準直回射光束，使它在當(dāng)光閘被轉(zhuǎn)到正常測量位置 d 時，直接落在探測器端口上。 縮小光束容許您在準直過程中做更精細的調(diào)整。圖 5.4 后面板細節(jié)注： 直線度測量時使用的激光器裝有一個直線度光閘機制。值得注意的是：激光安全，切勿凝視光束。根據(jù) EN60825-1 以及美國標(biāo)準ANSI 2136，Renishaw ML10 激光器屬 II 級激光，因而不需要佩戴護目鏡（正常條件下

11、人會自然地眨動眼睛并轉(zhuǎn)移目光以避免傷害）。 切勿直接凝視光束或照射他人的眼睛。 注視漫射光束不會造成傷害。1、ML10 后面板控制及指示燈 圖5.5 角度俯仰調(diào)整指形輪ML10 的后面板包括一個激光器狀態(tài)燈、ON/OFF 電源開關(guān)、電源連接、數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)插座、以及角度俯仰調(diào)整。激光器狀態(tài)燈可表示激光器是否已達到穩(wěn)定的狀態(tài)。ON/OFF 開關(guān)控制 ML10 激光器的電源輸入。 電源插座就在此開關(guān)旁邊，可插入提供的電源導(dǎo)線上壓模的標(biāo)準 IEC 接頭。可使用準平指形輪來做精密的傾斜度（俯仰）調(diào)整。2、安裝組合ML10 激光器底座有一個三點式的安裝組合。 激光器前端由兩點支撐，后端則由一點支撐。ML10

12、激光器可用 ML10 安裝云臺裝在一個三腳架上。3、ML10 激光器角度俯仰調(diào)整可用 ML10 后面板的指形輪組來調(diào)整激光頭的角度俯仰，如上圖所示。4、激光器穩(wěn)定性 開啟激光器的電源后，必須經(jīng)過預(yù)熱周期才能穩(wěn)定下來。 一旦穩(wěn)定后，須控制通過機架內(nèi)加熱器的電流，將內(nèi)部激光管保持在一定的溫度范圍內(nèi)。最初開啟 ML10 激光器電源時，前后面板上的指示燈 LED 會持續(xù)亮紅燈。 （若光閘機制不在“切斷”(shut-off) 位置，可能也會看到激光束。） 大約間隔 30 秒之后，指示燈開始每隔一秒鐘閃爍紅燈，表示加熱器正在預(yù)熱激光器管。 這時，若光閘打開，激光束也會強弱閃爍。 這會持續(xù)大約 10 到 1

13、5 分鐘（一般來說），之后指示燈變成穩(wěn)定的琥珀色，表示激光器開始達到穩(wěn)定狀態(tài)。 再等一分鐘左右，指示燈會變成穩(wěn)定的綠燈，表示激光器現(xiàn)在已達到穩(wěn)定，可以用來進行測量。注： 在預(yù)熱的過程中，激光束不斷閃爍 ?這是正常穩(wěn)定過程的一部分，不必擔(dān)心。5.2.2 EC10 環(huán)境補償裝置EC10 環(huán)境補償裝置可以補償激光器光束波長在氣溫、氣壓及相對濕度影響之下的變化。波長補償：EC10 最多也能夠接受來自三個測量機床溫度的材料傳感器輸入。 若已將適當(dāng)?shù)牟牧蠠崤蛎浵禂?shù)輸入 Laser10 軟件，則能使測量可按照 20 C (68 F) 條件下機床（材料）溫度取準。圖 5.6 EC10 環(huán)境補償裝置材料熱膨脹補

14、償：只有在執(zhí)行線性測量時需要 EC10。 線性測量時若不使用 EC10，空氣折射率的變化可能導(dǎo)致嚴重的測量誤差。 若使用 EC10 環(huán)境補償裝置，便可使線性位移測量的結(jié)果符合線性測量的系統(tǒng)精度范圍。有三種執(zhí)行環(huán)境補償?shù)姆椒ǎ海?）EC10 自動環(huán)境補償（2）EC10 手動環(huán)境補償（3）使用手動方式輸入數(shù)據(jù)的補償6. 環(huán)境溫度傳感器下圖 5.7 所示的氣溫及材料溫度傳感器是不同的裝置，隨附在壓模導(dǎo)線內(nèi)并與接頭端連接。這些接頭可插入位于 EC10 機架后部的插座。 請小心將氣溫傳感器插入正確的插座；插座有清楚的標(biāo)示，如下圖 5.88 所示：圖 5.8 EC10 后視圖圖 5.7氣溫及材料溫度傳感器

15、注意事項應(yīng)先連接 EC10 的氣溫及材料溫度傳感器電源，再開啟 EC10 電源。 一旦 EC10 檢測到其中一個傳感器通道尚未接通，將不會再度探測該通道。 當(dāng)使用少于三個材料溫度傳感器時，需按照從下到上的順序使用插座。氣壓及相對濕度傳感器則位于 EC10 機架前端的兩個端口后，如下圖 5.9所示：圖 5.9 濕度及氣壓傳感器干涉鏡原理1. Michelson 干涉鏡使用光學(xué)干涉原理作為測量工具可以回溯至十九世紀八十年代，當(dāng)時 Albert Michelson 研制出一種干涉鏡。 Michelson 干涉鏡包括一個單一波長（單色）的光源，一個半銀色透鏡，以及兩個反射鏡，如下圖5.10 所示：圖

16、5.10 基本 Michelson 干涉鏡光源在半銀色透鏡表面分開，一半的光呈 90反射至一個固定距離透鏡，剩余的一半則透過一個可移動的透鏡。 兩個透鏡互相準直，以使從透鏡反射的還原光束互相平行，并一同向觀察者反射回去。 若每一個透鏡與半透鏡的距離完全相同，則光束會同步到達觀察者處，并發(fā)生相長性干涉，使光更為明亮。 若可移透鏡放得再遠一點，使其位置偏移大約四分之一個波長，則光束會以 180的相位差向觀察者異步射回，并發(fā)生相消性干涉，而產(chǎn)生較暗淡的光。 因此，觀察者可以計算透鏡移動時的閃光次數(shù)來測量可移透鏡所移動的距離。2. 相長性干涉當(dāng)兩個波長相同的光束波形同步射出時，其波峰位置會如下圖5.1

17、1 一般重合，固稱為“相長性干涉”。 在相長性干涉的情況下，輸出波的振幅等于兩個輸入波的振幅之和。圖 5.11相長性干涉3. 相消性干涉當(dāng)兩個相干光束波形以 180的相位差異步射出時，一個輸入光束的波峰位置會如下圖 5.12 一般與另一個輸入光束的波谷重合，固稱為“相消性干涉”。 在相消性干涉的情況下，兩個輸入波會互相抵消而產(chǎn)生暗淡的光。圖5.12 相消性干涉5.2.3 nishaw ML10 激光器系統(tǒng)雖然現(xiàn)代干涉鏡已經(jīng)較為復(fù)雜精密，測量距離的精度高達 1 ppm 或更高，但它們的根據(jù)仍然和上述的基本原理相同。下圖5.13 顯示使用 Renishaw ML10 激光器系統(tǒng)測量線性距離的設(shè)置。

18、 圖5.13 ML10 激光器系統(tǒng)將一個反光鏡牢固地接上分光鏡，形成一個固定長度的基準臂。 而另一個反光鏡可以相對于分光鏡移動，形成可變長度的測量臂。從 ML10 射出的激光束 (1) 有單一頻率，其標(biāo)稱波長為 0.633 m，且其長期波長穩(wěn)定性（真空狀態(tài)）要高于 0.1ppm。 當(dāng)此光束抵達偏振分光鏡時，會被分為兩道光束 - 一道反射光 (2) 和一道透射光 (3)。 這兩道光射向其反光鏡，然后透過分光鏡反射回去，在激光頭內(nèi)的探測器形成一道干涉光束。若光程差沒有任何變化，探測器會在相長性和相消性干涉的兩極間找到穩(wěn)定的信號。若光程差確實有變化，探測器會在每一次光程改變時，在相長性和相消性干涉的

19、兩極間找到變動的信號。 這些變化（柵格）會被計算并用來測量兩個光程間的差異變化。 測量的光程就是柵格數(shù)乘以光束大約一半的波長。值得注意的是，激光束的波長取決于其所通過的空氣折射率。 由于空氣折射率會隨著溫度、壓力和相對濕度而變化，用來計算測量值的波長值可能需要加以補償，以配合這些環(huán)境參數(shù)的改變。 實際上，就規(guī)格部分提到的測量精度來說，此類補償只有在進行線性位移（定位精度）測量，當(dāng)兩道光束的光程差變化很大時才需要。1. 線性和角度組合鏡組圖5.34 線性和角度組合鏡組對于只要執(zhí)行線性及角度測量的用戶，線性和角度組合鏡組是一種高性能價格比的選擇。 它可使用相同的鏡組來執(zhí)行線性測量或角度測量。組件包

20、括： 線性反射鏡及安裝螺釘 角度反射鏡 角度干涉鏡 圖 5.15 使用線性及角度組合鏡組執(zhí)行線性測量兩個光靶 圖 5.15 顯示如何配置鏡組以執(zhí)行線性測量。 線性測量原理與線性鏡組原理相同。 連接角度干涉鏡的線性反射鏡會將參考光束射回 ML10 探測器光孔。 角度反射鏡會將測量光束通過角度干涉鏡射回 ML10。2. 系統(tǒng)設(shè)置(1) 安裝軟件和接口使用激光校準系統(tǒng)之前，必須先在計算機上安裝 Laser10 軟件。(2) 系統(tǒng)部件要測量線性軸的定位精度，需要 Renishaw 激光測量系統(tǒng)的ML10 激光器、三腳架、EC10 環(huán)境補償裝置、線性測量鏡組等部件。圖 5.16顯示測量線性軸定位精度的典

21、型設(shè)置。首先將線性鏡組安裝圖5.16 測量位置的典型系統(tǒng)設(shè)置到要校準的機床上，在三角架上安裝 ML10 激光頭，將 ML10 以及 EC10 連接到接口卡上。 將數(shù)據(jù)連接電纜的一端插到 PC10/PCM20 接口卡接頭上的 5 針插座中，另一端插到 ML10 激光器后部的插座中。 同樣再將 EC10 連接到接口卡接頭上的另一個5 針插座上。 PC10/PCM20 接口卡上的兩個 5 針的插座是通用的，因此 ML10 或 EC10 連接到哪個插座無關(guān)緊要。將環(huán)境傳感器連接到 EC10 上。EC10 的空氣傳感器放在機床機床上或附近的適當(dāng)位置，材料溫度傳感器放在機床上的適當(dāng)位置。為了安全起見，ML

22、10 激光器的光閘最初應(yīng)旋轉(zhuǎn)到它的閉合位置，打開 ML10 激光器和 EC10 以及 PC 機的系統(tǒng)電源。 打開電源的順序無關(guān)緊要。 然后等待 ML10 穩(wěn)定下來。 這將大約需要 10 到 15 分鐘。值得注意的是：（1）為避免傷害眼睛，請不要直視射出光束（2）不要讓光束直射或者通過光學(xué)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. 啟動軟件(1) 運行軟件 從 Windows 任務(wù)欄上，單擊開始按鈕，然后從開始菜單內(nèi)選擇Renishaw Laser10。 當(dāng)出現(xiàn)資源管理器窗口時，雙擊線性測量圖標(biāo)，軟件開始運行，并且在幾秒鐘后顯示數(shù)據(jù)采集主窗口。圖5.17資源管理器窗口 (2) 信

23、號強度表 包含一個儀表，用于顯示光束返回 ML10 激光器后的激光信號的強度。 因此該儀表讀數(shù)能夠說明 ML10 激光器與鏡組之間準直的準確度 儀表讀數(shù)越大，準直準確度越高。(3) 狀態(tài)燈 狀態(tài)燈窗口包含各個指示器，能夠提供有關(guān)激光器及軟件設(shè)定的信息。(4) 環(huán)境 環(huán)境窗口 顯示由 EC10 環(huán)境補償裝置所監(jiān)控的環(huán)境數(shù)值。 這些參數(shù)包括氣壓、氣溫、相對濕度以及材質(zhì)溫度。 該窗口同時顯示所用的膨脹系數(shù)設(shè)定值和環(huán)境計算因子。 應(yīng)確保將膨脹系數(shù)設(shè)為所校準機器機床的正確數(shù)值。(5) 菜單和工具欄 通常是用鼠標(biāo)來選擇和執(zhí)行一個菜單選項，但您也可以使用鍵盤。 要顯示一個菜單的選項，只需按 Alt 鍵以及該

24、菜單的下劃線字母即可。 例如，鍵入 Alt 加上 F 可顯示文件菜單。 當(dāng)顯示菜單選項列表時，鍵入某個選項的下劃線字母就能夠執(zhí)行該選項。 例如，鍵入文件菜單的 O 可顯示選擇文件對話框，讓您在其中選擇并打開文件。5.2.4 測量舉例以激光干涉儀線性測量為例，圖5.18為數(shù)據(jù)采集主窗口圖5.18 數(shù)據(jù)采集主窗口圖5.19 定義目標(biāo)1. 定義目標(biāo)若先前已經(jīng)定義目標(biāo),則會出現(xiàn)下面圖5.19提示。選擇A將會顯示目標(biāo)生成對話框以及先前輸入的(老的)數(shù)值。選擇N將會顯示目標(biāo)生成對話框,但沒有任何數(shù)值,要求您輸入(新的)數(shù)值。圖5.20顯示的就是目標(biāo)設(shè)置對話框:圖5.20 目標(biāo)設(shè)定圖5.21 采集數(shù)據(jù)啟動圖5.22 標(biāo)題信息2. 數(shù)據(jù)采集初始化當(dāng)出現(xiàn)采集初始化對話框時，確保將定位方式設(shè)為線性，輸入 1 作為所需的測量次數(shù)，并確保將選擇方向設(shè)置為單向,誤差允許范圍10mm（如圖5.21）。單擊標(biāo)題信息按鈕以顯示圖5.22數(shù)據(jù)標(biāo)題對話框。在數(shù)據(jù)標(biāo)題對話框內(nèi)，輸入機床標(biāo)題信息，說明所測試的軸/機床。單擊確定關(guān)閉數(shù)據(jù)標(biāo)題對話框，然后再一次單擊確定關(guān)閉采集初始化對話框，會顯示圖5.24自動數(shù)據(jù)采集設(shè)置對話框。 注意，本快速瀏覽不使用自動數(shù)據(jù)采集，因此對話框頂端的自動采集列表框設(shè)置